耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

WRF模式夏季气温和降水模拟对陆面方案敏感性的评估

利用NCEP 1°×1°再分析资料,采用WRF V3模式和不同的陆面参数化方案(SLAB、NOAH、RUC、PLEX)对中国2003年夏季气温和降水进行数值模拟试验,评估其对陆面方案的敏感性,并着重分析在干旱、半干旱的西北地区以及湿润的华东地区不同陆面方案对气温和降水模拟的影响。结果表明:1)模式整体上能较好地模拟出总区域的气温场和降水场,但不同陆面方案间模拟结果存在一些差异,其中NOAH(SLAB)方案模拟结果最好(最差)。2)对子区域而言,模拟气温和降水对陆面方案均较为敏感。受气候特征的影响,华东地区气温和降水模拟对陆面方案的敏感性存在较大的差异,其中降水模拟的敏感性很高。此外,模拟的气温和降水空间分布形势在西北地区均较好,但其对陆面方案的敏感性在华东地区较高。3)模拟降水对陆面方案的敏感性要高于气温模拟。     

青藏高原极端气温的动力降尺度模拟北大核心CSCD

利用ERA-Interim再分析资料作为边界条件,基于耦合陆面模式Noah-MP的区域气候模式WRF在东亚区域进行了动力降尺度模拟(简称WRF2),对比格点观测资料,评估了动力降尺度对青藏高原极端气温指数的模拟能力,在此控制试验基础上,分别将WRF的陆面模式替换为Noah LSM,边界条件替换为CCSM4,进行了两组敏感性试验(分别是WRF1和WRF3),通过与控制试验的比较,分析了边界条件和陆面模式对极端气温指数模拟的影响。结果表明,WRF2能较好地模拟青藏高原极端气温指数气候态的空间分布,但存在一定的冷偏差;受边界条件影响WRF3模拟的极端气温指数的气候倾向率存在负偏差。同时,尽管采用不同的边界条件,耦合相同陆面过程的两次数值试验对极端气温空间分布的模拟能力相似,相比WRF2,WRF1表现出更强的冷偏差;但边界条件对极端气温指数气候倾向率的影响大于陆面模式,WRF3模拟的极端气温指数气候倾向率与观测结果更为接近。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

黄土高原地区两种再分析资料的模拟效果分析

为了研究两种再分析资料(NCEP和ERA Interim)对中尺度模式WRF模拟结果的影响,利用地面观测资料和探空资料,通过NCEP/WRF和ERA/WRF两组模拟试验,探讨了这两种再分析资料在黄土高原地区对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,两组试验都能准确地模拟出2 m气温、相对湿度和地表温度的日变化,且ERA/WRF的模拟效果较好;由于黄土高原地形复杂,两组试验对10 m风速的模拟都不好;两组试验对地表辐射和地表通量的模拟结果相当,都能大致模拟出辐射各分量和地表通量的日变化,模拟偏差主要出现在正午时段;两组试验对大气边界层结构的模拟结果相似,对位温和比湿的模拟效果较好,与观测值的相关系数都在0.8以上,对风速的模拟效果稍差,与观测值的相关系数分别为0.64和0.60,NCEP/WRF对大气边界层结构的模拟结果比ERA/WRF好。     

人为热源对城市热岛效应影响的数值模拟试验

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,研究了人为热源对上海区域城市气候的影响。冬季地表温度的模拟结果表明,使用新陆面资料的试验效果要好于使用旧的陆面资料,加入人为热源的试验效果要优于没有加入人为热源的试验,这些反映了热岛效应是不断增加的城市面积和人为热源共同决定的。不同试验模拟的2 m高度上气温的模拟情况时,使用新陆面资料并且加入合理人为热源的试验模拟值明显大于其他试验的模拟值。     

基于MIROC/WRF嵌套模式的中国气候降尺度模拟

开展了基于嵌套的全球模式MIROC和区域气候模式WRF的动力降尺度模拟试验,检验该模式对中国气候的模拟性能,得到以下结论:全球气候模式MIROC和WRF都能较好地模拟出中国年平均地表气温(下文简称气温)分布。WRF模式对气温场的描述更为细致,模拟出了四川盆地高温和中国最北方区域的低温。两个模式总体上对南方降水模拟好于北方地区,东部地区好于西部地区。MIROC模式模拟的年平均和各季节降水与观测的 空间相关系数在0.79～0.83之间,表明它对降水的模拟较好。WRF模式模拟的降水空间分布好于MIROC模式。MIROC模式在青藏高原东南侧存在虚假降水中心,WRF能有效改进该地区降水的模拟。两个模式对年平均气温和降水年际变率的模拟能力均较差,WRF模式相对MIROC模式有一定改进。     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。      

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

青藏高原极端气温的动力降尺度模拟

利用ERA-Interim再分析资料作为边界条件,基于耦合陆面模式Noah-MP的区域气候模式WRF在东亚区域进行了动力降尺度模拟(简称WRF2),对比格点观测资料,评估了动力降尺度对青藏高原极端气温指数的模拟能力,在此控制试验基础上,分别将WRF的陆面模式替换为Noah LSM,边界条件替换为CCSM4,进行了两组敏感性试验(分别是WRF1和WRF3),通过与控制试验的比较,分析了边界条件和陆面模式对极端气温指数模拟的影响。结果表明,WRF2能较好地模拟青藏高原极端气温指数气候态的空间分布,但存在一定的冷偏差;受边界条件影响WRF3模拟的极端气温指数的气候倾向率存在负偏差。同时,尽管采用不同的边界条件,耦合相同陆面过程的两次数值试验对极端气温空间分布的模拟能力相似,相比WRF2,WRF1表现出更强的冷偏差;但边界条件对极端气温指数气候倾向率的影响大于陆面模式,WRF3模拟的极端气温指数气候倾向率与观测结果更为接近。     

Effects of land-surface heterogeneity upon surface fluxes and turbulent conditions

Summary In this paper, we examine the effects of land-surface heterogeneity on the calculation of surface-energy and momentum fluxes in a meso-scale atmospheric model. A series of numerical experiments has been carried out with a combination of different resolutions for the atmosphere and the land surface, which allows an examination of the aggregation and dynamic effects associated with land-surface heterogeneity. The numerical results show that for a given atmospheric model resolution, increased land-surface resolution leads to better estimates of surface-energy and momentum fluxes, and for a given land-surface resolution, increased atmospheric model resolution also improves the estimates of these fluxes. This latter result contradicts the prevailing view that subgrid variation in atmospheric data plays only a minor role in estimating the fluxes. It is also shown that subgrid land-surface heterogeneity leads to increased turbulent fluctuations. The responsible mechanisms of this effect are both the subgrid variation of surface-energy fluxes and their impact upon the development of convective cells. It is suggested that subgrid atmospheric motions induced by surface heterogeneity may be an important factor which needs to be considered in subgrid closure schemes for atmospheric models. Received August 28, 2000/Revised June 1, 2001     

利用区域气候模式对我国南方百年气温和降水的动力降尺度模拟

本文采用NCAR的WRF3.5.1模式,以NOAA的20世纪再分析资料作为区域气候模式的初始场和侧边界场,对东亚地区进行了百年以上(1900~2010年)尺度、水平分辨率为50 km的动力降尺度数值模拟试验。通过与观测气候资料的对比,分析了驱动场(20世纪再分析资料)和区域气候模式对我国南方地区近50年(1961~2010年)气温和降水的气候平均态的模拟能力。结果表明:经过动力降尺度的区域气候模式试验结果能更好地模拟我国南方地区气温气候平均态和季节循环。WRF模式模拟的气温与观测的气温的空间相关系数均在0.97以上。年平均和夏季,WRF模式模拟的气温与观测的气温的偏差大多介于-1°C到+1°C之间。对于降水,WRF模式显著提高了我国南方降水的模拟能力。和驱动场相比,WRF模式模拟的降水与观测的偏差明显减小。夏季,WRF模式模拟的降水空间相关系数在0.5以上。由此延伸至对近百年我国南方地区三个子区域(华南地区、江淮地区和西南地区)四个时段(1914~1942年、1943~1971年、1972~2000年和2001~2010年)的分析,结果表明区域气候模式动力降尺度的结果在区域平均的气温和降水的模拟数值上与观测比较接近,夏季模拟能力有明显的提高,冬季存在气温模拟偏低的误差。对气温趋势分析表明,在20世纪40年代以后的两个时间段,区域气候模式明显提高了气温变化线性趋势的模拟性能。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。     

下垫面非均匀性的模拟

用美国大气科学中心ＧＥＮＥＳＩＳ模式中的陆面过程方案,我们在一个全球大气模式网格尺度范围内,研究了来自非均匀下垫面的水汽,能量等通量。基于３种不同的模拟下垫面非均匀性的方法,即马赛克法、混合法以及显式次网格法,我们设计了４种不同的试验。模拟结果表明,３种方法计算出的结果有很大的不同：地面吸收的太阳辐射差异达４％;感热通量达１２％;潜热通量达６６％;土壤水分可达３０％。这一结果说明有必要用实测数据来检验不同的模拟下垫面非均匀性的方法以及用区域气候模式来模拟下垫面的非均匀性。     

A regional and global analysis of carbon dioxide physiological forcing and its impact on climate

An increase in atmospheric carbon dioxide concentration has both a radiative (greenhouse) effect and a physiological effect on climate. The physiological effect forces climate as plant stomata do not open as wide under enhanced CO₂ levels and this alters the surface energy balance by reducing the evapotranspiration flux to the atmosphere, a process referred to as ‘carbon dioxide physiological forcing’. Here the climate impact of the carbon dioxide physiological forcing is isolated using an ensemble of twelve 5-year experiments with the Met Office Hadley Centre HadCM3LC fully coupled atmosphere–ocean model where atmospheric carbon dioxide levels are instantaneously quadrupled and thereafter held constant. Fast responses (within a few months) to carbon dioxide physiological forcing are analyzed at a global and regional scale. Results show a strong influence of the physiological forcing on the land surface energy budget, hydrological cycle and near surface climate. For example, global precipitation rate reduces by ~3% with significant decreases over most land-regions, mainly from reductions to convective rainfall. This fast hydrological response is still evident after 5 years of model integration. Decreased evapotranspiration over land also leads to land surface warming and a drying of near surface air, both of which lead to significant reductions in near surface relative humidity (~6%) and cloud fraction (~3%). Patterns of fast responses consistently show that results are largest in the Amazon and central African forest, and to a lesser extent in the boreal and temperate forest. Carbon dioxide physiological forcing could be a source of uncertainty in many model predicted quantities, such as climate sensitivity, transient climate response and the hydrological sensitivity. These results highlight the importance of including biological components of the Earth system in climate change studies.     

A land surface model (IAP94) for climate studies Part II: Implementation and preliminary results of coupled model with IAP GCM

The Institute of Atmospheric Physics Land Surface Model (IAP94) has been incorporated into the IAP two-level atmospheric general circulation model (IAP GCM). Global and regional climatology averaged over the last 25 years of 100 year integrations from the IAP GCM with and without IAP94 (“bucket” scheme) is compared. The simulated results are also compared with the reanalysis data. Major findings are:(1) The IAP GCM simulation without IAP94 has extensive regions of warmer than observed surface air tempera?tures, while the simulation with IAP94 very much improves the surface air temperature.(2) The IAP GCM simulation with IAP94 gives improvement of the simulated precipitation pattern and intensity, especially the precipitation of East Asian summer monsoon and its intraseasonal migration of the rainbelts.(3) In five selected typical regions, for most of the surface variables such as surface air temperature, precipitation, precipitation minus evaporation, net radiation, latent heat flux and sensible heat flux, the IAP GCM with IAP94 pro?vides better simulations.