非线性动力学方法在气候系统模式评估中的应用研究

Study on the performance evaluation of climate model is important for the development of climate system model. Most of the existing evaluation methods mainly depend on comparing the statistical differences between the simulation and observation, but ignore the comparison on the dynamical characteristics of climate system. The climate system has hierarchical structure and self-memory characteristics, namely the long-range correlation (LRC), which is an important dynamical characteristic of the climate system, and generally exists in the meteorological observation data. In view of this, this project aims to develop a new evaluation method based on the LRC of climate system. First, we will comprehensively compare the existing scaling analysis methods, and select one suitable method for non-stationary time series analysis method. Second, we will use the method to develop a quantitative evaluation method of climate model based on nonlinear dynamic characteristic, and apply the method to the performance evaluation of climate models from CMIP5. Third, by comparing the scaling analysis results of meteorological observation data and that of model simulatinos in the middle and eastern China, we can finally pick out the best climate system model which can simulate the LRC of precipitation in the middle-east China. These work will provide the basis for the application and development of the climate system model in the mid-eastern China.

气候系统模式评估方法的研究对气候系统模式的发展具有重要意义。目前大部分气候系统模式评估方法主要关注模式模拟结果与观测资料在统计意义上的差异，但关于模式对气候系统动力学特征的模拟能力的研究较少。气候系统具有长程相关性特征，它可以表征气候系统的动力学特征。鉴于此，本项目拟基于大气演变的长程相关性特征，围绕气候系统模式对气候系统动力学特征模拟能力的定量评估方法开展探索性研究。首先，全面比较现有标度分析方法，获得最优的标度分析方法和参数选取值，并分析标度分析方法计算结果的不确定性。然后，评估CMIP5中多个气候系统模式的模拟结果，进而结合气象观测资料，考察这些气候系统模式对中国中东部地区降水的长程相关性的模拟能力，挑选出一个模拟效果最好的模式，为中国中东部地区的气候预测和气候变化研究所需的气候系统模式选择提供科学支撑。

气候系统模式评估方法的研究对气候系统模式的发展具有重要意义。目前大部分气候系统模式评估方法主要关注模式模拟结果与观测资料在统计意义上的差异，但关于模式对气候系统动力学特征的模拟能力的研究较少。气候系统具有长程相关性特征，它可以表征气候系统的动力学特征。鉴于此，本项目基于大气演变的长程相关性特征，围绕气候系统模式对气候系统动力学特征模拟能力的定量评估方法开展探索性研究。首先，全面比较现有的标度分析方法，获得最优的标度分析方法和参数范围，并进行标度分析方法的不确定性分析以得到置信度阈值。然后，利用标度分析方法对CMIP5中多个气候系统模式的模拟结果进行评估。进而结合气象观测资料，考察这些气候系统模式对中国中东部地区降水的长程相关性的模拟能力。本项目研究结果表明，不同的标度分析方法计算得到的标度指数有差异，发现去趋势波动分析（DFA）方法计算得到的标度指数更接近理论值。研究发现不同样本长度对去趋势波动分析方法（DFA）计算结果也有影响，随着标度指数理论值的增加，达到计算稳定所需要的样本长度逐渐减小。利用气象台站观测揭示了我国气候带的时空变化特征。对比分析了CMIP5多模式对我国气候带的模拟结果，评估了多模式在中国区域的模拟效果，给出对中国区域气温模拟较好的几个模式结论。同时，基于气候系统演变的自相似特征以及非线性分析方法，系统分析了观测和再分析数据中全球以及中国区域气候系统的长程相关性特征，定量评估了CMIP5多模式在中国区域的模拟能力。项目提出了一种基于动力学特征的气候系统模式定量评估新方法，揭示不同气候系统模式对中国气温和降水长程相关性特征的模拟能力。该方法不仅可以定量评估气候系统模式的模拟能力，而且可以应用于再分析资料质量的定量评估，进而为气候预测和气候变化预估所需的气候资料和气候系统模式的选择提供科学支撑。