RegCM3对中国区域气候模拟的敏感性试验

为使区域气候模式RegCM3在中国区域气候的模拟中取得更好的模拟效果,针对RegCM3进行了初始场、模式水平分辨率、侧边界方案及积云对流方案的敏感性试验.结果表明:①从冬季开始的积分,模拟结果对初始场的依赖性较小;②模式水平分辨率的提高不一定会带来模拟效果的显著改善,高分辨率的嵌套模拟会对模拟效果有一定程度的改善;③选...     

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.     

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。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

区域气候模式对中国东部夏季气候的模拟试验

在美国国家大气研究中心第二代区域气候模式(NCAR/RegCM2)的基础上,通过改进其中的陆面过程、积云对流、辐射传输和边界层等物理过程的参数化方案,发展了一个有多种方案选择的改进的区域气候模式.分别利用原区域气候模式和改进的区域气候模式,对1994年和1998年夏季的异常季风降水过程进行了数值模拟试验,并与观测结果进行了比较.结果表明,新方案模拟的1994年夏季的雨带位置与实际位置非常一致,而原区域气候模式模拟的雨带都位于中国北方地区,与观测的差别较大.从环流场的模拟比较也可以看出,新方案模拟的1994年和1998年夏季环流形势都比原方案的结果更为合理.     

RegCM3模式对中国东部夏季降水的模拟试验

利用最新发布的区域气候模式RegCM3对1998年5—8月中国东部降水进行了模拟试验，考察了模式对降水和大尺度环流系统的模拟能力。结果表明：不同对流性降水方案对不同月份、不同区域的降水模拟效果差别较大，采用Kuo方案和Grell方案时模拟的降水效果要好于BM方案；RegCM3能较成功地再现异常降水的月际尺度变化和空间分布等基本特征；模式还较好地模拟了西太平洋副高脊线的演变过程和两次向北传播的季节内振荡。该模式可应用于中国东部夏季风降水的研究。     

区域气候模式中径流计算方案的数值试验

采用由曼宁方程推导而来的动力波方程来改进陆面模式BATS中的径流计算方案，并将改进径流方案后的BA偈模式应用到区域气候模式RegCM2中。利用1998年6—8月T106资料做边界场，对改进后的区域气候模式在中国东部地区进行检验。模拟结果表明，改进后的方案在夏季6—8月内模拟的径流值达到80—500mm左右，较原方案模拟的径流量（30—80mm）更加接近径流实况（50—500mm），体现了径流的大尺度平流效应。取单站（武汉）的模拟结果与原模式进行比较，发现模拟场的平均气温与实况场的误差较原模式减小了0．66℃，几次明显的降水过程也有很好的模拟。文中还分析了气温、降水、土壤含水量、蒸发等量的模拟情况。     

月和季节尺度区域气候模拟的对比分析

利用区域气候模式RegCM3分别进行了东亚夏季月尺度和季节尺度区域气候模拟试验,并将两种时间尺度试验的逐月模拟结果进行了对比分析。结果表明,不同初始场和不同时间尺度模拟降水量存在一定的不确定性,但模拟的降水分布格局和模拟时间尺度关系不大,其模拟结果主要取决于模式对区域内大气降水过程的描述能力。两种时间尺度模拟的月平均环流形势几乎一致,随着模拟时间延长,两种时间尺度模拟的月平均环流、温度和湿度之间的差别在模式内部区域有所增加。但两者没有出现本质差别,且两者之间的偏差不会随模拟时间尺度的延长而无限制增长,只在一定范围内波动。两种时间尺度模拟对7月份淮河流域降水集中期暴雨和高低空急流刻画差别不大,但两者对8月份东北降水集中期模拟差别稍明显一些,其差别主要表现在对低空急流的模拟上。     

MM5BATS对东亚夏季气候及其变化的模拟试验

将陆面过程模式BATS耦合到中尺度模式MM5V3中与另一区域气候模式RegCM2一起对1995—2000年夏季东亚的区域气候作了模拟试验,并与实际资料作了比较。模拟试验结果表明：(1)两个模式均能较合理地模拟出6年夏季平均的环流、温度和海平面气压等的变化,MM5BATS的模拟结果要略优于RegCM2的结果;(2)MM5BATS模式较合理地模拟出了6年夏季平均的降水分布,而RegCM2模式的模拟结果偏强;(3)MM5BATS模式较好地模拟出了1997年和1998年夏季环流场的变化,对降水的模拟也比较合理。RegCM2对1997年和1998年降水的模拟基本上都偏强。模拟试验结果还表明,在区域气候模拟中有必要采用更新的模式。     

区域气候模拟中多种对流参数化方案的比较研究

利用区域气候模式RegCM2,选择Betts-Miller、Kuo-Anthes和Grell3种积云对流参数化方案,进行了1991年和1994年5～7月2个个例的东亚季风区区域气候模拟试验,重点分析比较了3种参数化方案对降水总量分布、主要降水时段、雨带南北变动和基本气象要素场的模拟能力,并相对实测降水和基本要素的观测分析进行了统计检验.通过对比,发现Betts方案的模拟能力明显优于其他两种方案.     

区域气候模式侧边界的处理对东亚夏季风降水模拟的影响

在区域气候模式模拟中,侧边界的作用是引入大尺度强迫场。如何处理好侧边界,即大尺度强迫场和区域气候模式本身之间的关系问题,对于区域气候模式模拟和预报东亚夏季风降水具有重要意义。本文利用美国纽约州立大学Albany分校的区域气候模式（SUNYA-ReCM）,设计了两种不同的侧边界处理方法,来探讨侧边界对东亚夏季风降水模拟的影响。驱动区域模式的大尺度强迫场来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）及热带海洋大气研究计划（TOGA）的分析资料场。试验结果表明:（1）当模式的区域较大时,采用较小的侧边界缓冲区会在缓冲区与模式内部的交界处产生不连续;扩大缓冲区并且考虑不同尺度强迫在垂直方向上的不同作用,可以避免这一缺陷。（2）更重要的是采用后一种方案,即减少了区域气候模式在模拟大尺度环流场方面所起的作用,使得模式更多地依赖侧边界来得到更真实的、对东亚夏季风降水起重大影响的一些气流,如副高、西南季风和南海季风,对东亚夏季风降水无论是在大小上还是在雨带位置的演变上都能进行更好的模拟。     

Domain choice in an experimental nested modeling prediction system for South America

Summary The purposes of this paper are to evaluate the new version of the regional model, RegCM3, over South America for two test seasons, and to select a domain for use in an experimental nested prediction system, which incorporates RegCM3 and the European Community-Hamburg (ECHAM) general circulation model (GCM). To evaluate RegCM3, control experiments were completed with RegCM3 driven by both the NCEP/NCAR Reanalysis (NNRP) and ECHAM, using a small control domain (D-CTRL) and integration periods of January–March 1983 (El Ni?o) and January–March 1985 (La Ni?a). The new version of the regional model captures the primary circulation and rainfall differences between the two years over tropical and subtropical South America. Both the NNRP-driven and ECHAM-driven RegCM3 improve the simulation of the Atlantic intertropical convergence zone (ITCZ) compared to the GCM. However, there are some simulation errors. Irrespective of the driving fields, weak northeasterlies associated with reduced precipitation are observed over the Amazon. The simulation of the South Atlantic convergence zone is poor due to errors in the boundary condition forcing which appear to be amplified by the regional model. To select a domain for use in an experimental prediction system, sensitivity tests were performed for three domains, each of which includes important regional features and processes of the climate system. The domain sensitivity experiments were designed to determine how domain size and the location of the GCM boundary forcing affect the regional circulation, moisture transport, and rainfall in two years with different large scale conditions. First, the control domain was extended southward to include the exit region of the Andes low level jet (D-LLJ), then eastward to include the South Atlantic subtropical high (D-ATL), and finally westward to include the subsidence region of the South Pacific subtropical high and to permit the regional model more freedom to respond to the increased resolution of the Andes Mountains (D-PAC). In order to quantify differences between the domain experiments, measures of bias, root mean square error, and the spatial correlation pattern were calculated between the model results and the observed data for the seasonal average fields. The results show the GCM driving fields have remarkable control over the RegCM3 simulations. Although no single domain clearly outperforms the others in both seasons, the control domain, D-CTRL, compares most favorably with observations. Over the ITCZ region, the simulations were improved by including a large portion of the South Atlantic subtropical high (D-ATL). The methodology presented here provides a quantitative basis for evaluating domain choice in future studies.     

RegCM3模式对新疆1996年降水和气温的数值模拟分析

通过数值模拟方法,研究了降水和气温对模式分辨率、初始和边界条件的敏感性。结果表明：区域模式RegCM3对新疆1996年冬季和夏季的降水和气温具有一定的模拟能力,气温的模拟要优于降水。分辨率、初始和边界条件对区域模式的模拟结果有较大的影响。模式分辨率的提高,可以增强对气温的模拟能力,尤其是气温沿地形变化的特点。分辨率的提高,同样可以改进降水的量级和落区。相同分辨率下,不同初始和边界条件,对降水的模拟结果影响不大。无论分辨率和初始,边界条件如何变化,塔克拉玛干沙漠南麓均有虚假降水出现,说明该模式在刻画复杂地形方面,还存在不足。     

区域气候模式中侧边界地形缓冲区作用的数值试验

利用区域环境系统集成模式以1998年夏季为例,通过数值试验研究了侧边界地形缓冲区对区域气候模拟结果的影响。结果表明,设置侧边界地形缓冲区使模拟场和观测的均方根误差都有所减小,区域平均中尺度动能也减小,从而有利于维持区域模式长期积分的稳定性。设置地形缓冲区并不改变模拟降水分布格局,但对主要降水区各降水时段降水强度的模拟有不同程度的改进。     

Multi-decadal scenario simulation over Korea using a one-way double-nested regional climate model system. Part 1: recent climate simulation (1971–2000)

We present an analysis of a high resolution multi-decadal simulation of recent climate (1971–2000) over the Korean Peninsula with a regional climate model (RegCM3) using a one-way double-nested system. Mean climate state as well as frequency and intensity of extreme climate events are investigated at various temporal and spatial scales, with focus on surface air temperature and precipitation. The mother intermediate resolution model domain encompasses the eastern regions of Asia at 60 km grid spacing while the high resolution nested domain covers the Korean Peninsula at 20 km grid spacing. The simulation spans the 30-year period of January 1971 through December 2000, and initial and lateral boundary conditions for the mother domain are provided from ECHO-G fields based on the IPCC SRES B2 scenario. The model shows a good performance in reproducing the climatological and regional characteristics of surface variables, although some persistent biases are present. Main results are as follows: (1) The RegCM3 successfully simulates the fine-scale structure of the temperature field due to topographic forcing but it shows a systematic cold bias mostly due to an underestimate of maximum temperature. (2) The frequency distribution of simulated daily mean temperature agrees well with the observed seasonal and spatial patterns. In the summer season, however, daily variability is underestimated. (3) The RegCM3 simulation adequately captures the seasonal evolution of precipitation associated to the East Asia monsoon. In particular, the simulated winter precipitation is remarkably good, clearly showing typical precipitation patterns that occur on the northwestern areas of Japan during the winter monsoon. Although summer precipitation is underestimated, area-averaged time series of precipitation over Korea show that the RegCM3 agrees better with observations than ECHO-G both in terms of seasonal evolution and precipitation amounts. (4) Heavy rainfall phenomena exceeding 300 mm/day are simulated only at the high resolution of the double nested domain. (5) The model shows a tendency to overestimate the number of precipitation days and to underestimate the precipitation intensities. (6) A CSEOF analysis reveals that the model captures the strength of the annual cycle and the surface warming trend throughout the simulated period.     

QM和QDM方法对中国极端气候的高分辨率气候变化模拟的误差订正对比

采用分位数映射（Quantile Mapping, QM）和delta分位数映射（Quantile Delta Mapping, QDM）两种误差订正方法对区域气候模式RegCM4在中国区域内模拟的逐日气温和降水数据进行订正。模式数据是5种不同全球气候模式驱动下的区域模式气候变化模拟结果。计算订正前后的极端气候指数进行对比分析,包括日最高气温极大值（TXx）、日最低气温极小值（TNn）、连续干旱日数（CDD）和最大日降水量（RX1day）。结果表明,5组模拟结果和其集合平均（ensR）都显示气温指数的模拟效果高于降水指数,其中对TXx模拟最好,对CDD的模拟最差;经过订正后,针对不同模式的两种订正结果都能够有效地减小模式与观测的偏差并提高了空间相关系数,且两种方法的订正效果无明显差别。对RCP4.5情景下未来变化的分析中,QM在一定程度上改变了模式模拟的未来变化幅度和空间分布特征,QDM则能够有效地保留所有极端指数的气候变化信号。从全国平均来看,除CDD外,所有指数未来都呈现增加趋势,且QDM订正结果与订正前模式模拟的变化趋势更为接近。建议在气候变化模拟的误差订正中采用QDM方法。     

RegCM4.1对中国区域气候模拟能力评估

利用中国气象局提供的1985—2004年756个台站的逐日降水和气温观测数据评估了区域气候模式(RegCM4.1)对中国地区不同季节的降水和气温的模拟性能,并结合中国的区域气候特征和气候带分布进行分区讨论。结果表明RegCM4.1能够较好地再现中国地区四季降水占全年百分比、降水率的空间分布特点以及降水带南北摆动的季节变化特征。RegCM4.1对平均气温分布模拟较好,强度和高低中心与观测事实接近,但对青藏高原地区的气温分布模拟值一致偏低。同时发现RegCM4.1能够合理再现内陆地区气温日较差明显大于沿海地区的总体分布特征,不过模拟值在新疆和沿海地区比观测结果均偏低。     

Regional model simulation of summer rainfall over the Philippines: Effect of choice of driving fields and ocean flux schemes

Summary The latest version of the Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) regional model RegCM is used to investigate summer monsoon precipitation over the Philippine archipelago and surrounding ocean waters, a region where regional climate models have not been applied before. The sensitivity of simulated precipitation to driving lateral boundary conditions (NCEP and ERA40 reanalyses) and ocean surface flux scheme (BATS and Zeng) is assessed for 5 monsoon seasons. The ability of the RegCM to simulate the spatial patterns and magnitude of monsoon precipitation is demonstrated, both in response to the prominent large scale circulations over the region and to the local forcing by the physiographical features of the Philippine islands. This provides encouraging indications concerning the development of a regional climate modeling system for the Philippine region. On the other hand, the model shows a substantial sensitivity to the analysis fields used for lateral boundary conditions as well as the ocean surface flux schemes. The use of ERA40 lateral boundary fields consistently yields greater precipitation amounts compared to the use of NCEP fields. Similarly, the BATS scheme consistently produces more precipitation compared to the Zeng scheme. As a result, different combinations of lateral boundary fields and surface ocean flux schemes provide a good simulation of precipitation amounts and spatial structure over the region. The response of simulated precipitation to using different forcing analysis fields is of the same order of magnitude as the response to using different surface flux parameterizations in the model. As a result it is difficult to unambiguously establish which of the model configurations is best performing.