南京市四季開始日和長度的模擬能力評估*

吳玲玲

（南京鐵道職業技術學院,江蘇 南京 210031）

全球氣候變暖已成為事實,特別是近些年來,全球氣溫升高速度明顯加劇,我國東部地區也不例外。氣溫的升高使得四季的起止時間和長度也有了明顯的改變,而四季的變化對人民的生活和社會經濟發展有著直接的影響。本文首先分析了南京市季節開始時間和長度的變化特征,其次了解目前模式對南京市季節開始時間和長度的模擬能力。

1 南京市四季開始日和長度的變化特征

四季的劃分主要建立在氣象資料的基礎上,有時可能還需要結合物候特征、農事活動以及人類的適應等其他要素,因此對于四季的劃分有很多種方法。張寶堃定義氣溫穩定超過10℃作為春季的開始,穩定超過22℃作為夏季的開始,穩定低于22℃作為秋季的開始,穩定低于10℃作為冬季的開始。以入夏為例,在各站逐日平均氣溫資料基礎上計算當日及前2d和后2d的共5d滑動平均值,作為當日的候平均氣溫,定義若有連續5d的候平均氣溫超過22℃,可稱為穩定超過。那么參加滑動平均的9d中,日平均氣溫≥22℃的首日可作為夏季的開始日。另外,可以允許這5d之后有1~3d的候平均氣溫低于22℃,本項目便使用在此基礎上加入二次判定方法的《氣候季節劃分標準》進行四季判定。

1961-2012年期間,南京四季開始日和長度的年際變化十分顯著。圖1a至圖1d中1月1日為第1天,1月2日為第2天……以此類推。就四季開始日（圖1a至圖1d）而言,春季最早開始于3月12日,最晚開始于4月13日；夏季最早開始于5月7日,最晚開始于6月16日；秋季最早開始于9月10日,最晚開始于10月11日；冬季最早開始于11月7日,最晚開始于12月14日。平均而言,春季平均起始時間為3月27日,夏季平均起始時間為5月25日,秋季平均起始時間為9月21日,冬季平均起始時間為11月20日。

在四季長度（圖1e至圖1f）的變化上,各季節的年際變化差異顯著。春季最短持續44天,最長持續90天；夏季最短持續92天,最長持續156天；秋季最短持續36天,最長持續82天；冬季最短持續86天,最長持續141天。平均而言,春季持續時間為57天,夏季持續時間為125天,秋季持續時間為56天,冬季持續時間為127天。春、秋季持續時間短,夏、冬季持續時間長。

圖1 1961-2012年南京四季開始日和長度的變化（單位：天）

計算1961-2012年期間南京四季開始日和長度的具體變化趨勢可知,在四季起始日方面,南京春夏兩季有提前的趨勢,冬秋兩季有推遲的趨勢,其中春秋兩季的變化最為顯著,春季開始日約提前3d/10a,秋季開始日約推遲2d/10a；在四季長度方面,春夏兩季持續時間變長,秋冬兩季恰好相反,其中夏冬兩季的變化最為顯著,夏季長度約延長3.5d/10a,冬季長度約縮短4d/10a。

2 模式對南京四季起始日和長度的模擬能力

世界氣候研究計劃（WCRP）推動了國際耦合模式比較計劃（CMIP）,自1995年實施以來,目前正在執行第5次國際耦合模式比較計劃（CMIP5）。這些計劃的實施促進了耦合模式研發和氣候模擬領域的國際合作,推動了國際學術界和社會各界對氣候變化、氣候預測和氣候預估等問題的高度重視。通過與南京市臺站的逐日平均氣溫觀測資料,來評估CMIP5中模式對過去50年南京市四季開始日和四季長度的模擬能力。選取了CMIP5計劃中的ACCESS1.0、ACCESS1.3、CMSS_CMS、GFDL_EMS2G、IPSL_CM5A_MR、MIROC_ESM 6種模式資料進行評估。

對比臺站觀測和模式回報結果可發現,1950-2005年臺站觀測和各模式模擬得到的南京四季開始日（圖2a）基本一致,尤其是春冬兩季開始日,各模式模擬雖略比觀測提前,但差值不大,其中CMSS_CMS模式模擬的春冬季開始日比較準確；而夏秋兩季的開始日,模式模擬和觀測值偏差較大,偏差區間約5~20d,對比而言IP_SL_CM5A_MR模式對夏秋季開始日的模擬效果比較好。這樣的結論在季節長度中同樣有所體現,CMSS_CMS模式模擬的春季開始日與觀測值的誤差小于1d,冬季開始日的誤差約為3d,IPSL_CM5A_MR模式模擬的夏季開始日與觀測值的誤差約為4d,秋季開始日的誤差約為6d。從模式對四季開始日的模擬效果而言,春冬兩季的準確度高于夏秋兩季,CMSS_CMS模式模擬的春冬季開始日比較準確,IPSL_CM5A_MR模式對夏秋季開始日的模擬效果比較好。

1950-2005年臺站觀測和各模式模擬得到的南京四季長度（圖2b）偏差較大,尤其是夏季長度,模式間偏差高達50d。春冬兩季的長度,6個模式結果與觀測值偏差較小且穩定,只有ACCESS1.3模式對這四季長度回報結果都比較準確,MIROC_ESM模式雖然對春季長度回報較好,但夏季偏差較大；IPSL_CM5A_MR模式雖然對夏冬兩季長度回報較好,但秋季偏差較大；其他模式的偏差相對較大。整體而言,ACCESS1.3模式對四季長度模擬結果都比較準確,且穩定性較好。這樣的結論在季節長度中同樣有所體現,ACCESS1.3模式模擬的春季長度與觀測值的誤差小于1d,夏季開始日的誤差約為3d,秋冬季開始日的誤差約為2d。從模式對四季長度的模擬效果而言,春秋冬三季的準確度和穩定性高于夏季,ACCESS1.3模式模擬的四季長度比較準確。

圖2 1950-2005年臺站觀測和各模式模擬得到的南京四季開始日和長度變化

通過Taylor圖（圖3）來評估各模式對南京市氣溫的模擬能力。在標準差方面,ACCES1.0、CMSS、GFDL模式標準差略低于觀測的標準差；ACCESS1.3、MIROC、IPSL模式標準差略高于觀測的標準差；在相關系數方面,除ACCES1.0模式外的五種模式都大于0.99,ACCES1.0模式與觀測的相關系數為0.988；中心均方根誤差方面,各模式基本都在4～6之間,只有ACCES1.0模式為6.3。總體上看,CMSS和IPSL模式與觀測的相關系數最好；MIROC和ACCESS1.3模式與觀測的標準差最接近；MIROC模式與觀測的中心均方根誤差最小。

圖3 CMIP5中6種模式對南京氣溫模擬的泰勒圖

對春冬季開始日模擬比較準確的ACCESS1.3模式、對夏秋季開始日的模擬效果比較好的CMSS_CMS模式和對四季長度模擬效果較好的IPSL_CM5A_MR模式,誤差參考值（標準差、異常相關系數和中心均方根誤差）也相對較小。ACCESS1.3模式的標準差37.9,異常相關系數0.99,中心均方根誤差0.49；CMSS_CMS模式的標準差32.9,異常相關系數0.99,中心均方根誤差4.9；IP_SL_CM5A_MR模式的標準差40.6,異常相關系數0.99,中心均方根誤差5.1。異常相關系數這3個模式都為0.99,中心均方根誤差也是偏低的。

3 結束語

在四季起始日方面,南京春夏兩季有提前的趨勢,冬秋兩季有推后的趨勢,在四季長度方面,春夏兩季持續時間變長,秋冬兩季持續時間縮短。CMIP5中的模式對四季開始日的模擬效果而言,春冬兩季的準確度高于夏秋兩季；對四季長度的模擬效果而言,春秋冬三季的準確度和穩定性高于夏季,其中ACCESS1.3模式、CMSS_CMS模式和IPSL_CM5A_MR模式對南京市氣溫的模擬性能較好。