IAP AGCM-Ⅰ水平分辨率的提高及对全球和东亚区域气候的数值模拟

在中国科学院大气物理研究所(IAP)第一代大气环流模式(AGCM1.2)的基础上,将其水平分辨率从原先的4°×5°分别提高到2°×2.5°和1×1.25°,得到更新版本的IAP AGCM1.3a(水平分辨率为2°×2.5°)和IAP AGCM1.3b(水平分辨率为1°×1.25°).利用上述水平分辨率提高后的模式进行了长时间积分,分析模式模拟结果可知:水平分辨率的提高确实可以在一定程度上改进气候模式对当代气候的模拟能力,特别是对地形雨以及东亚夏季风降水细致分布的模拟.从而为进一步改进IAP跨季度数值气候预测系统,提高短期气候预测能力提供了模式基础.     

不同分辨率CCSM4对东亚和中国气候模拟能力分析

本文利用通用气候系统模式CCSM4在三种水平分辨率下的工业化革命前期气候模拟试验,结合观测和再分析资料,比较了各分辨率下模式对中国温度和降水、东亚海平面气压和850 hPa风场的模拟能力,综合评价了模式分辨率对东亚和中国气候模拟的影响.结果表明,三种分辨率对中国温度均具有很好的模拟能力,除春季外,低分辨率(T31,约3.75°×3.75°)对全年温度的模拟能力均要稍好于中(f19,约1.9°×2.5°)、高(f09,约0.9°×1.25°)分辨率;各分辨率对中国降水的模拟能力远不如温度,除冬季外全年都出现的中部地区虚假降水并未因为模式分辨率提高而得到本质改善;对于东亚海平面气压场,低分辨率在冬季模拟能力相对最好,中等分辨率在夏季相对较好,而高分辨率的模拟能力均表现最差;低分辨率对850 hPa东亚冬季风和夏季风的模拟能力均要好于中、高分辨率,而两种较高分辨率的模拟能力则比较接近.总的来说,低分辨率CCSM4在东亚和中国气候模拟中表现出了较大优势,加之其计算代价小,适合进行需要较长时间积分的气候模拟研究.     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

模式不同分辨率对新疆达坂城—小草湖风区地面风场模拟结果的分析

使用非静力平衡中尺度MM5V3模式及NCEP/GFS 1°×1°再分析资料,对新疆达坂城-小草湖风区2006年4～9月10m高度的风况进行了3km×3km与1km×1km的模拟试验。结果表明:(1)3km与1km分辨率模拟的平均风速的大小分布特征整体一致,仅在复杂地形处以及风速大小值中心区域的强弱上存在细微差别,1km高分辨率对风速大小区域分布的模拟比3km分辨率更细致,且风速大、小值之间的变化梯度更明显。(2)3km与1km分辨率的模拟试验均较真实地反映了地形比较平坦、地貌比较单一区域的日平均风速与逐时平均风速的变化特征,但分辨率的提高并不能完全减小模拟误差。对于地形、地貌特征相对复杂区域而言,水平分辨率的提高,反而会加大模拟偏差。(3)两种分辨率的模拟误差在7、8月最大,4、9月份最小;对逐时平均风速的模拟误差均与距初始场时刻的长短无关。(4)两种分辨率对柴窝堡站点的模拟偏差过大,这很可能与模式中定义的水体、植被等参数与实际相距过大,以及该处地形陡峭,恰好位于绿洲与水体之间的荒漠过渡带有关。     

中国土壤湿度的分布与变化 II. 耦合模式模拟结果评估

利用中国区域土壤湿度观测资料,对目前世界上较具有代表性的14个全球海-陆-气耦合模式模拟的中国区域土壤湿度进行了评估,发现尽管几乎所有的耦合模式基本都能够再现实际的土壤湿度空间分布,但模拟的土壤湿度季节循环和年际变化,却与观测相差较大。除了少数模式中降水变化与土壤湿度变化的关系不明显外,大部分模式都揭示了前期降水对后期土壤湿度变化的显著影响,在部分模式中,前期降水对土壤湿度的影响偏强。耦合模式在土壤湿度模拟上的偏差,主要来自降水模拟上的偏差。在土壤湿度的年平均和夏季平均空间分布、年际变化方面,高分辨率模式（水平格距高于1.875°×1.875°）的结果,整体上要好于中（水平格距在1.875°×1.875°与3.75°×3.75°之间）、低(水平格距小于3.75°×3.75°)分辨率的模式;而中等分辨率模式结果相对于低分辨率而言则优势不明显。     

CAS-ESM模式对欧亚大陆逐日降水特征的数值模拟:物理参数化方案和水平分辨率的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所地球系统模式CAS-ESM和NCAR CESM中的气候系统模式开展了一系列不同物理参数化方案和水平分辨率的模拟试验,并针对欧亚大陆逐日降水特征模拟性能进行分析研究。本研究进行了四组时长为19年（1998～2016年）的AMIP（Atmospheric Model Intercomparison Project）数值积分试验:在1.9°×2.5°的低分辨率下NCAR CESM模式使用CAM5物理参数化方案组合（记为CESM）,在1.4°×1.4°的低水平分辨率下CAS-ESM模式使用CAM4与CAM5两种不同物理参数化方案组合（依次记为Lcam4和Lcam5）,在0.5°×0.5°的高水平分辨率下CAS-ESM模式使用CAM5物理参数化方案（记为Hcam5）。通过与GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）、CMORPH（CPC MORPHing technique）观测资料比较,两个模式较好地再现了平均降水特征和极端降水的气候态,但模式的降水频率偏大、降水强度偏弱。CESM的大雨日数与观测较为接近,Hcam5模拟的日最大降水量与观测最接近。针对CAS-ESM模式,不同物理参数化方案和水平分辨率均对降水特征产生影响,其中提高分辨率对降水特征的模拟有显著的改进。Lcam4和Lcam5相比,Hcam5显著提高了极端降水的模拟性能。在欧亚大陆中高纬地区,Lcam4的降水频率高于Lcam5;而在中国东部,Hcam5的降水频率比Lcam5小,与GPCC偏差更小。进一步分析的结果表明,与Lcam5相比,在欧洲地区Lcam4中的大尺度降水较多,水汽输送更强。在中国东部,Hcam5中对流性降水频率比Lcam5更小,而大尺度降水和水汽输送更大,使得高分辨率的模拟试验性能提高。     

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

一个改进的沙尘天气数值预测系统及其模拟试验

在中尺度气象模式最新版本MM5V3.7的基础上,通过与一个起沙模式的耦合,建立了一个新的中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)沙尘天气数值预测系统(IAPS 2.0).该系统与IAP原有的沙尘天气数值预测系统(IAPS 1.0)最主要的差异在于气象模式中陆面过程模式的改进.利用改进前后两个版本的预测系统对2002年4月发生在我国北方地区的两次较强沙尘(暴)过程进行了数值模拟,并与观测实况进行了比较,结果表明改进的系统对沙尘天气的预测能力比改进前的版本有显著的改进,这主要是由于新的陆面模式改善了地表土壤湿度的模拟,进而改进了决定起沙与否的关键因子临界摩擦速度的模拟,从而提高了预测系统对起沙范围和强度的模拟效果.总的说来,采用了更为先进的Noah陆面模式的IAP沙尘(暴)天气数值预测系统对中国北方春季沙尘(暴)天气过程具有更好的模拟能力.     

雷达资料同化对一次飑线过程的次公里尺度数值模拟影响研究

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式和ARPS(The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS(ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明：(1)未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2)不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3)使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。     

雾与能见度数值预报诊断SW方案和FSL方案改进的研究及评估

为了提高雾与能见度的预报水平,对业务上常用的两种能见度诊断方案,即Stoelinga and Warner（SW）方案与Forecast Systems Laboratory（FSL）方案的改进进行预报试验,SW方案基于Gultepe方案考虑了液态水粒子数浓度对能见度的影响,FSL改进方案中利用了递减平均法对公式中用到的温度与露点温度进行订正,并用其重新计算公式中的相对湿度。基于山东省气象科学研究所逐时更新循环（hourly update cycle,HUC）业务模式输出结果,从2015—2016年选取10次雾天气过程,并详细分析了2015年11月13—14日这次雾天气过程的预报结果,比较了改进前后各方案对雾与能见度的预报效果,结果显示：在模式预报的雨水含量占总液态含水量比例较大的预报时效,改进后的SW方案对雾与能见度预报效果优于原始方案,在模式预报液态含水量接近0的预报时效,改进前后的SW方案对雾与能见度的预报效果相当;利用订正的温度与露点温度重新计算相对湿度,其平均绝对误差（mean absolute error,MAE）降低明显的预报时段,改进后的FSL方案对雾与能见度的预报效果大大提升。将两种改进后的方案相融合并进行预报试验,结果显示,综合对能见度与雾的预报效果,Combined Visibility（CVIS）方案要优于其他两种改进方案。     

大到暴雪天气模型及数值产品释用预报方法

用欧洲数值预报产品格点资料,对1986年11月-2002年3月河南省出现的87个大到暴雪个例进行对比分析,将大到暴雪划分为3个类型,即高原低槽型、阻高-横槽型和L型,对每个型进行合成平均,建立了大到暴雪的天气学概念模型。为提高样本中大到暴雪的概率,先将样本进行消空处理,然后选取物理意义清晰、天气学意义明确的预报因子,分别建立了全省分片大到暴雪1-7 d预报方法,在业务试应用中取得了较好的预报效果。     

百叶箱与通风辐射罩的气温日最值差异

利用2009年8月—2010年7月的平行观测资料,对新型自动气象站中百叶箱和通风辐射罩气温观测系统气温日最值对比差的分布、粗差率、一致率以及平均值等进行统计,对日最值的出现时间进行对比,对日最值对比差与环境风速的关系进行分析,建立并验证了百叶箱气温日最值的订正方法。结果表明:百叶箱和通风辐射罩气温日最值对比差的分布均呈右偏态,且偏斜程度较大,不服从正态分布;日最高气温与最低气温的一致率分别为90.0%和81.5%,两者存在较大差异,但其粗差率基本一致,均略高于3.0%;与通风辐射罩气温观测系统相比,百叶箱的日最值数据总体偏高0.2℃左右,同时其出现时间也存在不同程度的滞后;气温日最值的差异会随着环境风速的增强而减小,特别是当风速大于4.5 m·s-1时,其差异可缩小到0.1℃以内;以环境风速为主要参数的气温订正方法将最高气温的差异缩小到0.03℃,一致率提高到95.2%,将最低气温的差异缩小到0.01℃,一致率提高到94.1%。     

Historic and Future Perspectives of Storm and Cyclone

In weather sciences, the two specific terms “storm” and “cyclone” frequently appear in literature and usually refer to the violent nature of a number of weather systems characterized by central low pressure, strong winds, large precipitation amounts in the form of rain, freezing rain, or snow, as well as thunder and lightning. But what is the connection between these two specific terms? In this paper, the historic evolutions of the terms “storm” and “cyclone” are reviewed from the perspective of...     

高低压中心、槽线识别的初步试验

利用经过截取处理的欧亚范围的欧洲格点数据，通过运算转化为屏幕网格资料，采用逐点追踪方法绘制等压线，运用统计识别法和模糊识别技术，结合实测风场订正，对高低压中心和槽线进行分析识别。试验结果表明，计算机能基本准确的识别出高低压中心及槽线，且速度比人工快得多，从而可做为人工智能工作站的一相接口，并为天气图的客观化和自动化分析作了初步尝试。     

Concentration of Peroxides and Formaldehyde in Air and Rain and Gas-Rain Partitioning

Rain and air of Florence have been collected in a continuous way andanalysed by flow analysis spectrofluorimetric methods for formaldehydeand hydrogen peroxide. Diurnal and seasonal variations were observed;the mean/maximum concentrations of all data (as gm^–3) are 3.3/23.4 for HCHO and 0.4/4.93 forH₂O₂. The effect of external sources and ofphotochemical reactions produces periods of positive and negativecorrelations for these compounds. The mean/maximum rain concentration ofall data are 98/443 g l^–1 for HCHO and 84/685 g l^–1 for H₂O₂. Concentrationratios rain/air and discrepancies to Henry's Law equilibrium arediscussed.     

《气象与环境学报》稿件远程采编处理系统和网站建设与应用

气象与环境学报》编辑部与北京玛格泰克科技发展有限公司开展技术合作,于2008年初开通了由该公司开发研制的“稿件远程采编处理系统”和“网站系统”。系统主要包括作者在线投稿系统、作者在线查稿系统、在线审稿系统、编委在线审稿系统、主编在线审稿系统和远程编辑系统。实现了作者、审者、编者在线稿件收稿、审稿、退修、发稿通知的全过程监控与管理。网站包括期刊介绍、编委会、投稿须知、期刊订阅、广告合作和编辑部公告等信息。系统运行以来,加快了稿件处理效率,缩短了论文刊登周期,提高了工作效率,扩大了期刊传播影响力,方便了广大作者和读者,促进了编辑业务现代化建设的进展。通过对《气象与环境学报》稿件远程采编处理系统的建设和应用的叙述,概述了网站与系统的功能和设置,归纳了应用效果与体会,讨论了系统和网站的特点与存在的问题。     

Intercomparison of Three- and one-Dimensional Model Simulations and Aircraft Observations of Stratocumulus

As part of the EUropean Cloud REsolving Modelling (EUCREM) model intercomparison project we compared the properties and development of stratocumulus as revealed by actual observations and as derived from two types of models, namely three-dimensional Large Eddy Simulations (LES) and one-dimensional Single Column Models (SCMs). The turbulence, microphysical and radiation properties were obtained from observations made in solid stratocumulus during the third flight of the first 'Lagrangian' experiment of the Atlantic Stratocumulus Transition Experiment (ASTEX). The goal of the intercomparison was to study the turbulence and microphysical properties of a stratocumulus layer with specified initial and boundary conditions.The LES models predict an entrainment velocity which is significantly larger than estimated from observations. Because the observed value contains a large experimental uncertainty no definitive conclusions can be drawn from this. The LES modelled buoyancy flux agrees rather well with the observed values, which indicates that the intensity of the convection is modelled correctly. From LES it was concluded that the inclusion of drizzle had a small influence (about 10%) on the buoyancy flux. All SCMs predict a solid stratocumulus layer with the correct liquid water profile. However, the buoyancy flux profile is poorly represented in these models. From the comparison with observations it is clear that there is considerable uncertainty in the parametrization of drizzle in both SCM and LES.     

干旱及灌溉对冬小麦根系和产量的影响研究

在郑州农业气象试验站开展不同程度干旱、灌溉试验,研究了不同水分条件对冬小麦根系活力、形态及产量的影响。结果表明,干旱条件下,冬小麦根系活力和根直径均有明显的降低,根长有明显增加,土壤下层所占根系总体积比例增大,且随着发育期的推进,下层根系所占比例呈现增大的趋势,水分利用效率有明显提高;随着干旱程度的增加,上述变化趋势更加明显。在灌溉量相同的情况下,越冬期灌溉,有利于冬小麦根系活力和根直径增加,但不利于根系的向下伸展;返青期和拔节期灌溉有利于根系向下伸展、水分利用效率提高、理论产量增加,但不利于根系活力和直径的增加;拔节期灌溉,可适当增大灌溉量,减少灌溉次数,以提高水分利用效率。综合根系形态和活力、水分利用效率及产量,在冬小麦干旱持续发生条件下,在返青期、孕穗期灌水600 m~3·hm~(-2)左右,可根据干旱程度适当增减灌水量,重旱条件下适当增加灌水次数,少量多灌缓解旱情,而重大干旱年份灌水困难条件下可只在拔节期灌水600 m~3·hm~(-2),以实现产量的减损和节水效果。     

内蒙古专业气象预警与气象预警系统的建立

通过分析内蒙古主要气象灾害的种类和特征,找出目前气象预警存在的不足之处,研究适合内蒙古地区的专业气象预警机制,并建立气象预警系统,使专业气象预警产品更好地为公众及各行业服务。