全球季风模式比较计划（GMMIP）概述.pdf

DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2019.132周天军 , 陈晓龙 , 何编 , 等 . 全球季风模式比较计划（ GMMIP）概述 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 5 493-497Zhou T J, Chen X L, He B, et al. Short commentary on CMIP6 Global Monsoons Model Intercomparison Project GMMIP [J]. Climate Change Research, 2019, 15 5 493-497全球季风模式比较计划（GMMIP）概述周天军1,2，陈晓龙1，何 编1，吴 波1，张丽霞11 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029；2 中国科学院大学，北京 100049气候变化研究进展第 15 卷 第 5 期 2019 年 9 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 5September 2019摘 要 全球季风模式比较计划（ GMMIP）是第六次国际耦合模式比较计划（ CMIP6）的重要组成部分。文中首先介绍了 GMMIP 发起的科学背景，指出发起 GMMIP 的必要性和历史机遇。进一步扼要描述了 GMMIP 试验设计的总体思路和方案、试验的用途以及与 CMIP6 其他模式比较子计划的相关性。最后对 GMMIP 的科学意义进行了评述，指出其在提升和扩大中国季风模拟和研究领域国际影响力方面的重要作用。关键词 全球季风模式比较计划（ GMMIP； CMIP6；试验设计收稿日期 2019-06-04； 修回日期 2019-06-26资助项目 中国科学院“国际伙伴计划 - 国际大科学计划培育专项”项目“全球季风模拟研究国际计划”（ 134111KYSB20160031；国家自然科学基金（ 41605057）作者简介 周天军，男，研究员， 引 言季风影响着全球近 2/3 的人口，一方面，季风活动是水资源的重要来源；另一方面，异常的季风环流和降水变化所带来的气象灾害，又会对该地区人们的生命和财产安全造成威胁[1]。中国属于典型的季风区，季风强弱决定旱涝变化，每年因季风异常造成的国民经济损失非常巨大。理解东亚季风的变化机理是做出可靠的预报和预估、减轻灾害和减缓气候影响的基础，但目前的季风研究尚面临着诸多挑战[2]。从全球角度来看，有三大季风系统，即亚澳季风系统（含南亚季风、东亚季风、西北太平洋季风和澳洲季风 、非洲季风（含北非季风和南非季风）和美洲季风（含北美季风和南美季风 。尽管三大季风系统存在着各自的区域性特点，但由于它们都受到太阳辐射季节变化的驱动和约束，因此，可以通过行星尺度环流系统来审视各大子季风变化之间的关联[3-5]。理解区域子季风的变化机理需要有全球视野[6]。全球季风还存在着多时间尺度的变化特征[7]。季风的变化受到内部变率（如太平洋年代际振荡（ IPO、大西洋多年代际振荡（ AMO））和外强迫（如温室气体、气溶胶）的共同作用[8-11]。理解不同因子影响季风变化的机理进而预测其未来变化需要借助气候 / 地球系统模式[12]。但是，由于不同模式研发机构采用不同的动力框架、物理方案和参数配置，使得模拟结果存在较大的不确定性，制约了对季风变化机理的认识和气候预测 /气候变化研究进展 2019 年494第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）评述及中国贡献专栏预估产品在科学决策中的有效应用。为了推动大气模式、气候系统乃至地球系统模式的发展，自20 世纪 90 年代初，世界气候研究计划（ WCRP）陆续发起了国际大气模式比较计划（ AMIP、耦合模式比较计划（ CMIP，大致每 5 年一个阶段，目前已发展到第六阶段（ CMIP6）[13]。 CMIP 数据被广泛用于各种时空尺度的气候变化研究，并在评估人类活动对气候变化的影响、适应和减缓气候变化研究方面发挥着巨大作用。利用 CMIP 计划的气候模拟和预估结果所发表的大量学术论文，构成了历次 IPCC 科学评估报告的重要组成部分。CMIP 计划的实施有效地促进了耦合模式研发和气候模拟领域的国际合作，是迄今为止地学领域组织的最为成功的国际科技合作计划之一，极大地增进了国际学术界和社会各界对气候变化问题的关注。2015 年起 WCRP 耦合模拟工作组（ WGCM）开始组织 CMIP6，在设计上强调与国际可持续发展需求的衔接，其结果将直接服务于 IPCC 第六次气候变化评估报告（ AR6。针对人类社会面临的可持续发展问题，自 2012 年起 WCRP 陆续提出当前气候研究面临的七个重大挑战，分别为冰冻圈的融化及其全球影响，云、环流和气候敏感度，气候系统的碳反馈，天气和气候极端事件，粮食生产用水，区域海平面上升及其对沿海地区的影响，以及近期气候预测。这七大挑战均是关系到人类未来生存和发展的重大气候变化问题[14]。为了应对这些挑战，国际季风学界迫切期待能够携手组织重大国际协作计划，通过国际合作来解决困扰季风预测的国际难题，例如 20 世纪季风变化中的内部变率和外强迫的相对贡献问题、季风的可靠模拟和预测问题等，这些问题与 WCRP 提出的水资源利用，极端天气气候，云、环流和气候敏感度，近期气候预测这四大挑战密切相关。在此背景下，中国、英国和美国学者联手发起组织了全球季风模式比较计划（ GMMIP，并迅速得到全球各大气候模式研发中心的积极响应，被WCRP 的 CMIP 科学委员会批准，成为 CMIP6 旗下的科学子计划之一。1 计划概况GMMIP 的试验设计分为 3 个层级，分别称为 Tier-1、 Tier-2 和 Tier-3（图 1。其中 Tier-1 是GMMIP 的“准入证”，具有最高的优先级， Tier-2和 Tier-3 的优先级依次降低。优先级主要考虑试验的基础性和难易程度，不代表科学问题的重要性，因此， GMMIP 鼓励计算资源充足的模式研发机构能够完成 Tier-2 和 Tier-3 的科学试验。图 1 GMMIP 的 3 个层级（ Tier）试验设计（外围是与GMMIP 并列、并与 GMMIP 科学问题密切相关的其他CMIP6 的模式比较子计划）[15]Fig. 1 Three-tier experiments design in GMMIP surrounding the GMMIP experiments are other counterpart MIPs in CMIP6 that are closely related to the scientific questions in GMMIP [15]1 Tier-1 试验使用单独大气环流模式，将标准的 AMIP 试验（即利用观测历史海温驱动大气模式）向前扩展到 1870 年，涵盖了工业革命以后人类活动影响的主要历史时期，称为amip-hist。强迫场与 CMIP6 的历史气候模拟试验（ Historical）保持一致，这使得我们能将 amip-hist 与观测记录以及 Historical 试验进行比较，探讨海表温度变率对季风环流和降水长期变化的驱动作用。这组数值试验所需要的海温和海冰的边界条件来自基于观测和重建的数据。2 Tier-2 试验采用大气-海洋耦合的气候系统或者地球系统模式，模拟的时间段为1870 2014 年，与 amip-hist 一致。其初始场来自 CMIP6 的 Historical 试验，所用的强迫场资料5 期 495周天军，等全球季风模式比较计划（ GMMIP）概述与之保持一致，包括火山气溶胶和太阳辐照度变化的自然强迫，以及包含温室气体和气溶胶变化在内的人为强迫等。与标准的 20 世纪历史气候模拟试验的区别在于，该试验需要将关键海区海表温度变率向观测恢复，从而引入与观测接近的年际和年代际变化信号，这如同心脏起搏器的主动搏动，故被称为“起搏器”（ pacemaker）试验。研究表明，影响全球季风的两个主要年代际变率模态为 IPO和 AMO，前者以热带中东太平洋海表温度的年代际变率为主要特征，后者则主要体现在北大西洋海表温度的年代际变率。因此， Tier-2 包含两组试验，称为 hist-resIPO 和 hist-resAMO，分别在热带中东太平洋和北大西洋区域将模式的海表温度向月平均观测恢复。具体实施方案可参见文献 [15]。这组试验虽然像 Historical 试验一样使用耦合模式，但由于通过采用“起搏器”技术加入了观测的部分海温变率，因此，可以把 Tier-2试验的模拟结果与 Tier-1 试验和观测记录进行比较，从而理解季风年代际变率的来源，特别是IPO 和 AMO 在季风年代际变化中的作用，及其与温室气体和气溶胶等外强迫作用影响结果的不同。 hist-resIPO 和 hist-resAMO 试验与年代际气候预测计划（ DCPP）的分量 C（ component C）中的 dcppC-pac-pacemaker 和 dcppC-atl-pacemaker试验类似[16]，但是积分时间段和所采用的观测海温数据不同，目的是彼此通过试验结果数据共享互为支撑。3 Tier-3 试验为地形扰动试验，使用单独的大气环流模式开展类似 AMIP 的敏感性试验，模拟时间段为 1979 2014 年，与 CMIP6 的AMIP 试验一致。通过比较敏感性试验和 AMIP 试验，可以研究青藏 - 伊朗高原（ TIP）大地形的动力和热力强迫对亚洲季风形成的重要作用[17]。具体来说， Tier-3 设计了两组试验，分别削除了亚洲高大地形（ amip-TIP）和关闭了感热通量（ amip-TIP-nosh，两者对比可理解高原热力和动力作用对季风气候态和多尺度变率的物理过程及相对重要性。另外，为了理解其他地区的高大地形对周边季风区的作用，例如东非高原、阿拉伯高原、北美的马德雷山脉和南美的安第斯山脉， Tier-3 还包含了削除这些高大地形的敏感性试验（ amip-hld。需指出的是， CMIP6 计划是一个整体，GMMIP 自身的试验不足以用来理解全球季风多尺度变率机理，还需要借助 CMIP6 的其他模式比较子计划，以期全面回答与全球季风相关的诸多热点问题（图 1，包括人为强迫和自然强迫在季风长期变化中的作用（检测归因模式比较计划（ DAMIP）、全球季风的年代际可预报性（年代际气候预测计划（ DCPP）、分辨率提高对全球季风的模拟增值（高分辨率模式比较计划（ HighResMIP）和协同区域气候降尺度试验（ CORDEX、火山气溶胶在全球季风年代际变化中的作用（火山强迫的气候响应模拟比较计划（ VolMIP） 等 。目前共有 21 个国际模式研发机构承诺参与GMMIP 试验（表 1，这些模式机构来自不同的表 1 参加 GMMIP 的模式清单Table 1 Model list participating in GMMIP模式简称ACCESSBCC-CSM2-MRBNU-ESMCAMS-CSMCanESMCAS-ESMCESM机构 / 国家（地区）CSIRO-BOM/ 澳大利亚BCC/ 中国BNU/ 中国CAMS/ 中国CCCma/ 加拿大IAP/ 中国NCAR-COLA/ 美国模式简称CESS-THUCMCCCNRM-CMFGOALSFIOGFDLGISS机构 / 国家（地区）THU/ 中国CMCC/ 意大利CNRM-CERFACS/ 法国IAP/ 中国FIO/ 中国NOAA-GFDL/ 美国NASA-GISS/ 美国模式简称HadGEM3IITMIPSL-CM6MIROC6-CGCMMPI-ESMMRI-ESM1.xNUIST-CSM机构 / 国家（地区）MOHC-NCAS/ 英国IITM/ 印度IPSL/ 法国AORI-UT-JAMSTEC-NIES/ 日本MPI-M/ 德国MRI/ 日本NUIST/ 中国气候变化研究进展 2019 年496第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）评述及中国贡献专栏国家和地区，表明全球季风已经成为气候模拟和研究领域广泛关注的话题。来源广泛的模式有着不同的动力框架、物理参数化和分辨率配置，能够为研究季风年际以及更长时间尺度的变率提供足够的样本数量，从而减少基于单一模式结果的模式依赖性。和 CMIP6 其他科学计划一样，GMMIP 是一个开放的合作系统，在表 1 所列单位之外的任何一个气候模式研发机构，若有兴趣加入 GMMIP，组织方都欢迎随时加入。2 计划评述气候模式在开展气候变率和变化研究中发挥着不可或缺的作用。 GMMIP 通过多模式比较，致力于推动对全球季风系统演变的物理机制的理解，力图阐明重要的内部变率模态（如 IPO 和AMO）以及自然和人为外强迫在 19 世纪末到 21世纪初全球季风变化中的相对贡献。 GMMIP 的实施，有望促进气候模式的研发工作，使之能够更好地模拟全球季风的气候态、年际变率和长期变化，减少模式模拟结果的不确定性，从而提高季风预测和预估的可信度。GMMIP 是开展季风模拟研究的重要国际合作平台，该计划与 CMIP6 其他相关子计划模拟数据的结合，有望为推进季风模拟和机理认识提供机遇，从而更好地应对 WCRP 提出的重大科学挑战问题。GMMIP 有望提升当前模式的季风模拟、预测和预估水平。 GMMIP 将关注的时间范畴拓展到百年以上[18]，为理解最近几十年来季风区频发的极端事件提供长期的气候背景[19]，为开展季风气候的年代际预测提供理论基础[20]。季风降水的模拟偏差往往与对流参数化和云微物理过程有关[21]，云辐射过程还能够通过影响气候反馈过程改变耦合模式的气候敏感度，是气候预估不确定性的重要来源之一。通过比较不同分辨率模式[22]、有无海气相互作用的试验， GMMIP 期待能够明晰季风降水的偏差来源，为改进大尺度环流和局地对流的相互作用、减小模式气候敏感度的不确定性提供参考依据。GMMIP 还是多学科交叉合作的平台。GMMIP 的目标是促进对季风年际变率和长期变化机制的理解，从而提升对季风的预测和预估水平，这将最终为水资源管理和工农业用水安全提供重要参考。按照设计，目前是 GMMIP 的第一阶段，未来将根据科学需求陆续组织第二阶段、第三阶段等后续科学试验。最后， GMMIP 是 CMIP6 中唯一由中国学者联合英、美学者发起和主持的科学子计划，也是CMIP 国际计划实施 20 余年来第一次由中国学者主导发起的科学计划。希望 GMMIP 的实施能够为中国的气候模拟和季风研究提供一个坚实的国际合作平台，最终扩大和提升中国在季风研究领域的国际影响力。参考文献Wang B, Ding Q. 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Journal of [1][4][3][5][2][9][7][8][6]5 期 497周天军，等全球季风模式比较计划（ GMMIP）概述Short commentary on CMIP6 Global Monsoons Model Intercomparison Project GMMIP1 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2 University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, ChinaAbstract Global Monsoons Model Intercomparison Project GMMIP is an important participant in the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 6 CMIP6. Firstly, the scientific background of launching the GMMIP is introduced, emphasizing necessity and historic opportunity of this activity. Further, the general ideas of GMMIP experiment design are briefly described, as well as the three experiment tiers, experiment usage and connections with other endorsed Model Intercomparison Projects in CMIP6. Finally, we remark the scientific significance of GMMIP, highlighting its important role in elevating and amplifying the influence of monsoon modelling and research communities in China.Keywords Global Monsoons Model Intercomparison Project GMMIP; CMIP6; Experiment design ZHOU Tian-Jun1, 2, CHEN Xiao-Long1, HE Bian1, WU Bo1, Zhang Li-Xia1[14][15][16][13][12]Climate, 2008, 21 3833-3852Song F F, Zhou T J, Qian Y. Responses of East Asian summer monsoon to natural and anthropogenic forcings in the 17 latest CMIP5 models [J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41 596-603Wu B, Zhou T J, Li T. Impacts of the Pacific-Japan and circumglobal teleconnection patterns on interdecadal variability of the East Asian summer monsoon [J]. Journal of Climate, 2016, 29 3253-3271王斌 , 周天军 , 俞永强 , 等 . 地球系统模式发展展望 [J]. 气象学报 , 2008, 66 6 857-869. Wang B, Zhou T J, Yu Y Q, et al. A perspective on Earth system model development [J]. 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