中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。     

复杂陆面模式与中期数值天气预报模式的耦合

将复杂陆面模式(CLM3)耦合到中期数值预报模式YHMPT106中,替换原来的简单3层陆面过程参数化方案.对比分析表明,较为复杂的陆面过程模式CLM3与中期预报业务模式YHMPT106的耦合是成功的,耦合模式可稳定运行,其预报效果也好.这个试验亦为将来气候预测模式中使用精细的大气环流模式提供了有用的经验.     

干旱区天气、气候数值模拟的研究进展

干旱区的气候模拟有着很强特殊性。气候模式是研究和探讨干旱区形成物理机制的有效手段和工具。介绍了近年来国内外干旱气候数值模拟和试验的研究与进展．总结和评述了陆面过程中地表反照率、土壤湿度、植被状况的参数化和对气候的影响．讨论和阐述陆面过程在气候模拟中的重要性。对干旱区的气候和天气灾害的数值模式模拟研究作了一些评述，并对干旱区数值模拟的有关问题进行了讨论和展望。指出干旱区陆面过程的深入研究和干旱区陆面参数的标定，是改进干旱区气候模拟的重要途径。     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

一个改进的沙尘天气数值预测系统及其模拟试验

在中尺度气象模式最新版本MM5V3.7的基础上,通过与一个起沙模式的耦合,建立了一个新的中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)沙尘天气数值预测系统(IAPS 2.0).该系统与IAP原有的沙尘天气数值预测系统(IAPS 1.0)最主要的差异在于气象模式中陆面过程模式的改进.利用改进前后两个版本的预测系统对2002年4月发生在我国北方地区的两次较强沙尘(暴)过程进行了数值模拟,并与观测实况进行了比较,结果表明改进的系统对沙尘天气的预测能力比改进前的版本有显著的改进,这主要是由于新的陆面模式改善了地表土壤湿度的模拟,进而改进了决定起沙与否的关键因子临界摩擦速度的模拟,从而提高了预测系统对起沙范围和强度的模拟效果.总的说来,采用了更为先进的Noah陆面模式的IAP沙尘(暴)天气数值预测系统对中国北方春季沙尘(暴)天气过程具有更好的模拟能力.     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将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最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

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。     

陆面过程模型研究进展简介

在陆面与大气界面上不断进行着辐射、热量、水分和动量的交换,用于气候模拟或数值天气预报的大气环流模式需要陆面模式计算这些通量(陆面参数化).40年来,陆面模式经历了从简单和不真实的第一代陆面模式发展到更可信的第二和第三代陆面模式.第二代陆面模式包含了生物物理过程而第三代陆面模式包含了生化过程.近10年来,一些陆面模式耦合了动态植被模型和能考虑土壤水分空间非均匀性的水文模型.这些陆面模式与气候和海洋环流模型耦合能够模拟陆地生态系统对全球变化的响应.     

沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。沙漠陆面过程及相应的小气候效应已经成为当前沙漠气象研究的热门问题。近年来,在沙漠陆面过程野外观测、陆面过程特征及参数化、陆面过程模拟、小气候及陆面过程对小气候影响等方面已取得重大进展。本文对于沙漠小气候、沙漠陆面过程及沙漠陆面过程参数化进行了简要概述,重点总结了国内外在沙漠地区气候考察、沙漠边界层高度、沙漠热力环流、绿洲效应、塔克拉玛干沙漠气候特征、沙漠陆面过程野外观测试验及结果、沙漠陆面过程对气候的影响、沙漠陆面过程参数化方案方面的成果,回顾了近年来利用地面观测设备和数值模式等对气候效应和陆面过程直接观测和数值模拟所获得的观测事实和模拟试验,并讨论了其陆面过程参数化对模拟的影响,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

陆面过程模式BCC_AVIM中地表覆盖数据现状

地表覆盖是陆面和气候模式中的一个重要基础数据。以陆面过程模式BCC_AVIM为例,介绍模式中的地表覆盖数据变量、数据分辨率、不同类型数据的来源,重点比较分类方法差异巨大且类型众多的植被覆盖。综述比较了国际和国内常用的几套全球地表覆盖数据的来源、分类系统和分类方法以及空间分辨率,根据陆面过程模式的地表覆盖数据需求,确定不同全球土地覆盖数据在模式中的应用方法,讨论分析了全球地表覆盖产品在模式应用中存在的差距,提出不同遥感数据产品之间一致性较差的可能解决方案,探讨遥感数据产品在模式中应用的可能方式,以期更好地发挥全球地表覆盖数据产品的作用。     

热红外遥感反演地表温度研究现状

地球表面温度是一个重要的水文、气象参数,它影响着大气、海、陆之间的感热和潜热交换,是诸多研究领域不可或缺的基础资料,精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域研究的进展。因此,利用卫星遥感资料进行地表温度的反演已成为目前遥感定量研究中的重要任务之一。本文阐述了遥感反演地表温度的原理及各种方法,对各种方法所要解决的关键问题及优缺点做了评述,最后展望了遥感反演地表温度的发展趋势。     

应用风云气象卫星及融合降水资料改进地表参数模拟

气象卫星资料不仅对天气、气候研究非常重要, 对于地表参数模拟和预报也具有重要意义。本文首次将全国自动站观测、卫星降水估计和地面观测融合降水资料(CMORPH)以及风云二号D星(FY-2D)积雪覆盖率数据应用到了高分辨率陆面资料同化系统(u-HRLDAS)。融合降水资料用于驱动u-HRLDAS, 同时用于计算雪水当量;积雪覆盖率资料作为u-HRLDAS强迫变量。区域模拟结果表明, 积雪覆盖率对于地表反照率、地表温度以及地气交换通量模拟有极其重要的影响。密云站土壤湿度模拟结果表明, 融合降水资料准确度优于全球陆面资料同化系统(GLDAS)再分析资料。小汤山站单点验证结果表明, 应用融合降水资料及卫星积雪覆盖率资料可以改进地表温度及地气交换通量的模拟。     

多圈层陆面过程参数化研究中遥感信息应用的进展和方向

近年来遥感技术的发展为多圈层中陆面过程和边界层研究提供了有力的工具。文章分析了目前用于陆面过程参数化研究的重要遥感信息源。并评述遥感信息在陆面过程参数化研究中的基本应用和存在问题，最后，提出发展方向和展望。     

Regional and Global Land Data Assimilation Systems: Innovations,Challenges, and Prospects

Since the North American and Global Land Data Assimilation Systems(NLDAS and GLDAS) were established in2004, significant progress has been made in development of regional and global LDASs. National, regional, projectbased, and global LDASs are widely developed across the world. This paper summarizes and overviews the development, current status, applications, challenges, and future prospects of these LDASs. We first introduce various regional and global LDASs including their development history and innovations, and then discuss the evaluation, validation, and applications(from numerical model prediction to water resources management) of these LDASs. More importantly, we document in detail some specific challenges that the LDASs are facing: quality of the in-situ observations, satellite retrievals, reanalysis data, surface meteorological forcing data, and soil and vegetation databases; land surface model physical process treatment and parameter calibration; land data assimilation difficulties; and spatial scale incompatibility problems. Finally, some prospects such as the use of land information system software, the unified global LDAS system with nesting concept and hyper-resolution, and uncertainty estimates for model structure,parameters, and forcing are discussed.     

陆面过程模式的研究进展简介

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用。陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率。     

Influence of Surface Temperature and Emissivity on AMSU-A Assimilation over Land

AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) measurements for channels that are sensitive to the surface over land have not been widely assimilated into numerical weather prediction (NWP) models due to complicated land surface features. In this paper, the impact of AMSU-A assimilation over land in Southwest Asia is investigated with the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Four radiance assimilation experiments with different land-surface schemes are designed, then compared and verified against radiosonde observations and global analyses. Besides the surface emissivity calculated from the emissivity model and surface temperature from the background field in current WRF variational data assimilation (WRF-VAR) system, the surface parameters from the operational Microwave Surface and Precipitation Products System (MSPPS) are introduced to understand the influence of surface parameters on AMSU-A assimilation over land. The sensitivity of simulated brightness temperatures to different surface configurations shows that using MSPPS surface alternatives significantly improves the simulation with reduced root mean square error (RMSE) and allows more observations to be assimilated. Verifications of 24-h temperature forecasts from experiments against radiosonde observations and National Centers for Environmental Prediction (NCEP) global analyses show that the experiments using MSPPS surface alternatives generate positive impact on forecast temperatures at lower atmospheric layers, especially at 850 hPa. The spatial distribution of RMSE for forecast temperature validation indicates that the experiments using MSPPS surface temperature obviously improve forecast temperatures in the mountain areas. The preliminary study indicates that using proper surface temperature is important when assimilating lower sounding channels of AMSU-A over land.     

FY-3A陆表温度反演及高温天气过程动态监测

采用FY-3A/VIRR数据,利用Becker局地分裂窗改进算法反演得到逐日陆表温度 (LST), 对2009年一次高温天气过程进行动态监测, 并分析不同下垫面的热环境变化。结果显示:此过程中可见光红外扫描辐射计 (VIRR) 陆表温度产品在敦煌辐射校正场地两次验证的误差为-0.17 K和1.77 K,与同时间过境的MODIS产品均方根误差为2.64 K,直方图对比陆表温度的频数分布基本一致;对高温天气过程监测发现,此次出现以华北的石家庄、郑州、北京等地和西北地区东部的西安等地为中心的两个陆表温度高值区, 部分地区达到了320.2 K以上;城市剖面资料证实城市热岛现象存在,并发现工矿用地的热岛效应不容忽视,主要是大面积的工矿用地周围植被破坏严重,地表增温更为显著。