青藏高原西部一次高原涡生成的数值模拟研究

使用ERA5、ERA-Interim和FNL 3种常用再分析/分析资料驱动WRF模式对2006年8月14日青藏高原西部的一次高原涡活动进行数值模拟,在评估不同再分析资料驱动WRF模式对高原涡的模拟能力基础上,利用涡度收支、视热源和视水汽汇方程,诊断分析高原涡生成过程中的热力和动力结构特征。结果表明,使用ERA5和ERA-Interim资料驱动WRF模式可模拟再现出此次高原涡的生成过程,其中ERA5对高原涡低层闭合性气旋环流和螺旋云带结构特征的模拟再现能力最好,模拟的高原涡及其降水强度最强;使用FNL资料驱动WRF模式无法模拟再现出高原涡生成过程及其降水分布特征。此次高原涡生成过程中气旋性正涡度的发展、热量和水汽的收支与其低层的垂直输送密切相关;高原涡生成前地表感热加热作用明显;生成阶段积云对流发展最为旺盛,降水最为显著,热量和水汽的垂直输送及相应的大气凝结潜热加热明显,对高原涡的发展有促进作用。     

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。     

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。     

青藏高原及其下游地区降水厚度季、日变化的气候特征分析

利用10年的TRMM卫星降水雷达观测资料, 首次对青藏高原及其下游平原及海洋地区降水厚度的地区差异进行了对比分析, 并对青藏高原及其周边地区对流和层云降水厚度的水平分布及其日变化和季节变化进行了统计分析, 结果表明: (1) 青藏高原地区对流和层云降水厚度都要比下游平原地区更为浅薄, 东部海洋地区对流降水厚度比平原地区小, 而层云降水厚度与平原地区相当。青藏高原及其下游平原地区对流降水厚度的日变化特征非常明显, 海洋地区对流降水厚度日夜差异则不大。层云降水厚度在各地区的日变化特征都不明显。青藏高原、下游平原及海洋地区对流和层云降水厚度的季节变化都非常明显, 从冬至夏, 对流和层云降水逐渐变得深厚, 而从夏入冬, 对流和层云降水则逐渐变得浅薄。(2) 青藏高原及其周边地区对流和层云平均降水厚度的分布形式和降水量分布具有较好的对应关系, 降水量大的地区其降水厚度一般较为深厚, 降水少的地区则降水厚度比较浅薄。对流和层云降水厚度存在明显差异, 对流降水一般要比层云降水深厚。青藏高原及其周边地区降水厚度水平分布的日夜差距不大, 但季节变化非常明显, 且与气候系统的季节变化紧密相关。     

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。     

针对江苏省气温和降水的高分辨率降尺度模拟及预估北大核心

本文利用WRF模式,以25 km分辨率数值模拟结果作为驱动场,对江苏省现代和未来15 a的气候进行5 km高分辨率降尺度模拟及预估。结果显示,高分辨率降尺度模拟对其驱动场具有显著的提高,降水的负偏差和气温冷偏差均有所降低,其模拟的降水与气温概率分布与观测更为接近;对于极端指数,WRF模式能够模拟出其基本分布,除连续湿润日数CWD和极端高温TXx之外,高分辨率模拟对其他指数的模拟均有显著的提升。在RCP8.5排放情景下对未来气候变化的预估表明,江苏降水在夏季以减少为主,在春季则以增加为主,全年平均降水存在减少趋势;未来0~1 mm·d^(-1)的微弱降水发生概率将增加,小雨、中到大雨以及暴雨发生的概率均降低,而暴雨强度的增强导致极端强降水R95显著增加;气温25℃以上高温发生的概率在未来有所增加,而0℃以下的低温发生概率减小,从而导致暖持续日数显著增加,而冷持续日数减小,另外,极端高温和极端低温都有显著的升高。     

6.25 km高分辨率降尺度数据对21世纪长江经济带极端气候事件及其风险的集合预估

使用基于动力降尺度和统计降尺度方法得到的RCP4.5情景下的6.25 km高分辨率联合降尺度预估数据集,对长江经济带未来极端气候事件及其造成的风险展开评估和预估。结果表明：降尺度预估数据能较好的再现各极端温度指数和大部分极端降水指数的空间分布,但一些极端降水指数的偏差略大。未来长江经济带极端热事件将增加,冷事件减少;长江中游东部和下游的极端降水事件将增加,上游地区东南部发生干旱事件的可能性大。长江经济带以及上游、中游和下游3个分区的高温事件和强降水事件的国内生产总值（GDP）暴露度都将增加;人口暴露度呈先增后降的变化趋势。高温事件的GDP暴露度的分布因子和非线性因子的贡献同样重要,人口暴露度中分布因子的影响更大;强降水事件的暴露度主要取决于GDP或人口分布因子。     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

青藏高原未来30～50年A1B情景下气候变化预估

基于政府间气候变化委员会第四次评估报告(IPCC-AR4)所采用的20个气候模式在未来大气温室气体中等排放情景(A1B)下模拟结果的集合平均以及一个全球气候模式模拟输出驱动下的动力降尺度(downscaling)分析结果,对青藏高原地区未来30～50年的气候变化趋势进行了预估研究.结果表明,从2030-2049年相对于1980-1999年气候平均值的变化来看,青藏高原大部分地区年平均地面气温的升温幅度在1.4～2.2℃之间,高海拔地区的增温一般更为显著,西藏西部的冬季增暖将达到2.4℃以上.降水量的变化相对较小,青藏高原大部分地区和全年多数季节降水可能增加,但未来30～50年青藏高原地区降水率增量通常不超过5%.考虑到未来大气温室气体排放程度、多模式集合预估以及区域尺度气候模拟等多方面均可能存在不确定性,这里给出的青藏高原未来气候变化预估结果应适时检验和修正.     

BCC第二代模式系统产品对重庆2016年汛期降水预测的动力降尺度评估

为了解国家气候中心第二代季节预测模式系统(BCCv2)预测产品在重庆地区的动力降尺度效果,利用WRF模式对BCCv2的2016年汛期预测数据进行动力降尺度试验,对比了动力降尺度前后预测的重庆地区汛期平均降水的差异及采用不同边界层参数化方案对降水预测的影响。试验结果表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对重庆地区汛期降水预测整体偏少的情况,且在降水空间分布特征上与观测更加接近。对比采用不同边界层参数化方案(MYJ、MYNN2、YSU和ACM2)后的降水预测结果可知,YSU方案偏差较小;但从整体看,各方案间差异并不明显。对环流场的偏差分析以及进一步利用松弛逼近法进行的试验表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对青藏高原以南和中国南部地区位势高度预测的正偏差,并能改善降尺度前其对高原南部偏西风水汽输送预测的偏弱,但对两广一带向北水汽输送预测依然较弱;边界场在环流形势预测中的偏差可能与动力降尺度预测的重庆地区汛期降水整体偏少存在联系。     

WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

采用NCEP的FNL再分析资料驱动WRF模式,对中国10 a(2000—2009年)夏季降水进行双重动力降尺度(双重嵌套)模拟,将子、母区域模拟结果和观测进行对比,以检验双重动力降尺度对中国夏季降水模拟的"增值"能力。结果表明:单重动力降尺度(单重嵌套)方法能较好模拟出中国10 a夏季平均降水的空间分布,对季风雨带"北跳"特征模拟较好,但模拟降水具有系统性正偏差。在母区域的强迫下,双重动力降尺度模拟的降水分布与单重动力降尺度相比,没有发生根本性变化。但由于子区域的分辨率要高于母区域,双重动力降尺度比单重动力降尺度能提供更多有价值的降水细节。双重动力降尺度的这种"增值"能力存在地域依赖性,在华南地区和江淮地区,双重动力降尺度模拟出的降水分布、量值和逐日演变都要好于单重动力降尺度。但在华北地区,双重动力降尺度没有表现出明显的"增值"。     

RegCM3 CORDEX东亚试验模拟和预估的中国夏季温度变化

按照CORDEX (COordinated Regional Downscaling Experiment) 计划试验设计要求,利用中国科学院大气物理研究所全球模式FGOALS-g2的数据驱动区域气候模式RegCM3,针对1986~2005年历史气候和2010~2065年RCP8.5排放情景下气候预估,对东亚地区进行了50 km动力降尺度模拟。首先评估了RegCM3模式及驱动模式FGOALS-g2对1986~2005年夏季中国地表气温和极端高温事件的模拟能力,然后比较了两个模式在RCP8.5排放情景下对中国夏季地表气温和极端高温事件预估的变化,重点分析了动力降尺度结果的优势。结果表明,两个模式均能合理再现夏季中国地表气温和极端高温事件的大尺度气候态特征。相对于全球模式,区域模式由于水平分辨率较高,能在刻画地表气温分布的细节上体现出优势。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的三个地表气温指标均显著升高,到21世纪中期 (2046~2065年),两个模式预估的全国平均地表气温增幅相当,气温日较差变化均较小。在FGOALS-g2模式预估中,到21世纪中期,三个地表气温指标的增幅相当,气温日较差没有明显变化,东北和青藏高原的地表气温增幅最大。在RegCM3模式预估中,到21世纪中期,中国大部分地区日最高气温 (Tmax) 增幅大于日最低气温 (Tmin) 增幅,气温日较差增加;而在青藏高原西部,Tmax的增幅较Tmin偏低,气温日较差减小。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的极端高温事件到21世纪中期也显著增加,RegCM3模式预估的极端高温事件全国平均增幅略高于FGOALS-g2模式的预估。在两个模式的预估中,日最高气温最大值 (TXx)、暖昼指数 (TX90p) 和持续暖期指数 (WSDI) 变化的空间分布特征与Tmax相似;和当代相比TX90p增加了60%以上,而WSDI增加了一倍以上。     

青藏高原土壤湿度触发午后对流降水模拟试验研究

利用WRF模式设计敏感性试验并结合CTP-HI_(low)框架(对流触发潜能-低层大气湿度指数)研究了青藏高原土壤湿度变化对午后对流触发和抑制的影响。结果表明,WRF模式对青藏高原降水空间分布体现出了较好的模拟效果,且当土壤湿度减少时,对青藏高原西部降水的模拟有一定的改进。从整体上看,青藏高原地区夏季降水主要受大尺度环流控制,其比例占60%~90%,在高原中部、西南部地区以及东北部区域土壤湿度对降水的影响相对较大。模拟结果显示,当土壤湿度变干时,正反馈作用发生的情况多于负反馈,也就是说更多的情况下是变干的土壤抑制午后对流降水的发生,但也有一部分区域表现为变干的土壤触发午后对流降水的发生,即负反馈。高原西北部较干旱地区由于负反馈所引发的对流降水占总降水的比例较高原其他地区大,最大的影响可达总降水量的80%以上,其机理主要是由于变干的土壤影响地表通量的分配,增加了地表加热大气的感热通量,进一步使大气边界层快速发展,到达自由对流高度后,发生降水。通过对比控制试验和敏感性试验的CTP和HIlow的值可以发现不同年份对应的CTP和HI_(low)的阈值存在一定的差异,表明土壤湿度是通过同时对地表能量和大气湿度状况协同影响,从而对午后对流触发产生作用。     

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。     

环太湖地区土地利用变化的局地气候效应

利用WRF模式和1985年、2005年环太湖区域的土地利用资料,模拟了环太湖区域土地利用变化的局地气候效应,并从陆面过程的角度进行了分析。模拟结果显示：城市扩张区域净短波辐射通量增多,地面温度升高,感热通量增大,潜热通量减小。近地面水平风场在城市化地区风速减小,在城市化带方向上形成狭长的动能衰减区域。湖陆风和城市热岛环流增强,城市化地区向上垂直速度增大,积云性降水增多。老城区和郊区下沉运动增强,对流受到抑制,积云性降水减少。层云降水的改变,集中在层云降水的大值区,且多呈带状分布。总降水在城市化区域增强,在老城区和郊区减少,积云性降水占总降水的比值增大。在土地利用没有变化的区域,降水的改变与地表能量通量的改变在空间分布上大致吻合。     

基于BP-CCA统计降尺度的中亚春季降水的多模式集合模拟与预估

利用中亚地区30个观测台站逐月降水资料及同期ERA-40再分析资料,结合8个CMIP5全球气候模式模拟与未来预估大尺度环流场,使用基于变形典型相关分析的统计降尺度方法（BP-CCA）建立降尺度模型,评估多个气候模式对当前气候下中亚地区春季降水的降尺度模拟能力,并对春季降水进行降尺度集合未来预估。结果表明,建立的降尺度模型能够很好地模拟出交叉检验期内春季降水的时间变化和空间结构：降尺度春季降水与相应观测序列的平均时间相关系数为0.35,最高为0.62,平均空间相关系数为0.87。气候模式对中亚春季降水的模拟能力通过降尺度方法得到了显著提高：8个模式降尺度后模拟的降水气候平均态相对误差绝对值降至0.2%—8%,相比降尺度前减小了10%—60%,模拟的降水量场与相应观测场的空间相关均超过0.77;对比降尺度前多模式集合结果,多模式降尺度集合模拟的相对误差绝对值由64%减小至4%,空间相关系数由0.47增大至0.81,标准化均方根误差降至0.59,且多模式降尺度集合结果优于大部分单个模式降尺度结果。多模式降尺度集合预估结果表明,在RCP4.5排放情景下,21世纪前期（2016—2035年）、中期（2046—2065年）和末期（2081—2100年）的全区平均降水变化率分别为-5.3%、3.0%和17.4%。21世纪前期中亚大部分地区降水呈减少趋势,降水呈增多趋势的站点主要分布在南部。21世纪中期整体降水变化率由减少变为增多趋势,21世纪末期中亚大部分台站降水增多较为明显。21世纪初期和末期可信度高的台站均主要位于中亚西部地区。     

高原涡与西南涡相互作用引发暴雨过程及云系特征分析

使用中国新一代FY-4A卫星、GPM卫星的降水雷达等多源观测数据,选择两次高原涡与西南涡相互作用的暴雨个例,分析了两涡作用下盆地中尺度降水云系的空间结构特征。结果表明:西南涡与高原涡耦合作用下产生中尺度对流复合体MCC云系,短时强降水主要发生在MCC发展至成熟阶段,强降水区的云顶亮温值低于-60℃,云顶高度在12 km左右;西南涡与高原涡相互作用时,云顶亮温低值区的中心位置和强度与同时刻强降水特征很好对应;降水云体中对流性降水粒子的反射率因子在低层快速增长,层云性降水粒子的反射率因子强度增长的区域为零度亮带层附近;对流性降水雨强远大于层云,其粒子半径也大于层云降水,而对流性降水粒子的浓度高于或等于后者;层云对总降水量的贡献大于对流云,且层云降水量表现出大小均匀的粒子积聚的结果;对流性降水率垂直分布柱状明显且有云墙,层云性降水率垂直分布呈不规则柱状且没有显著的云墙,降水率均随海拔高度的升高而减小,5 km以下对流层对总降水量的贡献最大。     

青藏地区地球轨道变化对地形依赖性的数值模拟研究

利用美国大气研究中心(NCAR)的公用气候系统模式(CCSM2.01)进行了一组改变青藏高原地形高度和地球轨道(岁差)参数的数值模拟试验,以探讨青藏地区地球轨道和地形变化对高原气候的影响。结果表明:同样的岁差强迫,青藏地区与湿度相关的各种气候要素(如降水、地表径流、降雪和积雪深度)在高地形情况下的响应要比在低地形情况下的响应强烈得多。当近日点的时间由现代的1月份变为7月份时(如距今约1万年前的全新世初期),会造成高原中南部及高原南侧夏季降水和径流显著增加,冬季高原西北部降雪增加,但高原中南部的冬季降雪却会明显减少。上述区域气候变化特征与岁差强迫下大气环流的改变密切相关。这些数值模拟结果也有助于理解该地区相关地质气候记录中青藏高原隆升过程对轨道尺度气候变率的调制作用。     

WRF模拟青藏高原东南部极端旱涝年降水的参数敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对青藏高原地区极端气候的模拟能力,利用WRF模式,采用不同模式参数(包括边界位置、积云对流、边界层参数化方案和水平分辨率)模拟了青藏高原东南部极端旱(2006年)、涝(1998年)年夏季降水。对比不同参数模拟的降水结果表明:整体而言,无论是旱年还是涝年,除南边界以外的模式边界位置对高原主体和东南部降水模拟的影响较小;边界层方案对降水空间形态的模拟影响较小,而对降水量级的影响较大;积云对流方案对降水空间形态和量级的影响均较大;采用15 km水平分辨率时可显著改善模式对高原主体和东南部降水的模拟水平。WRF采用适当的参数组合能较好地模拟高原主体和东南部降水的空间分布,但降水量偏大。整体而言,能较好模拟旱年降水的边界层和积云对流参数化方案组合也能较好模拟涝年降水。模式模拟的高原南侧降水偏多可能使高原南侧西风偏强,并进一步造成云南西南部降水偏多;湖南南部降水偏多可能在云南东北部至贵州地区激发出较强的气旋式环流偏差,该偏差环流在四川盆地形成异常强的偏北风,导致低纬度地区进入四川盆地的水汽偏小,从而在四川盆地形成明显的相对干偏差。因此,模式在四川盆地降水模拟能力的提高不仅要做好参数的本地化工作,还需要关注盆地以外地区的影响。     

FGOALS/RegCM动力降尺度对南亚夏季气候变化的预估

基于CORDEX计划的试验设计,利用区域气候模式Reg CM3对全球模式FGOALS-g2在RCP8.5情景下的预估结果进行动力降尺度,预估了南亚地区未来近期(2016~2035年)和远期(2080~2099年)的夏季气候变化特征。结果显示,未来两个时段的气候变化空间分布类似,只是远期的变化幅度更大。具体表现为:高低空急流减弱,低空急流中心向北移动。南亚地区整体降水减少,但其北部降水显著增加。降水变化的空间分布主要受降水频率的控制,且降水频率随强度分布的变化表现出明显的地域差异。降水的未来变化特征与水汽输送的变化有密切联系。在区域模式中,受低空急流减弱和北移的影响,水汽输送减弱,对应降水减少。而在全球模式中,虽然季风环流也在减弱,但可降水量增加起主导作用,使得预估的水汽输送增强、降水量增加。