中国东部不同区域城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

本文利用法国动力气象实验室发展的大气环流模式(LMDZ)对珠江三角洲(简称珠三角)、长江三角洲(简称长三角)和北京市、天津市、河北省区域(简称京津冀)城市群下垫面变化的东亚气候进行模拟试验, 以探讨不同区域城市群下垫面变化带来的夏季气候效应及其可能机制, 结果表明:珠三角、长三角和京津冀城市群下垫面类型改变后, 地表潜热蒸发显著减少, 为了平衡地面能量收支, 地面温度升高, 进而感热通量、地表有效长波辐射增强, 地表通过升温对能量进行再分配和再平衡, 且下垫面改变引起的温度、地表能量变化基本集中于城市群下垫面变化区域, 温度响应具有显著的局地性;对比不同区域城市化温度响应的强弱, 发现各区域地表气温变化和能量变化存在较好的对应关系, 长三角、珠三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群, 其局地增温也是京津冀城市群的一倍以上;局地温度增加, 虽有利于低层形成热低压, 出现明显上升运动, 但蒸发减弱使局地水汽明显减少, 最终导致降水减少, 表明水汽条件改变是降水减少的主要因素。同时由于中国东部高层呈现南正北负的异常变化, 西太平洋副高加强西伸, 使降水减少区域并没有集中在局地, 特别是东部城市带试验中, 出现了东部地区大范围的降水偏少。     

海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式耦合的实现

通过采用一种较好地考虑了海气通量交换对下垫面特征非线性依赖的通量计算方案,利用较成熟的逐日通量距平耦合方案实现了次网格尺度海冰非均匀条件下一个全球大气环流模式和一个全球海洋环流模式在高纬地区的耦合,并完成了一个50年的长期积分。模拟结果表明,通量计算方案中水道的作用是合理的,耦合模式能较好地模拟出北半球高纬海冰的主要地理分布特征,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度偏大。     

山东半岛夏季降水异常的环流型及影响因子分析

利用1961—2016年华东地区106个气象观测站的日降水数据和再分析资料,分析引起山东半岛夏季降水异常的大气环流型及其与前期下垫面因子（海温和土壤湿度）的关系,结果发现：1）当孟加拉湾出现西南风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南侧地区分别呈反气旋和气旋式环流异常时,加强了向山东半岛的水汽输送,配合区域大气上升运动异常最终导致山东半岛夏季降水偏多;反之,当孟加拉湾出现西北风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南地区分别呈气旋和反气旋式环流异常时山东半岛降水偏少。2）孟加拉湾和北太平洋中部关键区的对流层整层位势高度与下垫面海温自春季持续至夏季存在显著正相关,当两个地区的整层位势高度均呈正异常时,分别对应夏季孟加拉湾的强西风气流和日本列岛以南的反气旋环流异常。3）区域土壤湿度异常引起的感热和潜热通量异常,可能是引起贝加尔湖关键区位势高度和山东半岛局地对流异常的原因：贝加尔湖西南地区土壤湿度偏大时,其上空对流层位势高度为负异常;山东半岛地区土壤湿度偏大时,其上空对流层大气出现异常上升运动。4）利用关键区春季下垫面因子（海温和土壤湿度）建立山东半岛夏季降水的统计预测模型,留一交叉检验的距平同号率达到75%。这些结果可为山东半岛夏季降水预测提供重要参考。     

变网格模式LMDZ4对东亚夏季气候的模拟检验

对法国动力气象实验室发展的变网格全球大气环流模式LMDZ4在东亚地区的模拟性能进行评估。LMDZ4作为海气耦合模式IPSL-CM5A的大气模块,本文局地格点加密区域位于东亚上空,加密区外使用ERA-interim再分析资料进行驱动,积分时段为1979—2009年。通过对模式在东亚东部区域夏季气候的模拟能力评估,发现模式整体上能够真实地模拟出南亚高压、西风急流、西太副高、水汽输送以及夏季风等环流系统的气候平均态,地面雨带和气温的分布及极值中心都得到较好再现。同时模式仍显现一定的偏差,具体表现为,华南沿海的模拟偏冷偏湿,江淮流域偏暖偏干,而东北地区则偏暖偏湿,导致这种地面要素场偏差的原因来自于中上层环流场的系统性模拟偏差。例如,高层南亚高压、西风急流模拟偏弱,而印度季风和来自印度洋的水汽输送偏强,导致华南沿海降水偏多。西太平洋副高偏东偏弱,低纬东风带强度偏弱,西太平洋区域比湿偏小,使得东南风带来的水汽无法到达江淮流域。上述偏差的产生可能由于LMDZ4模式中的云参数化方案尚存在不足之处,使得云量的模拟偏少,并且该版本模式的垂直分辨率不足,限制了它对高层环流系统的模拟能力,增加了模式的系统误差。     

中国西部植被覆盖变化对北方夏季气候影响的数值模拟

植被覆盖的变化是气候变化的成因之一,植被改变对气候的反馈可能会加强或者减缓气候的变化.文中利用CCM3全球气候模式以及20世纪70年代和90年代中国西部的植被覆盖资料进行数值模拟试验,研究了这两个时期植被变化对北方夏季区域气候的影响.模拟结果表明:植被增加的地方,地面吸收的辐射通量增加;植被减少的地方,地面吸收的辐射通量减少.地面辐射平衡的变化造成局地大气热量异常,并引起周边大气热量的调整,从而导致东亚地区夏季大气环流异常.相对于70年代的植被状况,用90年代植被模拟的北方地区对流层上层为异常气旋性环流,而中、低层为异常反气旋环流,东北亚到中国东部盛行异常北风,同时西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏南.这种异常环流特征说明模拟的90年代中国东部夏季风明显减弱,异常的环流形势造成华北和东北地区夏季水汽输送减少,水汽辐合减弱,年降水量减少了40 mm,呈现减少的特征,这是和观测事实是比较吻合的.降水和环流的异常还造成华北和东北夏季平均地面气温降低了0.4-0.8℃.因此近30年来中国西部植被变化可能是东亚夏季风年代际变化以及北方夏季降水减少的一个重要因素.     

土壤湿度年际异常对中国春、夏季气候模拟的影响

基于NCAR大气模式CAM3.1模式,设计了有、无土壤湿度年际异常两组试验对中国区域近40a(1961-2000年)气候进行了模拟。从气候态和年际变率的角度,通过分析两组试验的差值场来探讨土壤湿度年际异常对气候模拟的影响,并初步探讨了影响的可能机制。结果表明:模式模拟的温度和降水对土壤湿度的年际异常非常敏感,土壤湿度的年际变化对中国春夏季气候及其年际变率均有显著影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,模式模拟的春夏季平均温度、最高温度、最低温度在我国大范围内降低,春夏季降水在东部大部分地区明显减少,西部增加。而模式模拟的春夏季温度、降水年际变率在中国大部分地区减弱。但当考虑土壤湿度的年际变化,则能在一定程度上提高模式对气候年际变率的模拟能力。在进一步分析表明土壤湿度年际异常时,主要通过改变地表能量通量和环流场,对温度、降水产生影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,地表净辐射通量减少,地表温度降低,感热通量减少。感热通量差值场的空间变化和温度差值场的空间变化一致,感热通量对温度有一定影响。而潜热通量差值场的空间变化和降水的差值场的空间变化一致,可见降水受地表潜热通量的影响。土壤湿度年际异常引起的环流场的变化也是导致气候变化的原因之一,地表能量和环流场年际变率的改变对春夏季气候年际变率存在一定影响。     

变网格模式LMDZ对东亚夏季气候平均态的模拟能力评估

将可变网格大气环流模式LMDZ的模拟中心移动至中国地理中心附近(37°N,112.5°E),在东亚地区进行加密,使用其对应全球模式同步输出资料进行环流强迫,以观测海表温度SST和海冰SIC资料对下边界强迫,对1979-2008年各年5-9月对500 hPa高度场,850 hPa温度场和地面要素等进行了模拟,并利用同期的NCEP/NCAR再分析资料和由中国气象台站资料生成的格点资料,评估该模式对东亚地区高空环流场、西太平洋副热带高压及地面温度、降水等的夏季气候平均态的模拟能力.结果表明:LMDZ可以较好的模拟平均环流场,其模拟结果能够反映实际的500 hPa高度场和850 hPa温度场的分布特征和趋势,但总体模拟值较观测值偏低;对副高强度的模拟能力偏弱、模拟的副高位置偏东,但准确的表现了副高随时间变化的移动特性;模式较好的再现了中国区域夏季地面气温和降水的空间分布特征;但从数值吻合度看,温度模拟主要呈区域性偏冷距平,在东南沿海地区偏低1～3℃,在西部青藏高原地区偏低3～4℃及以上,中部和东北大部基本无偏差;降水的模拟在中国西北地区与实际观测较为一致,其误差主要表现为在中国东南部沿海模拟的降水偏多;对7个子区域,模式对850 hPa温度场和地面日均气温的再现能力优于对500 hPa高度场的模拟,且子区域间模拟偏差结果相差大,其中华北区地面气温模拟偏差最小,西北区降水值模拟偏差最小.     

春季Hadley环流与长江流域夏季降水关系的数值模拟

观测分析表明,春季Hadley环流异常可以导致东亚大气环流异常变化进而影响长江流域夏季降水的发生.利用中国科学院大气物理研究所9层大气环流模式(IAP9L-AGCM),对春季Hadley环流异常偏强情形下东亚夏季大气环流和长江流域夏季降水的响应进行了数值模拟.模拟结果表明当春季Hadley环流异常偏强时,东亚夏季风减弱,夏季西太平洋副热带高压和南亚高压加强,菲律宾以东洋面对流减弱,长江流域降水增多.初步的数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合.     

北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

CMIP6通量距平强迫模式比较计划（FAFMIP）概况与评述

通量距平强迫模式比较计划（FAFMIP）是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的子计划之一。FAFMIP共设计了5组试验,利用CMIP6中的大气-海洋耦合环流模式（AOGCM）对海表施加动量通量、热通量和淡水通量扰动,旨在研究在CO₂强迫下模式模拟的海洋热吸收,由热膨胀引起的全球平均海平面上升,及由海洋密度和环流导致的动力海平面变化等方面的不确定性。     

欧亚中高纬陆面感热异常影响我国夏季气候的数值模拟

使用区域气候模式RegCM4.4.5.7,通过改变春季欧亚大陆中高纬地区的陆面感热通量,对欧亚中高纬感热异常影响中国夏季气候进行模拟分析,并探讨其影响机制。试验结果表明:当春季欧亚中高纬陆面感热通量加强时,我国长江流域和东北东部夏季气温降低,降水偏多;华北地区气温升高,降水偏少。春季陆面感热增强引起近地面和对流层低层大气热力状况异常,进而导致高度场和环流场的异常,长江流域和东北地区有气旋环流,对流运动旺盛,结合充足的水汽条件,对应降水偏多,而华北地区则相反,有反气旋环流和微弱的气流辐合,对应降水偏少。研究表明欧亚中高纬陆面感热异常是影响我国夏季气候的一个不可忽视的因子。     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

青藏高原4月感热通量异常对长江以南夏季降水的影响

基于1980—2015年青藏高原、长江以南地区的站点资料,利用EOF、小波分析等方法,分析了青藏高原及各分区4月的感热通量和长江以南地区夏季降水特征,以及它们之间的相关性。结果表明:喜马拉雅地区(关键区) 4月感热通量可以作为长江以南地区夏季降水的预报因子之一;青藏高原4月感热通量和长江以南地区夏季降水均存在4 a主周期和8 a副周期,在1998年、2011年前后出现转折;高原整体、E区、G区4月感热通量均与长江以南地区夏季降水呈负相关;高原关键区4月感热通量偏弱时,长江以南地区高空(850 hPa)处于深槽槽前,西部配合有切变线系统,斜压性很强,空气相对湿度很大,利于长江以南地区降水,反之亦然。     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR),对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明:城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

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.     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

On the atmospheric dynamical responses to land-use change in East Asian monsoon region

This study aims at (1) exploring dominant atmospheric dynamical processes which are responsible for climate model-simulated land-use impacts on Asian monsoon; and (2) assessing uncertainty in such model simulations due to their skills in simulating detailed monsoon circulations in the region. Firstly, results from a series of the Australian Bureau of Meteorology Research Centre (BMRC) global model simulations of land-use vegetation changes (LUC) in China are analysed. The model showed consistent signals of changes in atmospheric low-level vertical profile and regional circulations responding to LUC. In northern winter, the model-simulated rainfall reduction and surface cooling are associated with an enhanced southward penetration of dry and cold air mass, which impedes warm and humid air reaching the region for generating cold-front rainfall. In its summer, an enhanced cyclonic circulation responding to LUC further blocks the northeast penetration of southwestly summer monsoon flow into the region and results in rainfall decreases and a surface warming. Secondly, we have explored uncertainties in the proposed mechanism operating in the global model. By comparing its results with a set of high-resolution regional model simulations using the same vegetation datasets, it reveals similar changes in winter rainfall but opposite features in summer rainfall responses. In the global model, there is a cyclonic low-level circulation pattern over the South China Sea and adjacent region, an unsatisfactory feature commonly seen in other global climate models. With the reduction in surface roughness following LUC, such a deficiency becomes more prominent which further results in a weakened south/southwestly summer monsoon flow and rainfall reduction. In contrast, in the regional model, its southwestly summer monsoon flow is further enhanced due to the same process as reduced surface roughness. The enhanced monsoon flow further pushes the East Asian monsoon rainfall belt more northward and increases summer rainfall in the Yangtze River region. This study highlights the need for better monsoon simulations in climate models to produce reliable climate change projections in the region.