东亚地区陆地植被净初级生产力与夏季气候的模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP)一个海洋-大气-动态植被耦合模式(GOALS-AVIM),进行了100年模拟积分.基于模拟结果,对东亚地区的植被净初级生产力(NPP)、降水、地面气温和短波辐射的季节变化进行了标准化对比,分析了NPP的时空格局与气候因子(气温、短波辐射和降水)的关系;利用奇异值分解(SVD)对东亚夏季降水场和NPP的关系进行分解.结果表明,夏季东亚地区植被NPP及相关气候因子的时空变化规律明显,耦合模式可以很好地模拟出观测存在的降水及NPP、LAI(叶面积指数)大值区随季节北移南退的形态;由于耦合模式中AVIM的双向特点,模式模拟的NPP与其他物理场的季节变化有很强的对应关系,而且在不同时间和地区,NPP与降水、地面气温、短波辐射表现出不同的对应关系,其中植被NPP时间变化与气温和降水的相关性都较高;从NPP场和降水场夏季逐月标准化距平奇异值分解的空间分布模态来看.NPP与降水在时空场上表现出很强的耦合性,NPP的空间格局与降水存在较好的相关性,不同地理位置的相关性强弱不同,分解出的降水场异常相关模态也再现了东亚夏季降水移动的时空特征,同时东亚雨带随季节变化与NPP的气候变率表现出不同的对应模态.     

CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流模拟能力的评估

利用1960—1999年ECMWF月平均再分析资料(ERA40)和耦合模式比较计划(Phase 3 of the CoupledModel Intercomparison Project,简称CMIP3)21个气候耦合模式对20世纪气候模拟试验的模式结果,从气候态和年际变化两个方面,评估了CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流的模拟能力。结果表明:(1)模式对东亚地区冬季海平面气压、850 hPa纬向风、经向风和500 hPa高度场气候态的模拟存在不同程度的偏差,但均能较好模拟出上述要素气候态的空间分布特征。总体而言,模式对500 hPa高度场气候态的模拟效果最好,而对850 hPa经向风的模拟效果较差。(2)模式基本上能抓住近40年来东亚地区冬季500 hPa高度场的主要变化特征,但基本上不能模拟出冬季海平面气压、850 hPa纬向风和经向风的变化特征。此外,模式对阿留申低压、蒙古高压和东亚冬季风强度的变化特征几乎没有模拟能力。     

21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估Ｉ：气候态.

利用欧洲中期天气预报中心的40 a再分析资料(ERA40),评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(IPCC AR4)的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流气候态的模拟能力.结果表明:(1)尽管各模式模拟性能差异较大,但模式对东亚地区海平面气压场(SLP)、850 hPa风场及500 hPa位势高度场的气候态均有较好模拟;整体来说,500 hPa位势高度场模拟效果最好,SLP场模拟相对较差;(2)SLP在高原上模拟存在明显不足;多数模式能较好模拟850 hPa纬向、经向风场的基本特征;500 hPa位势高度场各模式模拟偏差一致性的区域性差异不明显;(3)模式对东亚地区夏季两大环流系统模拟整体偏弱,西太平洋副热带高压模拟明显偏弱.     

21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估II:年际变化

利用欧洲中期天气预报中心的ERA40再分析资料, 评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流年际变率的模拟能力,结果表明：（1）模式对东亚地区不同要素的年际变率模拟能力整体偏弱, 500 hPa高度场的模拟能力总体优于海平面气压场及850 hPa风场;（2）两大环流系统年际变率的模拟结果评估表明：就相关系数而言,副高强度、面积的模拟能力优于印度低压,多数模式能正确模拟出副高1970s后期增强的趋势;就标准差来看,模式对印度低压、印度低压东伸槽模拟效果相对较好;（3）评估三种季风指数的模拟能力结果显示,环流异常指数模拟效果略好,但多数模式都不能模拟出海陆气压差、经向风、环流异常季风指数的年际变化。     

印度洋海温异常对南亚区域净初级生产力影响的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋-大气-动态植被耦合气候模式 (GOALS-AVIM) 的模拟结果, 分析了印度洋海表温度 (SST) 变化及其与南亚陆面净初级生产力 (NPP) 的关系。模式连续运行50年, 取后40年结果分析。对模拟的印度洋海表温度距平 (SSTA) 的经验正交分解 (EOF) 进行分析, 发现第一特征向量在全区域表现为一致变化的趋势, 表明在春夏秋冬四季中印度洋海温都有一致增暖或降温的趋势, 同时赤道印度洋海温一致变化与赤道太平洋Niño3指数有滞后的正相关, 太平洋的Niño3指数变化超前印度洋海温一致变化8个月左右。第二特征向量则表现为热带印度洋SST存在着东西方向振荡的偶极子型振荡特征, 而且偶极子强度有明显季节变化, 并有很明显的季节相位锁定。印度洋SSTA的一致变化的异常趋势与南亚地区的季节和年平均NPP变化表现出很强的同期和滞后相关性; 与南亚地区年平均NPP相关性较高的印度洋夏季SST的EOF第一模态正负相位对应着不同的850 hPa流场、 500 hPa高度场以及南亚地区降水场的异常。分析表明, 印度洋及南亚地区的夏季风加强或减弱导致受南亚地区降水异常, 并使该地区NPP产生异常的增加或减少。     

10个CMIP5模式对亚澳季风环流及其变率的模拟

利用参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)的10个海气耦合模式的输出结果,比较了这些模式对6种季风指数年际变化的模拟能力,并从季风区大气环流场的气候态以及海表温度异常(SSTA)与季风的相关关系两个方面对季风指数的模拟差异原因进行了讨论。得到结论:CMIP5模式对于季风指数年际变化模拟的结果与观测资料差异较大,其中对南亚季风指数(Webster- Yang index)模拟最好,模式集合会显著改进对南亚季风指数的模拟效果;不同模式基本可以描述出各个季风区大气环流场的气候态分布特征;耦合模式对南亚季风指数模拟的关键可能在于对SSTA的年际变化以及SSTA与季风相关关系的准确模拟。      

辐射参数化方案对气候模拟和回报的影响

研究两种不同辐射参数化方案(Morcrette 方案和Ritter方案)对一个大气环流模式及其与一个海洋环流模式的耦合模式的模拟和回报效果的影响. 大气模式的模拟结果表明,采用Morcrette方案模拟的降水较采用Ritter方案有明显改进.采用Morcrette辐射方案的大气模式对夏季500 hPa高度场的模拟比采用Ritter方案的大气模式有明显改进,但对冬季500 hPa高度场的模拟没有改进.大气-海洋耦合模式的20年夏季回报结果表明采用Morcrette方案回报的夏季降水在华北和江淮地区明显比采用Ritter辐射方案好;对于夏季温度,带有Morcrette方案的耦合模式的回报在江淮地区没有带有Ritter方案的耦合模式好,但在黄河以北和新疆等地区,前者明显好于后者.     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

区域海气耦合模式对1997/1998年我国夏季气候异常的数值模拟

利用区域海气耦合模式(RegCM3-POM)设计不同的耦合时步,对我国1997/1998年夏季气候异常进行数值模拟,研究不同耦合时步对模拟结果的影响,并将耦合试验结果与单独的大气模式(RegCM3)的模拟结果进行对比分析,以验证RegCM3-POM对东亚地区气候异常的再现能力。模拟结果表明,耦合模式不同的耦合时步试验都较好地模拟出1997/1998年夏季海温的分布,对于1997/1998年海温的差异模拟结果也较为可信。以6小时作为耦合时步的耦合试验,能更好地模拟出1997年华北夏季干旱及1998年我国东部异常洪涝的特征。耦合模式对1997年华北干旱的模拟效果最为理想,而对1998年降水模拟性能较单独的大气模式结果也有一定程度的提高。在对夏季中低层(500 hPa及以下)环流场的模拟中,耦合试验表现出较好的模拟能力。从水汽输送的分析中可以看出,耦合模式能更好地模拟出1997/1998年夏季来自海洋上的水汽输送,与1997年相比,从海洋上输送到我国东部地区的水汽偏多,耦合试验较好地模拟出1997/1998年的水汽输送特征及二者之间的差异,单独的大气模式的模拟结果较差。     

全球和区域气候模式对中国东部夏季降水季节演变模拟的比较

本文利用全球海气耦合模式(MIRO3.2_hires)和区域气候模式(RegCM3)的模拟结果,分析了东亚地区夏季降水和大气环流的季节演变特征,并与NCEP/DOE再分析资料和降水观测资料进行了对比分析.结果表明,全球和区域气候模式都能反映出中国东部地区夏季平均环流场和降水场气候态分布的基本特征,但全球模式模拟的雨带范...     

Climate-Vegetation Interannual Variability in a Coupled Atmosphere-Ocean-Land Model

The coupled models of both the Global Ocean-Atmosphere-Land System (GOALS) and the Atmosphere-Vegetation Interaction Model (GOALS-AVIM) are used to study the main characteristics of interannual variations. The simulated results are also used to investigate some significant interannual variability and correlation analysis of the atmospheric circulation and terrestrial ecosystem. By comparing the simulations of the climate model GOALS-AVIM and GOALS, it is known that the simulated results of the interannual variations of the spatial and temporal distributions of the surface air temperatures and precipitation are generally improved by using AVIM in GOALS-AVIM. The interannual variation displays some distinct characteristics of the geographical distribution. Both the Net Primary Production (NPP) and the Leap Area Index (LAI) have quasi 1-2-year cycles. Meanwhile, precipitation and the surface temperatures have 2--4-year cycles. Conditions when the spectrum density values of GOALS are less than those of GOALS-AVIM, tell us that the model coupled with AVIM enhances the simulative capability for interannual variability and makes the annual cycle variability more apparent. Using Singular Value Decomposition (SVD) analysis, the relationship between the ecosystem and the atmospheric circulation in East Asia is explored. The result shows that the strengthening and weakening of the East Asian monsoon, characterized by the geopotential heights at 500 hPa and the wind fields at 850 hPa, correspond to the spatiotemporal pattern of the NPP. The correlation between NPP and the air temperature, precipitation and solar radiation are different in interannual variability because of the variation in vegetation types.     

Recent Researches on the Short-Term Climate Prediction at IAP－A Brief Review

回顾了近年来在中国科学院大气物理研究所开展的有关短期气候预测研究的进展。第一个短期气候数值预测是曾庆存等利用一个耦合了热带太平洋海洋环流模式的全球大气环流模式作出的。1997年，一个基于海气耦合模式的ENSO预测系统，包括一个海洋初始化方案被建立起来，同时也开展了基于海温异常的东亚气候可预测性研究。利用气候变动的准两年信号，王会军等提出了一个可以显著改进模式预测准确率的模式结果修正方案。为了考虑土壤湿度的初始异常对夏季气候的影响，一个利用大气资料如温度、降水等经验地反演土壤湿度的方法也被建立起来。还通过一系列的数值试验研究了 1998年夏季大水发生当中海温异常和大气环流初始异常的作用。     

Recent Researches on the Short-Term Climate Prediction at IAP－A Brief Review

Studies on the seasonal to extraseasonal climate prediction at the Institute of Atmospheric Physics (IAP) in recent years were reviewed. The first short-term climate prediction experiment was carried out based on the atmospheric general circulation model (AGCM) coupled to a tropical Pacific oceanic general circulation model (OGCM). In 1997, an ENSO prediction system including an oceanic initialization scheme was set up. At the same time, researches on the SST-induced climate predictability over East Asia were made. Based on the biennial signal in the interannual climate variability, an effective method was proposed for correcting the model predicted results recently. In order to consider the impacts of the initial soil mois ture anomalies, an empirical scheme was designed to compute the soil moisture by use of the atmospheric quantities like temperature, precipitation, and so on. Sets of prediction experiments were carried out to study the impacts of SST and the initial atmospheric conditions on the flood occurring over China in 1998.     

一个海洋-大气-动态植被耦合模式评估——海洋环流模拟

利用中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的全球耦合模式(GOALS〖CD*2〗AVIM),进行了100年积分。利用后40年的结果对模式耦合植被动态过程（AVIM）前后输出的海洋物理场对比分析。结果表明：耦合AVIM后的模式可以合理地模拟全球海洋温盐环流的气候态、季节变化,可以改进模式的模拟效果,在一定程度上克服了耦合AVIM前模式的缺点,使模拟结果更接近实测。由于植被〖CD*2〗大气的双向作用,在季节变化的模拟中,9月的改进效果大于3月的,北半球大于南半球;对于年平均气候态,耦合AVIM后的模式结果在热带海区海表面温度（SST）的模拟效果得到了明显改善,尤其是赤道太平洋海区的海温偏低现象得到了改善;在年际变化的模拟中,改善了耦合AVIM前模式模拟的年际变化分布,加大了赤道太平洋的标准差的模拟,使得耦合AVIM后模拟的年际变化大于耦合前;增强了耦合模式对赤道太平洋ENSO的模拟能力,较耦合AVIM前的模式模拟出了更多的ENSO基本特征,也改善了耦合AVIM前ENSO变化周期偏弱、偏短的现象;同样改善了对气候系统中存在的相互作用的模拟,对于热带印度洋SST变化与赤道太平洋SST的相互关联的模拟中,更加真实地模拟出了气候系统中存在的相互关联关系,体现出了AVIM动态植被过程对气候耦合模式的改善。     

南海年际尺度海气相互作用的初探

本文分析了南海海洋大气系统短期气候变化中存在年际振荡的若干观测事实，提出了局地尺度南海海洋与低层大气相互作用的一种可能机制。针对南海表层水温距平和低层风场异常的相关，设计了一个类似与ＭｃＣｒｅａｒｙ和Ａｎｄｅｒ－ｓｏｎ（１９８４）模型的简化海气耦合模式。大气部分为随下垫面海温变化而变化的异常风应力阶梯函数与季节性风场的联合；海洋部分为非线性β－平面的约化重力模式。考虑南海海洋大气相互作用中存在的海温与低层大气风场变化之间反馈过程，耦合模式在气候积分中表现出一类约３ａ的周期性年际振荡。说明这个区域ＳＳＴ、低层大气风场年际振荡是南海海盆尺度的海气相互作用的反映，改进了关于南海ＳＳＴ年际振荡是海洋对大气应力甚低频强迫响应的认识     

一个海气耦合环流模式中的ENSO循环特征及控制机理

本文利用中科院大气所两层全球大气环流模式和十四层热带太平洋模式的耦合环流模式１００年积分中的后３０年的月平均输出资料,通过分析海表面温度、上层海洋热容量和海表面高度异常的年际变化,揭示了模式ＥＮＳＯ循环（包括其产生、发展、成熟和消亡过程）的特征及其控制机理。结果表明,控制本文耦合环流模式中ＥＮＳＯ循环的机理是“时滞振子”模态,这和由中间复杂程度耦合模式得到的ＥＮＳＯ控制机理是一致的。反映了“时滞振     

冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系

利用ERA-Interim的海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)再分析资料和中国160站的降水观测资料,分析了冬季各月(当年12月、次年1月和2月)北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO)的年际变化特征,及其与我国同期降水异常之间的联系。结果表明:1)冬季各月NPO指数的年际变化较为显著,但各月NPO指数年际变化之间的相关性较差,1979—2012年冬季12月与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,而1月与2月NPO指数的相关系数仅为-0.003,均没有通过信度检验。2)1月和12月NPO指数年际变化与同期我国黄淮流域降水异常之间存在明显的正相关,而2月NPO指数年际变化与同期我国华北降水异常之间为明显的负相关。3)当1月(12月)NPO指数增加1个标准差时,我国黄淮流域降水量比多年平均值增加约50%(40%);而当2月NPO指数增加1个标准差时,我国华北降水量比多年平均值减少约30%。