WRF模式对江西2006—2015年夏季气候模拟的性能分析

基于NCEP/FNL再分析资料,利用中尺度天气预报模式（WRF）对2006—2015年1月1日—8月31日的天气形势进行模拟,分析探讨了模式对江西省夏季(6—8月)气温和降水的模拟能力。结果表明：WRF模式能准确模拟出江西省气温和降水的空间分布气候特征,模拟结果与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）接近。其中,降水的模拟精度低于气温模拟;模拟的气温在鄱阳湖地区出现低值,与CMFD的偏差最大。WRF模式模拟的地面反照率偏大导致气温模拟结果偏低。     

WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验北大核心CSCD

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

13个IPCC AR4模式对中国区域近40a气候模拟能力的评估

利用中国区域550个站点逐日地面气温及降水资料,评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次报告（the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change,IPCCAR4）的13个新一代全球气候系统模式及多模式集合对中国近40 a（1961—2000年）地面气温和降水的模拟能力,结果表明：最新全球模式对中国地区地面气温年变化及空间分布的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值系统性偏低,东部地区模拟效果好于中西部;对于降水,大部分模式能模拟出中国降水的年变化及空间分布特征,但模拟的区域性差别较大,多数模式对中国东部季风区夏季雨带北抬的过程有一定的模拟能力,但模拟雨带位置偏北。新一代全球模式能模拟出温度的线性变化趋势,但对温度及降水的年际变率模拟能力较低。比较多种评估指标得出,模式集合对温度的模拟效果最好,模式UKMO-HadCM3对降水的模拟效果最好。     

CMIP5模式对中国东北气候模拟能力的评估

利用CN05观测资料和参与IPCC第五次评估报告的45个全球气候系统模式的模拟结果,分析了新一代全球气候模式对中国东北三省(1961~2005年)气温和降水的模拟能力。结果表明:1)绝大多数模式都能较好地模拟出研究区内显著增温的趋势,对气温的年际变化模拟能力则相对有限;2)所有模式均能很好地再现气温气候态的空间分布特征,且多模式集合模拟结果优于绝大多数单个模式,空间相关系数达到了0.96;3)对于降水的模拟结果,模式间差异较大,多模式集合能较好地再现其空间分布规律(空间相关系数为0.86),对降水年际变化及线性变化趋势的模拟能力则较差。总体来说,多模式集合对东北气候的时空变化特征具有一定的模拟能力,且对气温模拟效果优于降水,对空间分布的模拟能力优于时间变化。     

二十面体网格和经纬网格全球模式在中国区域模拟效果对比

为了评估二十面体网格全球模式MPAS和经纬网格全球模式WRF在中国区域的模拟效果,对比了两模式对2010年10月23—28日中国区域的涡度场、降水场、高度场和温度场的模拟效果,结果表明:在30和60 km准均匀模拟下,MPAS和WRF模式对中国区域500 hPa高度处涡度场的模拟效果都比较好,但都难以模拟出局地的涡度极值中心,两模式模拟效果相当;从第3天的日累积降水的模拟结果来看,两模式基本都能模拟出降水分布情况,MPAS模式模拟结果整体要优于WRF,WRF对降水中心的模拟要优于MPAS;MPAS对高层高度场和温度场的模拟较好,WRF对中、低层的模拟较好,且WRF的预报时效性比MPAS长;网格分辨率的提高对MPAS模式模拟效果的改善不大,而WRF模式的模拟效果得到了提高.     

仅引入质量守恒律的T63模式对全球大气环流和中国气候的模拟

对引入参考大气和质量守恒律的T63谱模式10年气候积分的结果进行了分析.结果表明,模式对全球大气环流有较好的模拟效果,对中国地区地面气温和中国东部地区的降水也有一定的模拟能力,其中对气温的模拟效果好于降水.模拟存在着一些误差,对地面气温,主要是模拟的温度场系统性偏低,不能模拟出小地形波动引起的温度变化;对降水的模拟,为在我国中西部模拟出了一个大的虚假中心.     

CMIP5气候模式对云南气候变化模拟评估及未来情景预估

基于8个气候模式和多模式集合数据(21个气候模式简单集合)和观测数据,评估了其在气候基准期内对云南气温、降水的模拟能力,在评估基础上应用多模式集合数据,预估了未来不同排放情景下云南气温、降水的空间变化情况。结果表明:①多模式集合和部分模式能较好的模拟出基准期内气温、降水的年际变化趋势;在空间分布特征上,气候模式(包括多模式集合)对降水的模拟偏差较差,对气温的模拟相对较好;但在月平均气温和月降水的年内分布模拟上,多模式集合数据的模拟效果明显优于8个气候模式数据;②预估结果表明,在未来3种排放情景下云南地区降水呈西增东减的空间部分特征,纵向岭谷地区降水增加幅度为1%～3%,而气温在3种排放情景下则表现为一致的增加,降水和气温均在RCP8.5情景下增幅最大。     

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

利用高分辨率区域气候模式Reg CM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。     

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。     

全球变暖情景下中国东部地区不同等级降水变化特征分析

利用日本东京大学气候系统研究中心、 日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合研制的全球海气耦合气候模式MIROC_Hires输出的逐日降水资料, 分析了全球变暖背景下中国东部地区不同等级降水的变化特征。为了检验模式模拟未来中国不同地区降水变化趋势的可信程度, 首先评估该模式对1971-2000年夏季降水的模拟能力, 结果表明, 该模式无论从空间分布还是时间变化上均可以较好地模拟中国1971-2000年的降水情况。在此基础上, 将中国东部地区划分为华南、 江淮、 华北、 东北4个区域, 分析在全球变暖情景下未来（2071-2100年)较近期(1971-2000年)各个地区不同等级的降水量和降水频数的变化特征, 发现华南地区无降水和强降水（≥24 mm·d-1）的频数增加幅度均较大, 分别达到13\^8 d·a-1和4.2 d·a-1, 弱降水（1~12 mm·d-1）的频数减少; 江淮地区年降水量增加, 强降水的频数增加了3\^6 d·a-1, 弱降水的频数减少; 华北地区年降水量增加幅度在4个地区中最大, 达到30\^5%, 无降水频数减少, 8 mm·d-1以上的降水频数增加; 东北地区的降水强度和频数均增加。即中国东部地区降水变化趋势呈现华南地区暴雨频数增加, 江淮、 华北和东北地区降水量增多, 降水强度也增加的情形, 因此, 4个地区极端降水事件发生的频数增加。     

Simulation and Projection of Changes in Rainy Season Precipitation over China Using the WRF Model

The Weather Research and Forecasting (WRF) model is used in a regional climate model configuration to simulate past precipitation climate of China during the rainy season (May-September) of 1981-2000, and to investigate potential future (2041-2060 and 2081-2100) changes in precipitation over China relative to the reference period 1981-2000. WRF is run with initial conditions from a coupled general circulation model, i.e., the high-resolution version of MIROC (Model for Interdisciplinary Research on Climate). WRF reproduces the observed distribution of rainy season precipitation in 1981-2000 and its interannual variations better than MIROC. MIROC projects increases in rainy season precipitation over most parts of China and decreases of more than 25 mm over parts of Taiwan and central Tibet by the mid-21st century. WRF projects decreases in rainfall over southern Tibetan Plateau, Southwest China, and northwestern part of Northeast China, and increases in rainfall by more than 100 mm along the southeastern margin of the Tibetan Plateau and over the lower reaches of the Yangtze River during 2041-2060. MIROC projects further increases in rainfall over most of China by the end of the 21st century, although simulated rainfall decreases by more than 25 mm over parts of Taiwan, Guangxi, Guizhou, and central Tibet. WRF projects increased rainfall of more than 100 mm along the southeastern margin of the Tibetan Plateau and over the lower reaches of the Yangtze River and decreased rainfall over Southwest China, and southern Tibetan Plateau by the end of the 21st century.     

华东地区极端降水动力降尺度模拟及未来预估

利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）数据集中的全球模式IPSL-CM5A-LR及其嵌套的区域气候模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分别评估了模式对1981~2000中国华东区域极端降水指标的模拟能力,并讨论了RCP8.5排放情景下21世纪中期（2041~2060年）中国华东极端降水指标的变化特征。相比驱动场全球气候模式,WRF模式更好地再现了各个极端指数空间分布及各子区域降水年周期变化。在模拟区域气候特点方面,WRF模拟结果有所改进,并在弥补全球模式对小雨日过多模拟的缺陷起到了明显的作用。21世纪中期,华东区域的降水将呈现明显的极端化趋势。WRF模拟结果显示年总降雨量、年大雨日数、平均日降雨强度在华东大部分区域的增幅在20%以上;年极端降雨天数、连续5 d最大降水量的增幅在华东北部部分区域分别超过了50%和35%,同时最长续干旱日在华东区域全面增加;且变化显著的格点主要位于增加幅度较大的区域。未来华东区域会出现强降水事件和干旱事件同时增加的情况,降水呈现明显的极端化趋势,且华东北部极端化强于华东南部。     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

A COMPARATIVE STUDY OF TWO LAND SURFACE SCHEMES IN WRF MODEL OVER EASTERN CHINA

Two land surface models, Community Land Model (CLM3.5) and NOAH model, have been coupled to the Weather Research and Forecasting (WRF) model and been used to simulate the precipitation, temperature, and circulation fields, respectively, over eastern China in a typical flood year (1998). The purpose of this study is to reveal the effects of land surface changes on regional climate modeling. Comparisons of simulated results and observation data indicate that changes in land surface processes have significant impact on spatial and temporal distribution of precipitation and temperature patterns in eastern China. Coupling of the CLM3.5 to the WRF model (experiment WRF-C) substantially improves the simulation results over eastern China relative to an older version of WRF coupled to the NOAH-LSM (experiment WRF-N). It is found that the simulation of the spatial pattern of summer precipitation in WRF-C is better than in WRF-N. WRF-C also significantly reduces the summer positive bias of surface air temperature, and its simulated surface air temperature matches more closely to observations than WRF-N does, which is associated with lower sensible heat fluxes and higher latent heat fluxes in WRF-C.     

CMIP6不同分辨率全球气候模式对中国降水模拟能力评估

基于参与CMIP6高分辨率模式比较计划（HighResMIP）9个模式组的18个全球气候模式模拟数据,通过与CN05.1观测资料的对比,评估了不同分辨率气候模式对中国区域1961—2014年降水特征的模拟能力。结果表明：低、高分辨率模式均能模拟出中国区域多年平均降水的总体空间分布特征,以及降水冬弱夏强的季节变化特征,但对降水的模拟都存在系统性偏多的误差;与低分辨率模式结果相比,高分辨率模式对降水空间分布的模拟有明显改善,在青藏高原、华北、华南地区降水模拟的系统性偏差明显减小;与低分辨率模式结果相比,高分辨率模式对年循环变化的模拟效果也更好,多年平均1月及9—12月逐月降水以及年降水的模拟误差均有所减小。对于年际、年代际的前两个主导空间模态,低、高分辨率模式大多无法模拟年代际的第一模态,但对于年际前两个模态以及年代际第二模态,分辨率提高可使半数左右模式组的模拟能力有所改善。     

土壤湿度年际变化对中国区域极端气候事件模拟的影响研究 I. 基于CAM3.1的模式评估

利用NCAR大气模式CAM3.1对中国区域近40年的极端气候事件进行了模拟试验;在此基础上, 利用1961～2000年中国区域452站的逐日最高、最低气温和降水资料, 从气候平均、年际变化和长期变化趋势等方面全面评估了该模式对中国极端气候事件的模拟能力。结果表明:(1)模式对中国区域极端气候指数气候平均态的大尺度空间分布特征具有一定的模拟能力;模式对极端降水指标空间分布的模拟能力较好, 而对极端气温指标的模拟较差;模式对极端气候指标的模拟存在系统性的偏差, 模拟的极端降水的系统性偏差要远大于对极端温度的模拟。(2)模式对极端气温指数的年际变化特征具有较强的模拟能力, 而对极端降水指数的年际变化基本没有模拟能力;模式模拟的各极端降水指标的年际变幅与观测存在较大的偏差。(3)模式较好地模拟出了暖夜和暖昼指数在中国大部分区域的增加趋势, 但变幅较实测偏小;模式对热浪持续指数长期趋势的模拟则相对略差。模式对极端气温指标长期趋势的模拟能力总体优于对极端降水指标的模拟。模式对极端降水频次和中雨日数长期趋势的模拟尚可, 但对持续湿期长期趋势的空间分布模拟较差。研究结果可为该模式用于极端气候的模拟研究提供一定参考。     

Impacts of Cumulus Convective Parameterization Schemes on Summer Monsoon Precipitation Simulation over China

By using the Betts-Miller-Janjic, Grell-Devenyi, and Kain-Fritsch cumulus convective parameterization schemes in theWeather Research and Forecasting (WRF) model, long time simulations from 2000 to 2009 are conducted to investigate the impacts of different cumulus convective parameterization schemes on summer monsoon precipitation simulation over China. The results show that all the schemes have the capability to reasonably reproduce the spatial and temporal distributions of summer monsoon precipitation and the corresponding background circulation. The observed north-south shift of monsoon rain belt is also well simulated by the three schemes. Detailed comparison indicates that the Grell-Devenyi scheme gives a better performance than the others. Deficiency in simulated water vapor transport is one possible reason for the precipitation simulation bias.     

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"。     

Response of the East Asian summer monsoon to doubled atmospheric CO2: Coupled climate model simulations and projections under IPCC AR4

Summary The East Asian (China, Korea and Japan) summer monsoon precipitation and its variability are examined from the outputs of the coupled climate models performing coordinated experiments leading to the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (IPCC AR4). Out of the 22 models examined, 14 reproduce the observed shape of the annual cycle well with peak during the boreal summer (June through August), but with varying magnitude. Three models simulate the maximum a month later and with lower magnitudes. Only one model considerably underestimates the magnitude of the annual cycle. The remaining 4 models show some deviations from the observed. Models are unable to simulate the minimum in July with peaks in June and August associated with northward shifts of the Meiyu-Changma-Baiu precipitation band. The realistic simulation of the annual cycle does not appear to depend on the model resolution. The inter-model variation is slightly larger during summer, implying larger diversity of the models in simulating summer monsoon precipitation. The spatial rainfall patterns are reasonably well simulated by most of the models, with several models able to simulate the precipitation associated with the Meiyu-Changma-Baiu frontal zone and that associated with the location of the subtropical high over the north Pacific. Simulated spatial distribution could be sensitive to model resolution as evidenced by two versions of MIROC3.2 model. The multi-model ensemble (MME) pattern reveals an underestimation of seasonal precipitation over the east coast of China, Korea-Japan peninsular and the adjoining oceanic regions. This may be related with the mass-flux based scheme employed for convective parameterization by majority of the models. Further the inter-model variation of precipitation is about 2 times stronger south of 30° N, than north of this latitude, indicating larger diversity of the coupled models in simulating low latitude precipitation. The simulated inter-annual variability is estimated by computing the mean summer monsoon seasonal rainfall and the coefficient of variability (CV). In general the mean observed seasonal precipitation of 542 mm and CV of 6.7% is very well simulated by most of the models. Except for one model mean seasonal precipitation varies from 400 to 650 mm. However the CV varies from 2 to 9%. Future projections under the radiative forcing of doubled CO₂ scenario are examined for individual models and by the MME technique. Changes in mean precipitation and variability are tested by the t-test and F-ratio respectively to evaluate their statistical significance. The changes in mean precipitation vary from −0.6% (CNRM-CM3) to about 14% (ECHO-G; UKMO-HadCM3). The MME technique reveals an increase varying from 5 to 10%, with an average of 7.8% (greater than the observed CV of 6.7%) over the East Asian region. However the increases are significant over the Korea-Japan peninsula and the adjoining north China region only. The increases may be attributed to the projected intensification of the subtropical high, Meiyu-Changma-Baiu frontal zone and the associated influx of moist air from the Pacific inland. The projected changes in the amount of precipitation are directly proportional to the projected changes in the strength of the subtropical high. Further the MME suggests a possible increase in the length of the summer monsoon precipitation period from late spring through early autumn. The changes in precipitation could be stabilized by controlling the CO₂ emissions.