基于CCSM4.0长期积分试验评估不同辐射强迫对中国干旱半干旱区降水的影响

本文基于气候系统模式CESM4.0长期积分试验,分析评估了工业革命前（1850年）及当前（2000年）两种辐射强迫作用（分别为太阳活动和温室气体）对中国北方干旱半干旱区降水的影响。结果表明,模拟结果与观测之间尽管存在一定的偏差,但仍能再现降水气候态的空间分布以及季节变化特征;两种辐射强迫下的降水长期变化均无明显趋势,但二者的差异却呈现出70~100年的准周期振荡;由人类活动引起的当前辐射强迫作用对降水的多年际变率幅度有一定影响,造成极端强降水事件出现的概率增多,而由太阳活动引起的辐射强迫作用主要对降水多年代际周期具有一定的调制作用。进一步分析表明,两种辐射强迫下中国北方干旱半干旱区降水年多年代际变率的主要模态基本一致,但人类活动引起的辐射强迫作用会影响降水多年代际变率与热带海温异常的相互作用的强度,从而改变降水多年代际变率的幅度。     

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。     

大气环流模式和耦合模式模拟的降水-海温关系之比较

本文讨论了气候系统耦合模式FGOALS_s模拟的局地降水和海温的关系, 并通过与单独大气模式SAMIL的AMIP试验结果进行对比分析, 考察了海气耦合过程对局地降水和海温关系模拟的影响。结果表明, 耦合模式FGOALS_s和单独大气模式SAMIL在模拟局地降水和海温关系上各有优势。在赤道中东太平洋地区, 观测中局地降水和海温的关系是海洋强迫为主, FGOALS_s模拟的海洋对大气的强迫比观测偏弱, 因此, SAMIL相对于FGOALS_s更有优势。在西北太平洋东部地区, 观测中夏秋季节降水和海温的关系是大气强迫为主, 由于考虑了海气相互作用过程, FGOALS_s对降水和海温关系的模拟能力要优于单独的大气模式。此外, 由于大气模式SAMIL的云参数化方案导致的模拟偏差, 在赤道中东太平洋地区 (9～11月), 降水增加时入射的短波辐射通量也是增加的, 并且这种模拟的偏差在耦合后仍然保留了下来, 导致了与观测不符的云[CD*2]辐射反馈过程。因此, 改进大气模式的云参数化方案是未来工作重点之一。此外, 分析发现耦合模式模拟的潜热通量的变化过分依赖海气湿度差。     

成都区域气象中心高低分辨率η模式降水预报检验分析

利用成都区域气象中心η坐标模式，对2002年汛期及主要降水过程进行了η坐标模式降水预报检验，对典型个例进行了详细的分析。结果表明：模式对夏季区域性过程有较强的预报能力，模式预报雨量中心强度有50％与实况相差小于25毫米。模式对晴雨预报有较好的指导意义，对降水强度的预报通常偏弱，对落区的预报位置易偏西、偏北。模式易漏报不易空报，当模式预报有较大量级的降水时，实况出现的概率很大，但要注意落区的位置。高分辨率模式在降水中心强度的预报较低分辨率模式接近实况，低分辨率模式在降水落区和中心位置预报上较接近实况。     

中国东部降水的随机动力预测初步研究

利用一个具有门限的非线性随机动力气候模式,对中国东部江淮流域的降水进行了预报试验。结果表明：模式能对大范围环流降水作出较为准确的形势预报。还比较了海气耦合模式与外强迫模式的预报效果,表明耦合模式的预报效果略好于外强迫模式。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

中国东部降水年际变化的随机动力诊断

利用一个具有门限的非线性随机动力气候模式对中国东部江淮流域的降水进行了分析。结果表明：在不同的门限域中,降水对外部强迫的响应有明显差异,呈现出一定的非线性特征;模式能较好地拟合降水的变化趋势。     

动力数值模式侧边界强迫的改进试验

通过修正嵌套模式侧边界缓冲区温度强迫项的计算方法,使区域气候模式所刻画的温度日变化信息与不同下垫面区域的天气变化规律相符合.进而利用数值模式ASRegCM研究了侧边界缓冲区温度强迫的改进处理对嵌套模式模拟效果的影响,并讨论了其对模拟结果改进的可能机制.数值试验结果表明,该侧边界缓冲区强迫的改进对地面气温和降水距平分布的...     

CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

降水落区多模式超级集合预报系统

利用多个数值模式的雨量预报集合为站点雨量预报初值，遵循预报员对降水预报分析的思路，将其以系统、能量、水汽、地形等因子对降水所作的定性预报分析结论转换为因子信度，利用因子信度对站点雨量预报初值作增减的强迫运算，并将地面站点上的相关要素转换为强迫系数，再次对站点雨量预报值作增减的强迫运算，由此得出包含多模式集合预报值、人对诸多定性因子分析信息、站点地面要素差异等综合因素的站点雨量定时定量预报值，从而实现降水客观、定点、定量预报。     

陆面过程对气候影响的数值模拟:SSiB与IAP/LASG L9R15 AGCM耦合及其模式性能

利用陆面过程模式 SSi B与 IAP/LASG发展的 L9R1 5AGCM的耦合 1 0 a积分试验 ,研究了全球尺度大气与地表的水分和能量交换以及陆地与大气环流和气候的相互作用。模拟表明 :SSi B模式可模拟出陆地上较为真实的表面通量及其日变化 ,较好地定量描述土壤 -植被 -大气连续体系 ( SPAC)中能量和水分的传输过程。因此 ,将其引入气候模式中能够模拟出比 CTL- AGCM更合理的气候平均状态、水汽分布以及水汽输送的气候特征 ,特别是亚洲夏季风水汽输送独特的地域性 ,再现了大气环流 ,尤其是陆面气候的基本特征。并指出 ,陆面过程参数化的引进及其陆面状况的变化显著地改善了全球陆地上的水分平衡状况。利用改进的再循环降水模式 ,进一步研究了陆面过程参数化明显改进降水模拟的物理机制。指出全球陆地 ,特别是盛夏北半球干旱、半干旱地区的再循环降水率明显减小 ,与陆面上表面潜热通量的显著减小区一致 ,从而克服了许多未耦合陆面过程的 AGCMs因对地表水过程非常简单地参数化导致的普遍存在着整个陆地降水偏高 ,改善了全球陆地上的水分平衡状况。因此 ,在充分耦合的陆气环流模式中模拟的降水分布与实况接近。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF EFFECTS OF LAND SURFACE PROCESSES ON CLIMATE——IMPLEMENTING OF SSiB IN IAP/LASG AGCM AND ITS PERFORMANCE

This is an investigation of exchanges of energy and water between the atmosphere and thevegetated continents,and the impact of and mechanisms for land surface-atmosphere interactionson hydrological cycle and general circulation by implementing the Simplified Simple Biosphere(SSiB)model in a modified version of IAP/LASG global spectral general model(L9R15 AGCM).This study reveals that the SSiB model produces a better partitioning of the land surface heat andmoisture fluxes and its diurnal variations,and also gives the transport of energy and water amongatmosphere,vegetation and soil explicitly and realistically.Thus the coupled SSiB-AGCM runslead to the more conspicuous improvement in the simulated circulation,precipitation,mean watervapor content and its transport.particularly in the Asian monsoon region in the real world thanCTL-AGCM runs.It is also pointed out that both the implementation of land surfaceparameterizations and the variations in land surface into the GOALS model have greatly improvedhydrological balance over continents and have a significant impact on the simulated climate.particularly over the massive continents.Improved precipitation recycling model was employed to verify the mechanisms for landsurface hydrology parameterizations on hydrological cycle and precipitation climatology in AGCM.It can be argued that the recycling precipitation rate is significantly reduced,particularly in the aridand semi-arid region of the boreal summer hemisphere,coincident with remarkable reduction inevapotranspiration over the continental area.Therefore the coupled SSiB-AGCM runs reduce thebias of too much precipitation over land surface in most AGCMs,thereby bringing the simulatedprecipitation closer to observations in many continental regions of the world than CTL-AGCMruns.     

NUMERICAL SIMULATIONS OF EFFECTS OF LAND SURFACE PROCESSES ON CLIMATE--IMPLEMENTING OF SSiB IN IAP/LASG AGCM AND ITS PERFORMANCE*

This is an investigation of exchanges of energy and water between the atmosphere and the vegetated continents,and the impact of and mechanisms for land surface-atmosphere interactions on hydrological cycle and general circulation by implementing the Simplified Simple Biosphere(SSiB) model in a modified version of IAP/LASG global spectral general model(L9R15 AGCM).This study reveals that the SSiB model produces a better partitioning of the land surface heat and moisture fluxes and its diurnal variations,and also gives the transport of energy and water among atmosphere,vegetation and soil explicitly and realistically.Thus the coupled SSiB-AGCM runs lead to the more conspicuous improvement in the simulated circulation,precipitation,mean water vapor content and its transport.particularly in the Asian monsoon region in the real world than CTL-AGCM runs.It is also pointed out that both the implementation of land surface parameterizations and the variations in land surface into the GOALS model have greatly improved hydrological balance over continents and have a significant impact on the simulated climate.particularly over the massive continents.Improved precipitation recycling model was employed to verify the mechanisms for land surface hydrology parameterizations on hydrological cycle and precipitation climatology in AGCM.It can be argued that the recycling precipitation rate is significantly reduced,particularly in the arid and semi-arid region of the boreal summer hemisphere,coincident with remarkable reduction in evapotranspiration over the continental area.Therefore the coupled SSiB-AGCM runs reduce the bias of too much precipitation over land surface in most AGCMs,thereby bringing the simulatedprecipitation closer to observations in many continental regions of the world than CTL-AGCMruns.     

The Observed and Simulated Major Summer Climate Features in Northwest China and Their Sensitivity to Land Surface Processes

Northwest China （NWC） is a typical arid and semi-arid region. In this study, the main summer climate features over NWC are presented and the performance of an atmospheric general circulation model （NCEP GCM/SSiB） over this region is evaluated. Satellite-derived vegetation products are applied in the model. Based on comparison with observational data and Reanalysis II data, the model generally captures major features of the NWC summer energy balance and circulation. These features include： a high surface tem- perature center dominating the planetary boundary layer; widespread descending motion; an anticyclone （cyclone） located in the lower and middle （upper） troposphere, covering most parts of central NWC; and the precipitation located mainly in the high elevation areas surrounding NWC.
The sensitivity of the summer energy balance and circulation over NWC and surrounding regions to land surface processes is assessed with specified land cover change. In the sensitivity experiment, the degradation over most parts of NWC, except the Taklimakan desert, decreases the surface-absorbed radiation and leads to weaker surface thermal effects. In northern Xinjiang and surrounding regions, less latent heating causes stronger anomalous lower-level anticyclonic circulation and upper-level cyclonic circulation, leading to less summer precipitation and higher surface temperature. Meanwhile, the dry conditions in the Hexi Corridor produce less change in the latent heat flux. The circulation change to the north of this area plays a domi- nant role in indirectly changing lower-level cyclonic conditions, producing more convergence, weaker vertical descending motion, and thus an increase in the precipitation over this region.     

陆面模式中土壤湿度影响蒸散参数化方案的评估

本文将四个常见陆面模式CLM3.5（Community Land Model Version 3.5）、Noah_LSM（The Noah Land Surface Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）以及SSiB（The Simplified Simple Biosphere Model）中土壤湿度影响蒸散的参数化方案进行简化,并利用实验观测资料对不同参数化方案进行评估,探究不同陆面模式对土壤湿度与蒸散关系的模拟差异,从而为提高模式的模拟能力提供依据。结果表明,（1）CLM与SSiB中计算土壤湿度影响裸土蒸发的参数化方案较Noah_LSM和VIC更接近真实的物理过程,同时CLM与SSiB模式中土壤湿度对蒸发的影响程度较Noah_LSM和VIC大;而对于下垫面有植被条件下的蒸散而言,CLM中包含了植被光合作用、呼吸作用等生物物理学过程,与实际情况更为接近,并且CLM与SSiB中土壤湿度对植被蒸散的影响程度大于VIC,Noah_LSM最低;（2）根据干旱区、半干旱区、半湿润区以及湿润区各站点的分析可知,CLM、SSiB与Noah_LSM中土壤湿度影响蒸散的参数化方案的拟合效果较VIC好,同时在部分站点CLM与SSiB的参数化方案稍优于Noah_LSM。区域之间比较说明,四个模式对干旱半干旱区的模拟效果明显较半湿润区和湿润区好。     

用耦合模型模拟青弋江流域水文对气候变化的响应

用陆面模式SSiB与动态植被模型TRIFFID以及流域地形指数水文模型的耦合模型SSiB4T/TRIFFID模拟了长江下游的青弋江流域植被和水量平衡的动态过程,分析了气温和降水变化对流域径流和蒸发的影响。结果表明：（1）流域气温上升10C,径流减小6.7-9.7%;气温上升20C,径流减小11.7-17.4%;（2）降水增加5%,径流增加9.2-11.6%,降水减小5%,径流减小8.6-11.6%;（3）温度不变仅降水变化对流域蒸发影响很小,温度增加20C,流域总蒸发3-10月份增加8.0-10.7mm,其余月份增加5.4-7.1mm,1月和12月蒸发对温度增加最敏感;（4）气温上升20C,叶面积指数1月和12月增加,5-10月略有减小。降水和气温变化对青弋江流域径流影响明显且与植被类型有关,流域蒸发的变化主要受温度变化的控制。     

一个耦合了简化生物圈方案的全球大气环流谱模式及其性能测试

在美国ＮＭＣ ＡＧＣＭ模式的基础上，参照ＣＯＬＡ低分辨率ＡＧＣＭ模式，移植和改进了一个包括植被层陆面过程的陆－气耦合全球大气环流谱模式。其水平分辨率为菱形截断１５波，垂直方向分为９层，陆面过程采用简化的简单生物圈模式。     

Influence of soil moisture in eastern China on the East Asian summer monsoon

The sensitivity of the East Asian summer monsoon to soil moisture anomalies over China was investigated based on ensembles of seasonal simulations(March–September) using the NCEP GCM coupled with the Simplified Simple Biosphere Model(NCEP GCM/SSi B). After a control experiment with free-running soil moisture, two ensembles were performed in which the soil moisture over the vast region from the lower and middle reaches of the Yangtze River valley to North China(YRNC) was double and half that in the control, with the maximum less than the field capacity. The simulation results showed significant sensitivity of the East Asian summer monsoon to wet soil in YRNC. The wetter soil was associated with increased surface latent heat flux and reduced surface sensible heat flux. In turn, these changes resulted in a wetter and colder local land surface and reduced land–sea temperature gradients, corresponding to a weakened East Asian monsoon circulation in an anomalous anticyclone over southeastern China, and a strengthened East Asian trough southward over Northeast China. Consequently, less precipitation appeared over southeastern China and North China and more rainfall over Northeast China. The weakened monsoon circulation and strengthened East Asian trough was accompanied by the convergence of abnormal northerly and southerly flow over the Yangtze River valley, resulting in more rainfall in this region.In the drier soil experiments, less precipitation appeared over YRNC. The East Asian monsoon circulation seems to show little sensitivity to dry soil anomalies in NCEP GCM/SSi B.     

一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用

简要介绍了一个植被模式（Simplified Simple Biosphere Model）的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的HAPEX-Sahel观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识,对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中,着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中,尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区,但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示,这将是一个有很大发展潜力的新领域。