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使用区域气候模式对沙特阿拉伯当前和未来气候的模拟

MansourAlmazroui

气候变化研究中心/气象局，阿卜杜勒 - 阿齐兹大学，Jeddah, Saudi Arabia

摘要：在本文中，沙特阿拉伯的气候参数（降雨和温度）通过降尺度模拟欧洲中期天气预报中心（ECMWF）40年再分析（ERA40）和使用英国气象局区域气候模型PRECIS（为影响研究提供区域气候）的欧洲社区 - 汉堡大气模型（ECHAM5）数据。模拟使用ERA40和ECHAM5在30年（1971-2000）的当前气候下进行，和未来气候预测为50年（2021-2070）期间使用ECHAM5 A1B排放情景。结果表明，当前降水和温度的空间分布由PRECIS模拟与观察到的数据集一致。 此外，他们的年度周期和年际变率都比较合理地被模拟。干燥的沉淀和温暖的温度偏差在驱动领域（比较与观测值）减少，因为PRECIS模拟与驱动领域相比，比湿度和内部的风场都有所改善。投影使用校准的国家平均温度，表现出平均温度为每十年约0.65℃的正趋势。对降雨预报，结果表明红海中部和沙特阿拉伯西南地区的沿海地区可能会经历更极端的降雨事件，而该国的北部和中部地区可能经历干旱趋势。

关键词：沙特阿拉伯; 阿拉伯半岛; PRECIS; 区域气候模式; 气候变化

收到2012年10月24日; 修订于2013年4月4日; 接受日期：2013年4月15日

1.引言

有来自空气和海洋温度的数据明确的证明气候在全球和区域尺度有所改变。在世界的任何地方，降雨和温度的变化被认为是气候变化的关键因素。阿拉伯半岛是一个的世界上最干燥和最缺水的地区。虽然降雨在大多数地区被认为是新鲜和可再生水主要来源的，但阿拉伯半岛的可再生水资源不到全球平均水平的10％。根据政府间气候预测气候变化专家组（IPCC），在阿拉伯半岛，降雨量可能减少，极端事件的频率和强度可能增加（IPCC，2007）。半岛经历了极端的增加事件，如温暖的法术，干旱，山洪和风暴潮（Al-Sarmi和华盛顿，2011年）。因此，水资源的可持续管理是一项必然要求，因为水资源短缺日益成为一种制约因素，阻碍了发展许多半岛国家的社会经济的发展。作为在阿拉伯半岛最大的国家，沙特阿拉伯的气候特点是干燥和半干旱。 沙特的水资源贫乏对气候变化有很大的不利，影响国家的各种社会经济部门。 最近，两次极端降雨活动在国内记录，都造成本的大洪水。第一个事件发生吉达，于2009年11月25日，当时的降雨量为74mm，由气象局主席环境（PME）和在北方城市的机场记录。 第二个事件发生在2011年1月26日，当时记录到111mm的降雨量，只有4小时的气象站位于部门气象学，阿卜杜勒 - 阿齐兹国王大学吉达的南部 。这两个事件都是由云爆发引起的，而它强度和速度决定了洪水发生的区域。由于这种事件是罕见的，不可预测的，快速和激烈，所以，他们的期望（足够广播警报的时间）是主要的关注点。同样，在沙特阿拉伯的记录里，2010年是最暖的一年，在这一年的温度在记录打破了以前的所有记录，并于2010年6月22日达到了52℃，此次事件造成广泛的破坏。评估气候变化（和社会经济脆弱性水平）对于适应和缓解战略任何事件来说是非常重要的。如今，气候模型是用于生成气候变化情景的预测（Houghton等人，2001）进行影响评估适应研究的主要工具。除了气候预测研究，这些模型对于在任何考虑的区域，最近过去或基期的气候的行为都非常重要。在过去，总循环模型（GCM）在粗水平分辨率（300公里）（Murphy和Mitchell，1995年）气候变量产生气候变量，而区域气候模式（RCM）获得特定区域的详细信息被认为是最好的气候特征的动态降尺度工具（Giorgi和Hewitson，2001; Jones等人，2004）。

如今，GCM分辨率显着提高，许多中心世界各地都在使用GCM分辨率（例如Cozzetto等，2011;Joyce等人，2011）。使用RCM是至关重要的，因为其计算成本低，数据处理和易用性的区域分析。 因此，采用RCM方法用于GCM模拟的动态缩减被认为是公认的策略（Pal et al。，2007）。最近，Almazroui（2011a）使用RCM进行案例研究沙特阿拉伯吉达的一场大雨活动。 PRECIS（提供影响气候研究的区域气候）被用来RCM执行GCM的动态缩减输出，从而产生高分辨率的气候变量（Jones等人，2004）。PRECIS已经在世界的不同地方使用，包括孟加拉国（伊斯兰教，2009年），中国（Yinlong et al。，2006），东地中海（Kotroniet al。，2008），印度（Kolli et al。，2006），尼日尔（Beraki，2005年），巴基斯坦（Islam等，2009年），南非（Hudson和Jones，2002）和南美洲（Alves和Marengo，2010）。到目前为止，最先进的，没有不确定性的气候模型尚未开发;即模型输出与观察数据集相比仍有一些偏差。所以，模拟模拟近期气候最重要应该纠正偏差的预测（WCRP，2011）。此外当面向应用程序的任务时，数据模型输出的不确定性在使用模型时应予以考虑。在这项研究中，在沙特阿拉伯试图进行项目biascorrectedPRECIS模拟降雨和温度（最大和最小）。工作主要是帮助研究低偏置的动态缩小输出。因此，这项工作的主要目的是为近期气候变化预测的情景构建低偏置RCM。这项研究将对政策非常有用，它可以协助人们采取必要措施以减轻气候变化的影响，以便应对未来与天气有关的灾害。

2.数据和方法

2.1使用的数据

在沙特阿拉伯1978 - 2009年期间，表面观测到降雨和空气温度（最低和最大值）数据是从PME获得的。网格观察到的降水和温度数据从气候预测中心（CPC）降水综合分析（CMAP; Xie andArkin，1997）和气候研究组（CRU;New等，2000）获得的。 CMAP（2.5◦times;2.5◦网格可用）

2.2PRECIS模型的描述和设计实验

PRECIS是一个由英国哈德利中心提供区域建模系统区域气候，它的作用是用来提供研究影响的信息（Jones et al，2004）。 它是一种流体静力,原始方程网格点模型，包含由混合垂直描述的19个水平坐标（Simon等人，2009）。PRECIS的横向边界强迫主要变量包括大气压力，水平风分量，温度和湿度。 在这项工作中，边界强迫取自欧洲中等教育中心，范围天气预报（ECMWF）40年再分析数据集（1957-2001;2.5◦times;2.5◦网格），以下简称作为ERA40，以及来自ECHAM5全球气候模型（德国马克斯普朗克气象研究所）使用A1B排放情景实验。 对于模型运行，实验设置如下：

• 目前的气候使用ERA40和ECHAM5来完成模型运行模拟，具有0.44◦（50km）分辨率的边界强迫。区域范围从3◦N-38◦N到20◦E-62◦E，包括阿拉伯半岛和其周围大部分区域（见图1）模型运行期间为1969年12月1日至2000年12月31日。第一年的模拟允许启动时间，因此使用的碱基期为1971〜2000年。
• 使用ECHAM5 A1B场景的时期2020年12月1日至2070年12月31日来完成未来气候模型运行模拟，第一年的模拟不用于分析（旋转年）。

2.3 分析方法

对于研究区，在观测的气象站的坐标提取模拟的降雨和温度数据（见图1）。 提取的数据按每日，每月和每年尺度进行处理，客观地与观察到的数据进行比较。将获得降水的回归系数

以及两者的最大和最小温度进行观察和模拟数据集。 所得回归系数用于PRECIS的校准输出，如伊斯兰教（2009）和Almazroui所述（2011b）。 降雨校准的表达式温度如下：

校准降雨量=alpha;Rainfall（PRECIS降雨量） beta;Rainfall（1）

校准最小=alpha;Tmin（PRECISTmin） beta;Tmin (2)

CalibratedTmax= alpha;Tmax(PRECISTmax) beta;Tmax (3)

其中Calibrated是之后要获得的变量校准，alpha;是斜率，beta;是截距。相应的下标用于降雨和最小和最大温度。使用的回归方程（等式（1-3））称为PRECIS-REGN。偏置校准方法（下面的等式（4））研究计划（WCRP）也用于此研究（WCRP，2011）。 WCRP校准方法进一步加强PRECIS的性能模型。

Yjr =lt; X gt; （Yjr – lt; Y gt;）

其中lt;Xgt;和lt;Ygt;是长期气候学平均值，其来自观察和建模变量（对于观察期间1978-2000），j它表示初始时间和预测范围。使用的等式（4）的校准被称为PRECISWCRP。

在校准周期1978-2000期间比较模拟的气候参数与观测数据。类似地，从校准的PRECIS-ECHAM5中获得在站的投影参数水平，A1B被用来输出2021–2070全国各地的平均值。 因此，气候变化情景是获得了不久的将来(2021 - 2070)的基准期。

3.结果和讨论

3.1当代气候学

年平均降雨量的分布（ERA40和ECHAM5;图2（a）和（b）），PRECIS模拟（ERA40-PRECIS和ECHAM5-PRECIS; 图2（c）和（d））和观察（CMAP和CRU; 图2（e）和（f））显示了模拟模式与观察结果相当。 对于,埃及的干旱地区，温和的降雨空旷地区（Rub Al-Khali：44°30/E-56°30/E，16°30/N-23°00/ N）在阿拉伯半岛和大苏丹 - 埃塞俄比亚的降雨带是相似的模拟和观察。同样，在东南和西北地区的小雨，和沙特阿拉伯西南地区的大雨，所有这些在模拟和CRU中（ERA40-PRECIS和ECHAM5-PRECIS）都是可见的。 驱动领域ERA40和ECHAM5将降雨限制在阿拉伯半岛的西南部，小的雨将限制在阿拉伯和阿拉伯海湾国家。然而，这些值远低于观察值（图2（a），（b），（e）和（f））。在观测缺失的区域，在CRU数据中观察到沿南部红色大雨区域的海岸，很好的被捕获在ERA40-PRECIS和ECHAM5-PRECIS（图2（c）和（d））。因此，模拟在降雨气候学的驱动场的整个区域中显示出巨大改进。在沙特阿拉伯，采用改进PRECIS的模拟效果能力提高是非常明显的，在那里显示少雨（低于20mm除外西南地区），但模拟和观察显示较大的雨（至少大于40毫米）。这展示了PRECIS在沙特阿拉伯及其周边地区，在缩减规模驱动大规模粗糙数据集方面（ERA40和ECHAM5）来重现当今的气候降雨特征的能力。然而，CMDM和CRU的网格数据模拟量都要略高/低于ERA40-PRECIS和ECHAM5-PRECIS模拟的数据。无论是在潮湿季节还是干燥季节，应该密切注意西南部的降雨地区，这是阿拉伯半岛独特的降水特征（Almazroui，2011b，Almazroui et al。，2012a）; 这是很好的通过PRECIS与驱动领域来模拟。

图3显示了在1971-2000期间的平均温度（℃）值的空间分布，从驱动场（ERA40和ECHAM5），模拟（ERA40-PRECIS和ECHAM5-PRECIS）和观测（CRU）获得数据。一般来说，观察的CRU数据显示，西南地区的气温较低于阿拉伯半岛的西北地区，但在东部和东南部地区略高于阿拉伯半岛的西北地区，这种情况同样适用于沿红海沿岸。很明显，模拟的结果与CRU数据一致，特别是在低西南山区的温度。这种情况在驱动场中不存在，模拟略高估了Rub Al-Khali的沙漠的温度。 总的来说，在沙特阿拉伯的模拟结果与网格CRU数据相比倾向于产生更暖的温度。

如图四显示：在驱动场中通过按比例缩小模拟研究的干燥沉淀偏差减少和温暖温度略低于具体湿度和叠加风矢量。两个驱动场（ERA40和ECHAM5）显示阿拉伯半岛的干燥区域（图4（a）和图4（a））（b））。 西北地区来自地中海地区，西南地区正从土地进入土地阿拉伯海。产生两个主要的风向量流在红海中间的区域聚区，这是有利于对流的发展降雨的系统。在两个模拟中，整个驱动区域风矢量（湿度）变得更强（更湿）。观察到模拟的风矢量场的红色收敛区，触发在该地区的对流，增强降水。

在阿拉伯海和阿拉伯海湾红海中，模式ERA40-PRECIS湿度稍高于模式ECHAM5-PRECIS。

由于强风的和来自阿拉伯海和地中海地区的潮湿空气，PRECIS模拟降水干偏压和温度温偏偏低。因为ERA40-PRECIS比ECHAM5-PRECIS水体更湿润，前者半岛的高估降水（见图2（c）），而后者在干偏压减少中具有更好的预报结果（见图2（d））。由PRECIS在相对于驱动场的气候变量（降雨和温度）的重建中的结论是有用的;偏差显着降低。

图5显示了从表面观察获得的温度和降雨的年周期，在1978-2000年期间，在沙特阿拉伯地区ERA40和ERA40-PRECIS平均驱动力。显然除了八月和九月，ERA40中的降雨量都比实际水平偏低。（图5（a））虽然模拟降雨量遵循从观测数据获得的年周期，模型高估了2月份和十月份的降雨量，轻微低估相同的11月，12月和1月的月份的降雨量（图5（a））。

模拟降雨量前4个月接近的表面观察量（11月到二月）的雨季，只第一月（6月）为旱季。 总的来说，模拟，驱动力和观测雨量约为12.64，3.78和8.27mmmonth-1。因此，按年度尺度，季节尺度在模拟降水量是非常不确定的，季节尺度和甚至在每月的规模更大。 因此，模型数据，不能直接用于影响评估

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