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    基于哈希算法优选CMIP6 GCMs及未来降水变化模拟

    薛佩佩 张晨光 文章

    薛佩佩, 张晨光, 文章, 2026. 基于哈希算法优选CMIP6 GCMs及未来降水变化模拟. 地球科学, 51(6): 2129-2143. doi: 10.3799/dqkx.2025.279
    引用本文: 薛佩佩, 张晨光, 文章, 2026. 基于哈希算法优选CMIP6 GCMs及未来降水变化模拟. 地球科学, 51(6): 2129-2143. doi: 10.3799/dqkx.2025.279
    Xue Peipei, Zhang Chenguang, Wen Zhang, 2026. Evaluation of CMIP6 GCMs Simulation Performance Using a Hashing Algorithm and Its Application to Future Precipitation Projections. Earth Science, 51(6): 2129-2143. doi: 10.3799/dqkx.2025.279
    Citation: Xue Peipei, Zhang Chenguang, Wen Zhang, 2026. Evaluation of CMIP6 GCMs Simulation Performance Using a Hashing Algorithm and Its Application to Future Precipitation Projections. Earth Science, 51(6): 2129-2143. doi: 10.3799/dqkx.2025.279

    基于哈希算法优选CMIP6 GCMs及未来降水变化模拟

    doi: 10.3799/dqkx.2025.279
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 42402253

    河南省自然科学基金项目 242300420610

    详细信息
      作者简介:

      薛佩佩(1992-),女,讲师,主要从事地表-地下水数值模拟工作. ORCID:0009-0004-7374-9028. E-mail:xpp@cug.edu.cn

      通讯作者:

      文章,教授,主要从事水文地质数值模拟工作. ORCID: 0000-0001-9672-3219. E-mail: wenz@cug.edu.cn

    • 中图分类号: P338

    Evaluation of CMIP6 GCMs Simulation Performance Using a Hashing Algorithm and Its Application to Future Precipitation Projections

    • 摘要:

      气候变化导致流域极端水文事件频发,评估CMIP6气候模式(global climate models,GCMs)对降水的模拟能力并预测其未来变化趋势对水文研究至关重要.基于1976—2000年18个GCM及卢氏流域9个站点逐日降水数据,引入考虑时空相关性的改进哈希算法(improved Hashing algorithm,ISHA)优选GCMs,突破传统SHA固定网格划分局限,结合非参数分位数映射法(quantile mapping,QM)误差订正,预测2025—2100年4种SSP情景下降水变化. CNRM-CM6-1-HR、FIO-ESM-2-0、INM-CM5-0和NorESM2-MM表现最优;订正后最大月降水和多年平均降水偏差率由9.09%~16.04%、10.41%~23.12%降至0.27%~2.34%、0.48%~1.89%;未来年均降水相对变化幅度随排放情景升高而增大,在低排放情景下波动为-7.71%~10.50%,而在高排放情景下可达-1.89%~18.02%.本世纪中末期或面临降水增加风险,水资源调控与防洪减灾压力加剧.

       

    • 图  1  黄河流域在中国地理位置(a);三花间(黄河三门峡至花园口)在黄河流域地理位置(b);卢氏流域三维地形地貌、河流系统及水文气象站点分布(c)

      Fig.  1.  Location of the Yellow River Basin in China (a), location of the Sanhuajian in the Yellow River Basin (b), three-dimensional geomorphic types, distribution of river systems, as well locations of hydrological and meteorological stations in the Lushi Basin (c)

      图  2  流域面平均降水量(a); 灵口站年均降水量(b); 卢氏站年均降水量(c)

      Fig.  2.  Basin-averaged precipitation (a), annual mean precipitation at Lingkou station (b), annual mean precipitation at Lushi station (c)

      图  3  流域面平均降水量突变点分析(a); 灵口降水量突变点分析(b); 卢氏降水量突变点分析(c)

      Fig.  3.  Abrupt change point analysis in basin-averaged precipitation (a), abrupt change point analysis at Lingkou station (b), abrupt change point analysis at Lushi station (c)

      图  4  历史观测与GCM模拟降水时空变化趋势

      a.历史观测;b.GCM模拟;图中数字为年份

      Fig.  4.  Spatio-temporal variations in precipitation utilizing

      图  5  GCMs模拟能力径向玫瑰图

      Fig.  5.  Rose diagram illustrating the competence of GCMs

      图  6  GCMs模拟降水统计指标(极值、中位数、均值、上/下四分位数)箱线图

      Fig.  6.  Boxplots of statistical indicators (extrema, median, mean, upper/lower quartile) of precipitation in GCMs

      图  7  优选GCMs模拟降水QM误差订正前后月降水变化散点图

      右上角标注表示QM误差订正后数据集:a.三要;b.麻坪;c. 石门峪;d.桑坪;e.柏峪寺;f.灵口;g.官坡;h.木桐沟;i.卢氏

      Fig.  7.  Scatter plots of raw and corrected monthly precipitation for the selected GCMs

      图  8  优选GCMs模拟降水QM误差订正前后季节性变化泰勒图

      Fig.  8.  Taylor diagram depict comparisons of raw and corrected seasonal precipitation between observations and selected GCMs

      图  9  优选GCMs在不同SSP情景下年均降水相对变化率(Q)箱线图

      黑色实线表示中位数;蓝色方块表示均值;符号颜色表示SSPs下优选GCMs分类

      Fig.  9.  Relative changes in annual average precipitation of selected GCMs under SSPs

      图  10  CNRM-CM6-1-HR模式不同SSP情景下长期降水预测

      Fig.  10.  Long-term precipitation projections by the CNRM-CM6-1-HR model under SSPs

      图  11  FIO-ESM-2-0模式不同SSP情景下长期降水预测

      Fig.  11.  Long-term precipitation projections by the FIO-ESM-2-0 model under SSPs

      图  12  INM-CM5-0模式不同SSP情景下长期降水预测

      Fig.  12.  Long-term precipitation projections by the INM-CM5-0 model under SSPs

      图  13  NorESM2-MM模式不同SSP情景下长期降水预测

      Fig.  13.  Long-term precipitation projections by the NorESM2-MM model under SSPs

      表  1  CMIP6中18个GCM相关信息

      Table  1.   Description of eighteen CMIP6 GCMs in this study

      序号 模式名称 研究机构 国家 空间分辨率(经向网格数×纬向网格数)
      No.1 BCC-CSM2-MR 中国国家气候中心 中国 320×160
      No.2 CAMS-CSM1-0 中国气象科学研究院 中国 320×160
      No.3 CAS-ESM2-0 中国科学院大气物理研究所 中国 256×128
      No.4 CESM2-WACCM 美国国家大气研究中心 美国 288×192
      No.5 CIESM 清华大学 中国 288×192
      No.6 CMCC-CM2-SR5 欧洲-地中海气候变化中心 意大利 288×192
      No.7 CMCC-ESM2 意大利气候研究中心 意大利 288×192
      No.8 CNRM-CM6-1-HR 法国国家气候研究中心 法国 256×128
      No.9 EC-Earth3-Veg-LR 欧盟地球系统模式联盟 欧洲 320×160
      No.10 FGOALS-f3-L 中国科学院大气物理研究所 中国 288×180
      No.11 FIO-ESM-2-0 中国自然资源部第一海洋研究所 中国 288×192
      No.12 GFDL-ESM4 美国地球物理流体力学实验室 美国 288×180
      No.13 INM-CM4-8 俄罗斯科学院计算数学研究所 俄罗斯 180×120
      No.14 INM-CM5-0 俄罗斯科学院计算数学研究所 俄罗斯 540×360
      No.15 MPI-ESM1-2-HR 德国气候和地球系统研究中心 德国 384×192
      No.16 MRI-ESM2-0 日本气象研究所 日本 320×160
      No.17 NorESM2-MM 挪威地球系统气候模式联盟 挪威 288×192
      No.18 TaiESM1 中央研究院环境变化研究中心 中国台湾 288×192
      注:GCMs信息来源于CMIP6数据官网(https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6).
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      表  2  流域各站点年均降水趋势分析

      Table  2.   Annual precipitation trend analysis for each station

      站点名称 降水量趋势检验 数据使用年限(年)
      Zc 显著性水平
      卢氏 0.40 * 1976—2000
      灵口 -0.21 * 1976—2000
      三要 -0.72 * 1976—2000
      麻坪 0.31 * 1976—2000
      石门峪 -0.82 * 1976—2000
      桑坪 -0.49 * 1976—2000
      柏峪寺 -0.58 * 1976—2000
      官坡 -0.44 * 1976—2000
      木桐沟 -0.54 * 1976—2000
      流域面平均 -0.07 * 1976—2000
      注:表中“*”表示显著(5%显著性水平对应的Zc值为±1.96).
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      表  3  优选GCMs模拟降水在QM误差订正前后对比分析

      Table  3.   Typical characteristics of precipitation before and after QM bias correction under observations and selected GCMs

      阶段 变化指标(m) 具体数值(mm) 与历史观测值间偏差率(%)
      历史观测 最大月值 260.61
      多年平均 630.22
      季节平均 春季(3-5) 145.60
      夏季(6-8) 306.61
      秋季(9-11) 152.55
      冬季(12-2) 25.67
      CNRM-CM6-1-HR模式 误差订正前 最大月值 302.42 16.04
      多年平均 775.91 23.1218.75
      季节平均 春季(3-5) 172.96 18.75
      夏季(6-8) 371.44 21.14
      秋季(9-11) 173.73 13.90
      冬季(12-2) 49.12 91.80
      误差订正后 最大月值 264.64 1.53
      多年平均 642.17 1.89
      季节平均 春季(3-5) 147.78 1.44
      夏季(6-8) 309.83 1.04
      秋季(9-11) 153.42 0.59
      冬季(12-2) 27.40 7.03
      FIO-ESM-2-0模式 误差订正前 最大月值 302.12 15.92
      多年平均 714.53 13.38
      季节平均 春季(3-5) 187.15 28.50
      夏季(6-8) 364.82 18.98
      秋季(9-11) 204.36 33.97
      冬季(12-2) 51.49 100.78
      误差订正后 最大月值 261.42 0.31
      多年平均 637.91 1.22
      季节平均 春季(3-5) 147.53 1.30
      夏季(6-8) 311.26 1.50
      秋季(9-11) 158.91 4.20
      冬季(12-2) 23.22 -9.38
      INM-CM5-0模式 误差订正前 最大月值 284.32 9.09
      多年平均 695.81 10.41
      季节平均 春季(3-5) 200.14 37.43
      夏季(6-8) 354.25 15.53
      秋季(9-11) 201.43 32.07
      冬季(12-2) 43.72 70.70
      误差订正后 最大月值 261.33 0.27
      多年平均 633.27 0.48
      季节平均 春季(3-5) 151.81 4.26
      夏季(6-8) 308.89 0.72
      秋季(9-11) 163.44 7.15
      冬季(12-2) 22.92 -10.55
      NorESM2-MM模式 误差订正前 最大月值 297.02 13.97
      多年平均 705.63 11.96
      季节平均 春季(3-5) 167.37 14.90
      夏季(6-8) 347.12 13.21
      秋季(9-11) 198.64 30.23
      冬季(12-2) 38.55 50.39
      误差订正后 最大月值 266.72 2.34
      多年平均 635.71 0.87
      季节平均 春季(3-5) 146.44 0.55
      夏季(6-8) 307.90 0.42
      秋季(9-11) 159.32 4.46
      冬季(12-2) 26.16 1.95
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    出版历程
    • 收稿日期:  2025-07-09
    • 网络出版日期:  2026-07-17
    • 刊出日期:  2026-06-25

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