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CMIP5概述和试验设计

Karl e. Taylor，ronald J. STouffer，Gerald a. Meehl

摘要：现在正在进行中的第五阶段的气候模式比较计划第五期（CMIP5）将产生一个免费的最先进的多模式数据集设计来推进我们对气候变异和气候变化的认识。

1 引言

在2008年9月举办的涉及来自世界各地的20个气候模拟小组的会议上，世界气候研究计划（WCRP）的耦合模拟工作组（WGCM），与国际岩石圈—生物圈计划（IGBP）分析、整合和地球系统模型（AIMES）项目，同意推动新的协调气候模型试验。该试验加入了国际岩石圈—生物圈计划（IGBP）分析、整合和地球系统模型（AIMES）项目。这些试验包括耦合模式比较计划的第五阶段（CMIP5）。WGCM认可的CMIP5试验计划遵循一个涉及广泛的群体输入规划阶段（Meehl 和Hibbard ，2007；Hibbard等人2007），该输入提出了执行一系列重点关注过去和未来气候变化的气候模拟的一致的建议。CMIP5为此明显提供多模式的背景：1）评估负责模型差异的机制在了解甚少的反馈结合碳循环和云的反馈相关的差异；2）审查气候“可预测性”与探索预测系统在年代际时间尺度的能力；而且，更普遍地说，3）确定相同强迫模型产生一系列反应的原因。据预计，在政府间事务委员会的筹备工作中气候变化（IPCC）第四次评估报告（AR4）中出现的一些科学问题将在第五次评估报告的评估（AR5，定于2013年底出版）中及时解决。CMIP5计划提出的增强的历史和古气候模拟和扩展的模型输出将为更详细的模型评估提供新的机会。CMIP5的第四次计划时，提供一系列的未来模拟气候（表征未来几十年到几百年），可作为研究气候变化的影响和与重大利益和社会有关的政策问题。

CMIP5建立在早期阶段的CMIP成功的基础上（参见Meehl等人。2000，2005）。例如，在第三阶段（约2004 -目前），气候模型输出一经完成立即发布，未参与建模的科学家们便能更及时更全面的分析结果。这种前所未有的开放开启了气候的“新时代”变化研究（米尔等人。2007）。CMIP3多模型数据集为数百份同行评议论文提供了基础，并在IPCC AR4中对气候变率和气候变化的评估发挥了突出作用。 在CMIP的第四阶段（Meehl 等，2007）进行了另外的模拟，可用于分离二十世纪气候的人为和自然影响。

正在进行的CMIP活动由代表建模组的WGCM组织。如部分规划过程，WGCM收到来自模型的潜在用户的大量输入产出，其中一些是在传统气候研究机构之外的组织（例如，研究气候变化影响的科学家和决策者）。包括CMIP5在内的实验由与其他气候科学家和生物地球化学界密切合作的气候模拟者提出，讨论和并优先考虑他们的意见。图1显示了对CMIP具有正式兴趣的国际组织。 WCRP通过WGCM组织CMIP计划。基于CMIP的气候研究由广泛的气候研究界进行，研究结果可以为主要的评估活动提供信息，例如正在进行的IPCC进程。

图1.CMIPIP5与为在国际上协调气候研究活动和IPIPCC，建模中心和气候研究界建立的组织之间的关系

通过来自这些不同小组的投入，CMIP5为不断改进的气候变化实验提供了一个框架，在未来几年（远超IPCC AR5的计划出版日期）承诺对气候系统和负责气候变化和变率的过程产生新的见解。 超过20个建模组正在使用50多个模型执行CMIP5模拟。CMIP5并不是封闭的或排他的。相反，各种团体和相关方正在开发基于CMIP5实验或扩充CMIP5实验的附加实验。例如，在应用各种方法之后，协调区域降尺度实验（CORDEX）将基于CMIP5模拟产生高分辨率“缩减的”气候数据（Jones等人，2011;参见http：//wcrp.ipsl .jussieu.fr / SF_RCD_CORDEx.html）。一个完全不同的科学家计划进行一组地球工程模型比较项目（GeoMIP）实验（Kravitz等人，2011）。这个实验在两个理想化的CMIP5实验的基础上，探讨可能的地球工程方法影响减缓气候变化。

本文旨在提供CMIP5的概述。来自Taylor等人指定实验设计的信息 （2009），被总结和提炼以更适合广泛的用户; 那些寻求更多细节的人可以咨询较早的文件。 本文包括对CMIP5实验的介绍，CMIP5如何构建和超越CMIP的以前阶段，如何访问CMIP5模型输出的信息，关于解释CMIP5结果的问题的介绍性讨论的介绍，以及概要。

2 CMIP5实验

CMIP5试验（Hibbard等人，2007; Meehl和Hibbard 2007）包括两种类型的气候变化模拟实验：1）长期（世纪时间尺度）积分和2）近期积分（10-30年），也称为十年预报实验（Meehl等人，2009）。长期积分通常从多工业前工业控制（准平衡）整合开始，而十年预测实验初始化为观察到的海洋和海冰条件。长期和近期实验都使用大气 - 海洋全球气候模型（AOGCMs）进行综合分析，AOGCMs是以前的CMIP阶段使用的“标准”模型。相互作用复杂的地球系统模型（EMICs; Petoukhov等人，2005）也可以用于执行众多CMIP5实验。 AOGCMs和EMICs响应于特定的，浓度随时间变化的各种大气成分（例如温室气体），并且包括大气，海洋，陆地和海冰的相互作用。对于长期模拟，一些AOGCM将首次在CMIP中耦合到生物地球化学组分，这些生物地球化学成分说明了海洋，大气层和陆生生物圈碳储量之间重要的碳流量，从而“关闭” 模型中的碳循环。这些模型被称为地球系统模型（ESMs），并且它们具有使用时间演变排放的成分的能力，从中可以交互地计算浓度。它们在一些情况下还可以包括相互作用的气溶胶，化学物质和动力学植被成分。个体组可以选择用AOGCMs或ESMs执行长期实验或近期实验，或者他们可以做每个的各种组合。EMICs仅限于长期实验的应用。

CMIP5还认识到一些群体可能希望以比典型的AOGCMs或ESMs更高分辨率或更完全的大气化学处理来进行模拟。在这些模型中，计算机资源可能不足以允许完全耦合模拟，因此CMIP5必须包括对当前气候执行所谓的时间片整合的选项[基本上遵循Gates（1992）初次描述的大气模型比较项目（AMIP）协议]和未来气候（特别是2026-35年，允许与完全耦合的直接比较实验）。在未来的时间片模拟中，海平面温度（SST）和海冰的预计变化遵从先前的完全耦合的AOGCM模拟。与以前的CMIP阶段相比，时间片选项允许更广泛的建模组参与CMIP5（例如，在天气预报中心）。一些组可以选择对其他时期（例如二十一世纪后期）执行额外的时间片实验世纪。

长期实验直接基于CMIP3实验，但包括额外的运行，以提供对气候变化和变异性的更完整的理解。相反，近期预测实验是CMIP的一个全新的补充，因此被认为是更具探索性的。在这些模拟中，模型将不仅响应长期运行中的气候强迫（例如，增加大气CO 2浓度），而且可能在一定程度上跟踪气候变化的实际轨迹，包括（当前气候系统的未知的可预测的极限）气候演变的非强制性组成部分。因此，在短期实验中，CMIP5模型作为预测系统的一部分将尝试对气候变化的完全预测，而在长期实验中，模型将提供预测气候的“强迫”反应对不断变化的大气成分和土地覆盖。在这些长期预测中，气候变化将在某种程度上被自然的“未强制”变化所掩盖，只有极少的情况和巧合，才能期望与观测不断变化的气候轨迹。

由于CMIP5框架中包含大量模拟，世纪和十年时间尺度的积分被划分成（基于共识优先级分类）为“核心”集合，然后一个或两个周围的“层级”。虽然每个组可以选择仅执行长期核心或仅执行近期核心实验的实验室，但是在每种情况下，一整套核心模拟预计都将完成。它的目的是产生足够大的运行集合，以便能够在每种类型的实验内进行系统模型比较，从而产生用于分析的可信的多模态数据集。核心实验（位于最内圈，图2和图3中的粉红色阴影）对评估模型至关重要，它们提供了关于未来气候变化的高效信息，有助于确定预测差异的原因。层1集成（围绕核心，阴影黄色）检查具体方面的气候模式强制，响应和过程，以及第2层集成（绿色阴影）更深入这些方面。因此，从核心到第1层到第2层，可以看作是从基础到更专业的模拟，探索气候系统预测和反应的多个方面。对于每个实验套件，建模组首先执行核心集成，然后根据其兴趣和可用资源选择层1和层2集成。

对于所有实验的详细规格，读者可参考实验设计文档（Taylor等人，2009），可以从CMIP5网站（http://cmip-pcmdi.llnl.gov/ cmip5）获得。

图2.围绕中心核心组织的CMIPIP5长期实验示意图（1级和2级实验）。绿色字体表示模拟仅由具有碳循环表示的模型执行。上半球的实验适用于与观测比较或提供预测，而下半球的实验是理想化的或诊断性的，旨在更好地了解气候系统和模型行为。

图3 CMIPIP5十年期预测整合示意图

2.1 长期实验

CMIP5长期实验（图2）中的核心模拟包括AMIP运行，耦合控制运行和由观察到的大气成分变化（反映人为和自然资源）强迫的“历史”运行。第一次，包括时间演变的土地覆盖。历史运行覆盖了大部分工业时期（从十九世纪中叶到近十年），有时被称为“二十世纪”模拟。在核心系列运行中，还有两个未来预测模拟，强制指定浓度[称为“代表性浓度路径”（RCPs）]，包括高排放情景（RCP8.5）和中度减缓排放情景（RCP4.5）。对于耦合到碳循环模型（用于ESMs）的AOGCMs和EMICs，有控制和历史模拟，以及高排放情景（RCP8.5）。对于这组ESM运行是通过模型计算CO2的时间演变大气浓度的，而不是直接指定。

CMIP5气候变化的预测由与Moss等人（2010）描述的RCPs相一致的浓度或排放情况驱动。与IPCC用于CMIP3 的“排放情景​​特别报告”（SRES）中描述的不包括政策干预的情景相反，RCPs是缓解情景，假设将采取政策行动以实现某些排放目标。CMIP5已经制定了四个RCPs，这些RCPs基于对未来人口增长，技术开发和社会反应的一系列预测。 RCPs的标签提供了2100年（相对于工业前条件）的辐射强迫的粗略估计。例如，RCP8.5中的辐射强迫在整个二十一世纪增加，之后在本世纪末将达到大约8.5Wm-2的水平。除了这种“高”场景，还有两种中间场景，即RCP4.5和RCP6，以及一种所谓的峰值和衰减场景RCP2.6，其中辐射强迫在接近中间的在减少到最终的名义水平2.6 W m-2之前。

对于诊断核心整合（在图2的下半球中），CMIP5要求1）校准型运行以诊断特定的瞬时气候响应（定义为在CO2加倍时在1中的全局平均温度变化1 ％yr -1CO 2增加实验; 2）突然的CO2增加实验，以估计对CO2的四倍的平衡全局平均温度响应，并量化辐射强迫和一些重要反馈; 和3）固定的SST实验，以细化强迫的估计和帮助解释模型响应的差异。

第1层和第2层实验进一步详细探讨了核心实验的各个方面。对于ESMs，有两个碳循环反馈实验。首先，气候变化被抑制（通过在所有辐射代码计算中指定恒定的工业前CO2浓度），使得碳循环响应仅反映与气候变化无关的变化的CO 2影响。第二，气候响应于CO2增加，但是CO2增加对碳循环是隐藏的。根据在耦合气候碳循环气候模型比较项目（C4MIP; Friedlingstein等人,2006）中有用的方法，在这些实验中将保存CO 2的表面通量，然后与来自相应核心实验的通量（其中碳循环同时响应气候和CO 2浓度变化）。这些通量中,碳 -气候反馈的强度可以用允许的排放或空中分数的差来表示。

CMIP5中包含的一些实验最初被设想为其他模型比对项目的一部分，包括云反馈模型比较项目（CFMIP; http://cfmip.metoffice.com/;另见Bony等人，2011），古气候模拟比较项目（PMIP; http：//pmip3.lsce.ipsl.fr /;参见Braconnot等人2011）和早期的CMIP实验。因此，在CMIP5中有一套云反馈实验，一些古气候实验研究模型在不同强迫下的响应，气候变化检测/归因研究的实验只有自然强迫或只有温室气体（GHG）强迫以及一些单一强迫实验），与其他两个RCP（RCP2.6和RCP6）的二十一世纪运行，以及将未来气候模拟扩展到2300年。这些二十二和二十三世纪部分预测与二十一世纪的区别不同之处在于，RCP的扩展不涉及具体的基础社会，技术或人口情景（Moss et al.2010）。还有具有简化的突变4XCO2积分的诊断实验，其应该产生更准确的估计的调节CO2强迫，量化气溶胶强迫的量的实验，以及用于关注大气化学和气候的实验的占位符[大气化学和气候活动4（“AC＆C4”）]。

几个CMIP5实验需要规定各种浓度或排放大气成分（例如，温室气体和气溶胶）。与AC＆C社区合作的综合评估模型联盟提供了将在一些CMIP5实验中规定的浓度，排放和时间变化的土地利用变化（例如，Lamarque等人，2010）。

2.2 近期实验（十年预测）

通过WGCM与季节到年际预测工作组（WGSIP）之间的新合作，近期试验正式组织。有两组核心近期集成，如图1所示。第一个是从1960年，1965年以及2005年每5年观测到的气候状态初始化的一组10年代后期预测。在这些10年的模拟中，将有可能评估预报系统的技能在预测气候统计时，初始气候状态可能发挥一些可察觉的影响。其他核心集成将1960年，1980年和2005年初始化的10年模拟延长了20

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