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。     

应用IAP9L-AGCM对2002年中国夏季气候的预测及效果检验

利用中科院大气所9层大气环流格点模式(IAP9L—AGCM)和IAP—ENSO预测系统对2002年中国夏季气候进行实时集合预测及其检验。结果显示，IAP9L—AGCM较好地预测出了2002年夏季我国大范围旱涝的分布形势，如华南、我国西部多雨，黄河和长江流域之间大范围干旱等；850hPa减弱的夏季风、青藏高原辐散中心以及北太平洋上空的异常气旋性环流中心亦被较好地预报出来；不足的是，模式对降水异常细致分布的预测能力有限。预测结果还表明，该模式对夏季(6—8月)平均降水的预报技巧要高于月平均状况，且月平均预报的准确度从6—8月依次递减。     

IAP PSSCA 两组预测试验的评估及比较 I.降水部分

利用中国科学院大气物理研究所研制的短期气候距平数值预测系统（IAP PSSCA）,　　种版本的大气环流模式：AGCM 1.1和AGCM 1.2,分别以2月11～19日的9天大气观测值为初始场,以给定海温为边界场,对1980～1994年的15年的降水异常进行了两组集合后报试验。对试验结果进行定量评估表明：IAP PSSCA对降水异常具有一定的预测能力,特别是在中国东部受东亚季风及海温异常影响的地区,IAP PSSCA具有较高的预报技巧,其中以东南区域（包括江淮流域和华南地区）最高,尤其是对有洪涝灾害的降水异常年,距平相关系数在0.50左右,接近可供业务使用的要求,说明模式能够抓住在东亚季风区存在的某种物理机制,从而提高了这一地区的预报技巧;另外,两个大气环流模式相比,改进了地表反照率的AGCM 1.2的15年集合平均预测技巧略高于AGCM 1.1,特别是在华北地区,预测效果有明显提高,这表明改进地表反照率从而改进了模式的气候平均态的模拟,能提高气候模式的预测能力,说明较好的陆面过程引入模式对短期气候预测是有益的。     

多模式热带西太平洋夏季降水可预测性比较分析

利用中国科学院大气物理研究所(IAP,Institute of Atmospheric Physics)3个大气环流模式(AGCM,Atmospheric General Circulation Model)和欧洲多模式集合预报计划(DEMETER,Development of a European Multimodel Ensemble System for Seasonal-to-Interannual Prediction)中7个海气耦合模式(CGCM,Coupled General Circulation Model)的1981—2000年共20 a集合回报结果,比较了不同模式在热带地区,尤其是热带西太平洋地区夏季平均降水的可预测性差异。结果表明:所有模式都能够较好地再现这20 a平均降水的空间分布特征;IAP 9层AGCM最好地再现了热带西太平洋地区,尤其是140°E以西地区降水异常的主要空间特征,而CGCM则对海洋上空的降水异常特征有较好的回报能力。回报的降水异常量值偏弱和系统偏移使得IAP的AGCM原始回报技巧评分明显低于CGCM,但是经过统计订正后AGCM对热带夏季降水表现出与CGCM相当的可预测性。统计订正方法对部分CGCM模式的预报评分也有改进效果,但是当模式原始预报评分较好时订正方法的效果并不明显。对于IAP模式,随着IAP大气模式的不断改进,模式对热带西太平洋降水预测改进最为明显,但是在太平洋东部地区,IAP大气模式依然存在降水异常偏弱的不足。     

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.     

LASG/IAP和BCC大气环流模式模拟的云辐射强迫之比较

通过与ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project)逐月辐射资料的比较,本文从气候态和对ENSO响应的角度,评估了国内的三个大气环流模式BCC AGCM、IAP GAMIL和IAP SAMIL对云辐射强迫的模拟能力,讨论了影响模拟结果不确定性的因素.分...     

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 2 5°,得到更新版本的IAPAGCM1 3a (水平分辨率为 2°× 2 5°)和IAPAGCM1 3b (水平分辨率为 1°× 1 2 5°)。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。     

水汽输送的算法精度与模式暴雨预报能力的对比分析

利用中尺度模式ＭＭ４，研究了中尺度模式的暴雨模拟对于不同不汽输送方案的敏感性。采用５种平流差分格式来计算水汽的水平输送，用该模式对３次暴雨过程作了数值试验。并把不同方案的降水模拟结果与实况进行了对比。结果表明，中尺度模式的暴雨模拟对水汽输送方案十分敏感，正定高精度的Ｐｒａｔｈｅｒ格式的模拟结果最接近实况。     

IAP大气-植被耦合模式的建立及其模拟

为了充分理解气候与植被之间在不同时间尺度上的反馈作用,需要把动态植被模式耦合到气候模式里.本研究通过引进动态植被模式VEGAS(VEgetation-Global Atmosphere-Soil),在中国科学院大气物理研究所9层(IAP9L)气候模式的基础上,初步建立了一个新的IAP大气一植被耦合模式IAP9L_VEGAS.对该模式积分多年的结果分析表明:IAP9L_VEGAS可以较合理地模拟出植被生态系统生产力和植被、土壤碳库的总量及其季节变化,而且该模式模拟的叶面积指数的全球分布与观测资料十分接近.与未耦合动态植被模式的IAP9L模式模拟结果的比较表明:在非洲和南美等热带雨林地区,IAP9L_VEGAS模拟的叶面积指数比IAP9L中根据经验设置的大3.5以上,更接近观测;此外,IAP9L-VEGAS模拟的降水和近地面气温均较IAP9L更加接近观测实况.     

《南京气象学院学报》总目次

第 1期论　著大气 CO2 浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟刘建栋　刘文泉　于　强　金之庆 (1)……平均经圈环流质量流函数两种计算方案的比较顾兴军　王盘兴　李丽平 (11)………………………………银川市大气颗粒物物理化学特征研究 :大气颗粒物浓度特征樊曙先　郑有飞　金国兴　陈世功 (2 0 )……应用 IAP9L - AGCM对 2 0 0 2年中国夏季气候的预测及效果检验郎咸梅　王会军　周广庆　姜大膀 (2 9)…自适应网格与均匀网格在数值模拟中的对比研究郭丽霞　沈桐立　丁治英 (36 )……………………………用小波变换提取雷达…     

Implementation of a Conservative Two-step Shape-Preserving Advection Scheme on a Spherical Icosahedral Hexagonal Geodesic Grid

An Eulerian flux-form advection scheme, called the Two-step Shape-Preserving Advection Scheme(TSPAS), was generalized and implemented on a spherical icosahedral hexagonal grid(also referred to as a geodesic grid) to solve the transport equation. The C grid discretization was used for the spatial discretization. To implement TSPAS on an unstructured grid,the original finite-difference scheme was further generalized. The two-step integration utilizes a combination of two separate schemes(a low-order monotone scheme and a high-order scheme that typically cannot ensure monotonicity) to calculate the fluxes at the cell walls(one scheme corresponds to one cell wall). The choice between these two schemes for each edge depends on a pre-updated scalar value using slightly increased fluxes. After the determination of an appropriate scheme, the final integration at a target cell is achieved by summing the fluxes that are computed by the different schemes. The conservative and shape-preserving properties of the generalized scheme are demonstrated. Numerical experiments are conducted at several horizontal resolutions. TSPAS is compared with the Flux Corrected Transport(FCT) approach to demonstrate the differences between the two methods, and several transport tests are performed to examine the accuracy, efficiency and robustness of the two schemes.     

用氚的模拟比较被动示踪物平流输送方案

使用一个太平洋海盆尺度环流模式模拟氚的分布,并分别采用二阶中央差(CD)、通量修正输送法(FCT)、分段抛物线法(PPM)、多维正定平流输送法(MPDATA)及二阶矩法(SOM)计算流场对氚的平流输送,通过结果比较考察算法间的差异.模拟试验设定为完整物理过程情形( CASEl)及仅含平流、对流情形(CASE2).CAS...     

高纬度强对流与对流层上层水汽变化关系的数值模拟研究

应用WRF中尺度模式模拟了发生在黑龙江省西南部的一次区域性暴雨过程,通过云微物理参数化方案的敏感性试验,分析了对流云体中水汽垂直输送特征.结果表明:强对流活动使对流层上层局地水汽平均增加10倍以上,对流活动对于水汽的垂直输送以及对高层水汽含量的改变具有非常显著的作用.云微物理参数化方案,对于整个对流层水汽通量密度变化趋势有较好的表现.在不同方案中,0.5 ～9 km水汽通量密度及24 h总水汽垂直输送量,随高度变化差异较大.这是由平均垂直速度对不同方案敏感性造成的,不同的参数化方案,水汽通量最大值间最多相差可达27.9％.在不同的方案中,对流层上层加湿作用持续时间和对流层上层平均水汽混合比的最大值较敏感:对流活动可造成模拟区域对流层上层增湿持续16 ～20 h不等;对流层上层平均水汽混合比的最大值差异明显,最大可达15.8％.进行24 h平均后,上述物理量对方案的敏感性可减小到8.3％.所以,云微物理方案的不确定性对于暴雨过程的时间尺度是不可忽视的.     

青藏高原一次强对流过程对水汽垂直输送的数值模拟

本文采用中尺度天气研究预测模式(WRF)模拟了青藏高原那曲地区的一次强对流过程,分析了强对流对水汽的垂直输送量及对模式不同云微物理参数化方案的敏感性.通过与实测资料的比较,发现此次模拟在对流发生时间、地点、降水时间等方面均与实际接近.敏感性试验表明:当对流发生时,对流区域向上的水汽通量随海拔高度呈先增大后减小的趋势,该...     

Impacts of global warming on hydrological cycles in the Asian monsoon region

The hydrologic changes and the impact of these changes constitute a fundamental global-warmingrelated concern. Faced with threats to human life and natural ecosystems, such as droughts, floods, and soil erosion, water resource planners must increasingly make future risk assessments. Though hydrological predictions associated with the global climate change are already being performed, mainly through the use of GCMs, coarse spatial resolutions and uncertain physical processes limit the representation of terrestrial water/energy interactions and the variability in such systems as the Asian monsoon. Despite numerous studies, the regional responses of hydrologic changes resulting from climate change remains inconclusive. In this paper, an attempt at dynamical downsealing of future hydrologic projection under global climate change in Asia is addressed. The authors conducted present and future Asian regional climate simulations which were nested in the results of Atmospheric General Circulation Model （AGCM） experiments. The regional climate model could capture the general simulated features of the AGCM. Also, some regional phenomena such as orographic precipitation, which did not appear in the outcome of the AGCM simulation, were successfully produced. Under global warming, the increase of water vapor associated with the warmed air temperature was projected. It was projected to bring more abundant water vapor to the southern portions of India and the Bay of Bengal, and to enhance precipitation especially over the mountainous regions, the western part of India and the southern edge of the Tibetan Plateau. As a result of the changes in the synoptic flow patterns and precipitation under global warming, the increases of annual mean precipitation and surface runoff were projected in many regions of Asia. However, both the positive and negative changes of seasonal surface runoff were projected in some regions which will increase the flood risk and cause a mismatch between water demand and water availability in the agricul     

两步保形平流方案在高分辨率球面经纬网格下的跳点差分试验

尝试用一个基于有限差分的两步保形平流方案（TSPAS）替代美国国家大气研究中心第5版公用大气模式（NCAR-CAM5）欧拉-谱动力框架中的半拉格朗日传输（SLT）平流方案,并针对不同分辨率版本,计算水汽等物质的传输过程。通过设计保证守恒性的跳点差分法,解决了基于经纬网格的模式在高分辨率下由于极区纬向格距过小而造成的差分方案积分时间步长过短的问题,使得TSPAS在高分辨率下仍然可以使用较大的时间步长。理想试验表明：（1）跳点TSPAS在守恒性、数值精度（量级上）、保形性等方面均较好地保持了原TSPAS的特点,而积分步长可增大到与CAM5-SLT相同,比原TSPAS提高超过一个数量级;（2）较半拉格朗日传输方案,尽管TSPAS的耗散更大,但是在相同时间步长下更省时,且改进了半拉格朗日传输求解平流方程造成的不守恒问题。CAM5的比较试验表明：（1）采用跳点TSPAS的模式结果与非跳点计算结果相当,在高纬度跳点区域也并未出现模拟异常;（2）在高分辨率下,采用跳点TSPAS方案的CAM5模拟结果与原模式结果相近,并初步显示对东亚青藏高原南侧的虚假降水有所抑制。该工作确保了基于欧拉通量差分型的TSPAS在高分辨率模式下的大时间步长稳定积分,为解决有限差分方法在高分辨率模式发展中的相关计算问题提供了启示,为后续针对东亚地区的模式性能改进奠定了基础。     

Derivation of Cloud-Free-Region Atmospheric Motion Vectors from FY-2E Thermal Infrared Imagery

The operational cloud-motion tracking technique fails to retrieve atmospheric motion vectors(AMVs) in areas lacking cloud; and while water vapor shown in water vapor imagery can be used, the heights assigned to the retrieved AMVs are mostly in the upper troposphere. As the noise-equivalent temperature difference(NEd T) performance of FY-2E split window(10.3–11.5 μm, 11.6–12.8 μm) channels has been improved, the weak signals representing the spatial texture of water vapor and aerosols in cloud-free areas can be strengthened with algorithms based on the difference principle, and applied in calculating AMVs in the lower troposphere. This paper is a preliminary summary for this purpose, in which the principles and algorithm schemes for the temporal difference, split window difference and second-order difference(SD) methods are introduced. Results from simulation and cases experiments are reported in order to verify and evaluate the methods, based on comparison among retrievals and the "truth". The results show that all three algorithms, though not perfect in some cases,generally work well. Moreover, the SD method appears to be the best in suppressing the surface temperature influence and clarifying the spatial texture of water vapor and aerosols. The accuracy with respect to NCEP 800 h Pa reanalysis data was found to be acceptable, as compared with the accuracy of the cloud motion vectors.     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。