区域气候模式在东亚地区的应用研究——垂直分辨率与侧边界对夏季季风降水影响研究

将美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式（RegCM2-1996）设置在东亚-西太平洋区域（简称东亚区域气候模式RegCM2/EA）。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题，即：垂直分辨率的影响，侧边界条件（如嵌套技术、缓冲区宽度、不同资料）的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式，但容易引起“数值点暴雨”；RegCM2/EA与不同来源的大尺度侧边界嵌套，模拟的降水会有明显的不同；当用RegCM2/EA模拟较大区域时，应该取较宽的缓冲区；在各种嵌套方案中，指数松弛嵌套方法最好。这些结果为进一步探讨东亚区域气候模式的特点以及发展与改造区域气候模式提供一定的依据。研究结果还需要用更多的数值试验来验证。     

一个包含土壤和植被的区域气候模式及其性能检验

本文研制了一个三维地气耦合的区域气候模式，该模式由大气、土壤和植被三个子模式组成，各子模式间通过动量、能量和水份交换过程进行相互作用。在大气子模式中提出用z-z*混合坐标系处理地形的新方法，并把诊断分析中的散度修订方案引入数值模式，使其在物理依据上更加合理。此外，模式中较为详细地考虑了影响区域气候形成和变化的物理过程。简单的数值试验表明，区域气候模式比较真实地模拟了土壤和植被冠层的温度日变化，对区域气候平均态也有一定的模拟能力，可较好地处理大地形，具有良好的稳定性能，并对下垫面热力非均匀性的响应也是敏感的。     

P-σ坐标系区域气候模式与GCM的嵌套试验

将P-σ坐标系区域气候模式与大气环流模式（GCM）单向嵌套，对我国1998年夏季长江流域严重洪涝进行模拟试验，并与GCM的模拟结果进行了比较。试验表明，嵌套的区域气候模式对降水场的模拟结果较GCM的结果有明显的改进，这是由于P-σ坐标系区域气候模式能够更真实地描述地形的动力和热力作用，因而能更准确地模拟青藏高原及其邻近地区的气压系统，在一定程度上弥补了低分辨率的GCM模拟在高原地区的不足，文中指出，与GCM嵌套的区域气候模式比GCM能够更有效地模拟区域气候的变化，尤其是对区域气候性特征比较明显的地区。     

温室效应引起的中国区域气候变化的数值模拟Ⅰ:模式对中国气候模拟能力的检验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,进行了CO2加倍对中国区域气候变化影响的数值试验研究,分析了控制试验(1×CO2)即模式对中国当代气候的模拟情况.首先给出了全球模式控制试验在中国地区的结果,分析表明它对中国区域的地面气温和降水具有一定的模拟能力,其结果可以用来制作驱动区域气候模式的初始场和侧边界.对RegCM2 5 a时间长度控制试验积分结果的分析与检验表明,区域气候模式由于具有较高的分辨率和较完善的物理过程,它对中国区域地面气温和降水的模拟效果较全球模式有了较大提高,如它模拟的各月气温与实况的相关系数全年12个月的平均由全球模式的0.83提高到0.92,降水由0.48提高到0.65.     

土地利用变化对我国区域气候影响的数值试验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,通过将中国区域植被覆盖由理想状况改变为实际状况的数值试验对比分析,探讨了当代中国土地利用变化对中国区域气候的影响,并对结果进行了统计显著性检验。研究表明,土地利用的变化,会导致我国西北等地区年平均降水减少,导致年平均气温在内陆部分地区升高和在沿海个别地区降低,引起许多地方夏季日平均最高气温升高,而冬季日平均最低气温则在我国东部部分地区降低的同时在西北地区升高,土壤湿度的变化表现为大范围的降低。研究同时表明,相同的土地变化在不同的地理环境下引起的气候要素变化有一定的不一致性。     

气候模式一重,二重区域嵌套方案的试验研究

本文采用美国俄勒岗州立大学(OSU)两层大气环流模式,进行一重、二重嵌套区域气候模式的试验研究。研制细网格区域模式是目前气候模式发展的一个重要方向。本文实施一重、二重嵌套方案的月平均模拟结果表现了实现多重嵌套区域气候模式的可行性,即模拟平均场能够描述区域气候特征,且具备在细网格(d/2或d/4)感兴趣区域添加更详细资料(地形、植被等)的条件;本文运用An(?)hes等(1989)提出的张弛逼近方案处理侧边界,在一重、二重嵌套试验中均取得较佳计算结果。     

p-σ九层C型跳点网格区域气候模式及其模拟性能检验

通过构建C网格的p-σ九层区域气候模式的差分方案,将C型跳点网格引入p-σ九层区域气候模式.通过对东亚地区1月和7月气候平均场及2003年夏季降水进行数值模拟,检验了C型跳点网格对p-σ九层区域气候模式模拟性能的影响.数值试验结果表明,C型跳点网格的p-σ九层区域气候模式对东亚区域气候的模拟能力有一定的提高,其中包括对流层低层风场和气温场的模拟都有了一定程度的改进,对风场的改进尤为明显.由于风场得到了改进,进而对降水的模拟能力也有所提高,为区域气候模式的进一步发展奠定了基础.     

一个引入近地层的区域气候模式

把近地层引入到NCAR的区域气候模式RegCM2中(简称为RCMC1)，用该模式及1991年梅雨期间的观测资料作了3组模拟试验，并同实况进行了比较。结果表明，在区域气候模式中引入近地层后，能够更合理的模拟出地表及植被同大气之间的感热和潜热通量输送，从而改善模式模拟的月降水及月平均地面温度的分布。l0层的RCMC1比18层RCM具有更优的模拟气候的能力，且一个模式天的计算量节省227s。     

月尺度区域气候数值预测试验

将９层全球气候谱模式与ＣＳＵ－ＲＡＭＳ中尺度数值式嵌套,进行了月尺度的短期区域气候预测试验。结果表明：ＧＣＭ模式的集合预报能够反映较大尺度的平均环流;在此基础上,被嵌套的ＣＳＵ－ＲＡＭＳ中尺度模式能够得到更为细致的区域环流特征以及它的短期气候尺度的演率。ＧＣＭ模式与中尺度模式相结合的“区域气候数据模式”是了解短期区域气候变化的有效方法之一。     

区域和全球模式的嵌套技术 及其长期积分试验

将区域模式嵌入澳大利亚CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的全球模式中,并将其应用于区域模式的长期气候积分试验。模拟结果表明,当区域与全球模式嵌套时,边界吸收问题十分重要,由区域模式得到的高分辨率大尺度环流形式在边界上必须与全球模式提供的强迫一致,同时区域模式必须给出基于模式内部物理过程产生的高分辨信息。因此,在嵌套过程中,必须仔细考虑缓冲区的设置,使大尺度强迫与中尺度特征充分混合,既保持区域模式内外的一致性,又使区域内部中尺度强迫物理过程得到充分发展。将区域模式与澳大利亚CSIRO的9层21波三角形截断谱模式嵌套后,完成了连续3年的区域气候模式积分。模拟结果表明,由于区域模式较好地刻划了区域尺度的地形、下垫面和海岸线分布等的细节特征,模拟的区域气候特征比全球模式有较大的改进,尤其是对季风降水的模拟,区域模式明显改进了全球模式的模拟结果。     

植被覆盖变化对区域气候影响的研究进展

陆面植被覆盖变化作为全球及区域气候变化的重要影响因素之一，在近几十年来逐渐受到科学家们的关注，特别是通过大量的数值模拟研究了不同陆面覆盖状况对大气和气候变化的影响，取得了重要进展。研究结果普遍认为，植被覆盖变化通过改变地表反照率、粗糙度和土壤湿度等地表属性，从而影响辐射平衡、水分平衡等过程，最终可以导致区域降水、环流形势及大气温度、湿度等气候变化。总结了近十年国内外的相关研究及初步成果，尤其是植被变化对中国区域气候的影响，大部分研究认为，大范围植被退化使我国地表温度升高，东亚夏季风环流减弱，降水减少，使华北干旱加剧。同时指出了研究中存在问题及今后的工作重点。     

Towards quantifying uncertainty in transient climate change

Ensembles of coupled atmosphere–ocean global circulation model simulations are required to make probabilistic predictions of future climate change. “Perturbed physics” ensembles provide a new approach in which modelling uncertainties are sampled systematically by perturbing uncertain parameters. The aim is to provide a basis for probabilistic predictions in which the impact of prior assumptions and observational constraints can be clearly distinguished. Here we report on the first perturbed physics coupled atmosphere–ocean model ensemble in which poorly constrained atmosphere, land and sea-ice component parameters are varied in the third version of the Hadley Centre model (the variation of ocean parameters will be the subject of future study). Flux adjustments are employed, both to reduce regional sea surface temperature (SST) and salinity biases and also to admit the use of combinations of model parameter values which give non-zero values for the global radiation balance. This improves the extent to which the ensemble provides a credible basis for the quantification of uncertainties in climate change, especially at a regional level. However, this particular implementation of flux-adjustments leads to a weakening of the Atlantic overturning circulation, resulting in the development of biases in SST and sea ice in the North Atlantic and Arctic Oceans. Nevertheless, model versions are produced which are of similar quality to the unperturbed and un-flux-adjusted version. The ensemble is used to simulate pre-industrial conditions and a simple scenario of a 1% per year compounded increase in CO₂. The range of transient climate response (the 20 year averaged global warming at the time of CO₂ doubling) is 1.5–2.6°C, similar to that found in multi-model studies. Measures of global and large scale climate change from the coupled models show simple relationships with associated measures computed from atmosphere-mixed-layer-ocean climate change experiments, suggesting that recent advances in computing the probability density function of climate change under equilibrium conditions using the perturbed physics approach may be extended to the transient case.     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

CERES-Wheat模型在我国小麦区的应用效果及误差来源

气候模型与作物模型耦合是评价未来气候变化对作物生产影响的常用方法之一, 但当两者结合时, 存在着空间和时间尺度差异问题, 将作物模型升尺度到区域是解决该差异的一种方法。将CERES-Wheat模型升尺度进行区域模拟, 利用区域校准后的CERES-Wheat模型, 模拟了1981—2000年全国各网格小麦产量, 与同期农调队调查产量相比较, 以探讨CERES-Wheat模型在我国小麦区的模拟效果及误差来源。结果表明:全国小麦产量的区域模拟值与农调队调查产量的相对均方根误差为27.9%, 符合度为0.75, 全国59.2%的模拟网格相对均方根误差在30%以内, 其中相对均方根误差小于15%的占26.3%;各区的效果不同, 种植面积最大的小麦种植生态2区, 模拟效果最好。总体来说, CERES-Wheat的区域模拟, 可以反映产量变化规律, 能为宏观决策提供相应信息, 尤其是在主产区; 但区域模拟中还存在一系列误差, 今后还需进一步研究。     

A global perspective on African climate

We describe the global climate system context in which to interpret African environmental change to support planning and implementation of policymaking action at national, regional and continental scales, and to inform the debate between proponents of mitigation v. adaptation strategies in the face of climate change. We review recent advances and current challenges in African climate research and exploit our physical understanding of variability and trends to shape our outlook on future climate change. We classify the various mechanisms that have been proposed as relevant for understanding variations in African rainfall, emphasizing a “tropospheric stabilization” mechanism that is of importance on interannual time scales as well as for the future response to warming oceans. Two patterns stand out in our analysis of twentieth century rainfall variability: a drying of the monsoon regions, related to warming of the tropical oceans, and variability related to the El Niño–Southern Oscillation. The latest generation of climate models partly captures this recent continent-wide drying trend, attributing it to the combination of anthropogenic emissions of aerosols and greenhouse gases, the relative contribution of which is difficult to quantify with the existing model archive. The same climate models fail to reach a robust agreement regarding the twenty-first century outlook for African rainfall, in a future with increasing greenhouse gases and decreasing aerosol loadings. Such uncertainty underscores current limitations in our understanding of the global climate system that it is necessary to overcome if science is to support Africa in meeting its development goals.     

城市气象研究动向的思考

基于近年来城市气象观测与模拟研究的最新进展,展望了城市气象未来的发展方向和重点研究领域,主要包括以下六个方面：城市气象数值模拟、新观测技术及同化应用、观测与数值模拟互动、城市化对天气气候影响机理、城市气候资源利用与热岛效应减缓措施,以及城市化对大气环境及人体健康的影响。指出了城市冠层模式发展、城市水文过程及城市降水、城市边界层及其他模式物理过程和模式评估等方面亟需解决的关键科学问题。     

A framework for regional modeling of past climates

Summary The methods of reconstructing ancient climate information from the rock record are summarized, and the climate forcing factors that have been active at global and regional scales through Earth history are reviewed. In this context, the challenges and approaches to modeling past climates by using a regional climate model are discussed. A significant challenge to such modeling efforts arises if the time period of interest occurred prior to the past ∼3–5 million years, at which point land–sea distributions and topography markedly different from present must be specified at the spatial resolution required by regional climate models. Creating these boundary conditions requires a high degree of geologic knowledge, and also depends greatly upon the global climate model driving conditions. Despite this and other challenges, regional climate models represent an important and unique tool for paleoclimate investigations. Application of regional climate models to paleoclimate studies may provide another way to assess the overall performance of regional climate models.     

大气科学的世纪进展与未来展望

今天的大气科学已从20世纪初经验的阐述转变为既有理论基础又有客观定量化的一门数理学科,其发展步伐在近50年来不断加快。文章回顾了近百年来大气科学在探测、数值天气预报和气候研究3方面所取得的主要成就,并对大气科学在21世纪的潜在发展作一展望。大气探测、计算能力和信息输送方面的技术进步无疑是近代和未来大气科学迅速发展的巨大动力。这些技术进步促使数值模式分辨率在不断提高,越来越多的实测和卫星等遥感资料在通过反演和同化进入模式初始条件和全球气象分析场,模式物理过程和参数化逐步趋向现实,从而使全球和区域数值预报水平持续提高。同时对大量观测资料的统计分析和许多气候子系统耦合模式的若干试验,大大提高了对造成气候变化和影响的物理、动力机制的认识;特别是对全球气温变暖,其中人类活动的影响,以及ENSO的发生、发展和消亡的机制和过程的认识。近期数值天气预报则趋向于模式发展的统一、预报时效的增加和对有足够成员且有代表性的集合预报的日益重视。气候研究将致力于减少各物理和化学过程参数化、分辨率等因素在模式中的不确定性,逐步达到跨月、季节直至年代际气候变化的合理预测。可以预言在不久的将来,地球-空间系统各变量的观测和预报将逐步数字化、自动化,人们可提前3~5 d得知灾害性天气发生时间和地点的概率,人工影响天气等学科在21世纪将会有突破。同时,可以看到世界各国共同协作建立地球-空间综合观测系统,发展能“包罗万象”的地球-空间-减灾的统一模式。然后综合利用大量观测和模式资料,及时掌握地球-空间系统中的各尺度变化规律,以确保人类社会的持续发展。     

Climate and Water: From Climate Models to Water Resources Management and Vice Versa

This article reviews the recent developments in the functional chain from climate models to climate scenarios, through hydrology all the way to water resources management, design and policy making. Although climate models, such as Global Circulation Models (GCMs) continue to evolve, their outputs remain crude and often even inappropriate to watershed-scale hydrological analyses. The bridging techniques are evolving, though. Many families of regionalization technologies are under progress in parallel. Perhaps the most important advances are in the field of regional weather patterns, such as ENSO (El Niño-Southern Oscillation), NAO (North Atlantic Oscillation) and many more. The gap from hydrology to water resources development is by far not that wide. The traditional and contemporary practices are well in place. In climate change studies, the bottleneck is not in this link itself but in the climatic input. The tendency seems to be towards integrated water resources assessments, where climate is only one among many changes that are expected to occur, such as demography, land cover and land use, economy, technologies, and so forth. In such a pragmatic setting a risk–analytic interpretation of those scenarios is often called for. The above-outlined continuum from climate to water is a topic where the physically based modelers, the empiricists and the pragmatists should not get restricted to their own way of thinking. The issues should develop hand in hand. Perhaps the greatest challenge is to incorporate and respect the pragmatic policy-related component to the two other branches. For this purpose, it is helpful to reverse the direction of thinking from time to time to start—instead of climate models—from practical needs and think how the climate scenarios and models help really in the difficult task of designing better water structures, outline better policies and formulate better operational rules in the water field.     

区域气候模拟研究及其应用进展

区域气候模拟研究在过去十几年里取得了显著的进步。经过广泛的发展和不断的检验,区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具。目前已经发表了很多令人鼓舞的结果,其中包括过去极端气候事件的模拟,当前气候发展演变和未来气候变化的预测,特别是对月和季节尺度气候的模拟与预测。通过对高分辨率和动力连续的区域气候模式结果的分析,人们对于周-季节时间尺度的各种物理过程,包括陆面和水文过程、边界层、云和降水、云-辐射相互作用的认识也在不断的深入。然而,区域气候是多尺度扰动(如中尺度、天气尺度、行星尺度扰动)和多圈层系统(如大气圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陆面)相互作用的结果,同时物理过程本身具有不确定性,人们对一些复杂的物理过程,特别是土壤湿度作用以及云-气候反馈过程也缺乏深刻的理解,因此该领域的研究还面临着很多挑战。作者重点总结并评述了区域气候模式对现在和未来区域气候模拟、极端天气和气候事件模拟、物理过程研究、短期气候预测几方面应用的研究进展,最后讨论了区域气候模式发展在上述各方面,特别是周-次季节时间尺度区域天气和气候的模拟与预测所面临的挑战和应用前景。