全球海气耦合模式对东亚季风降水模拟的检验

以CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的40年再分析资料集ERA40为观测基础,分析了当前政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）的17个全球海气耦合模式对东亚季风区夏季降水和环流的模拟能力。结果表明:(1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至东亚西北部中国内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;(2) 大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:(1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;(2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,不利于降水的形成,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,空气湿度模拟值偏低、从而造成水汽输送偏弱也是导致东亚季风区夏季降水模拟偏小的原因之一。     

区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况的模拟研究

采用区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况进行了模拟研究。耦合模式模拟出了黑潮海流及其右侧的大尺度反气旋式涡旋,对南海表层海流的模拟也与实际基本相符,并模拟出了南海海流受季风影响较大的特点。模式也模拟出了伴随西南季风爆发及推进而发生的海温突增及暖水区北推过程。这为进行区域气候变化与区域海气相互作用问题的研究开辟了一条新途径。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963—2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因。结果表明：耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验（单独的大气模式）,对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动。对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963—2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小。对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致。对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟。     

区域海气耦合模式对我国极端降水模拟分析

使用区域海气耦合模式40年的降水模拟结果,采用百分位的方法定义极端降水事件,分析了耦合模式模拟的夏季中国极端降水事件的特征。结果表明,区域海气耦合模式基本能够模拟出气候平均极端降水阈值的空间分布型及极端降水事件在长江中游、西南部分地区和长江下游局部地区的显著增加、增强趋势,在中西部、华北北部和东北局部的显著减少、减弱趋势。EOF分析发现,模式模拟的极端降水事件几个特征量在我国江南地区长江以南与华南沿海及长江以北的呈反位相变化,这一变化以年代际为主要特征。区域耦合模式基本能够模拟出极端降水量、夏季总降水量、极端降水日数两两间的高时空相关关系。     

区域海气耦合模式模拟的2003年东亚夏季风季节内振荡

评估了一个区域海气耦合模式(由区域环境系统集成模式RIEMS和普林斯顿海洋模式POM组成)对2003年东亚夏季风季节内振荡(ISO)的模拟性能。通过与观测海温驱动单独大气模式结果的比较,分析了海气耦合过程对东亚夏季大气ISO模拟性能的影响。结果表明:耦合模式能够模拟出2003年中国东部地区夏季降水的气候态分布,模拟的中国东部尤其是江淮地区大气ISO活动较单独大气模式更为显著。同时,耦合模式能够较好地再现大气ISO经向上北传的传播特征,模拟的江淮流域降水处于活跃和中断期时西北太平洋地区低频降水和环流异常在强度和空间分布上较单独大气模式都更为合理。相比于单独大气模式,耦合模式对大气ISO模拟的改善,一方面与其对气候态西北太平洋副热带高压和相关对流层底层风场模拟的改善有关,另一方面与其包含海气相互作用,因而对低频降水与海温和水汽辐合位相关系模拟的改善有关。     

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。     

Zebiak-Cane海气耦合模式研究进展

系统、全面地总结了国内外关于Zebiak-Cane海气耦合模式的应用及分析研究，指出了模式的优点及存在的不足，并评析了模式改进工作，最后进行了讨论并展望未来的发展方向。     

耦合模式FGOALS_s模拟的东亚夏季风

本文评估了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的海气耦合模式FGOALS_s对东亚夏季风的模拟能力, 并通过与观测海温强迫下单独大气模式SAMIL试验结果的比较, 分析了海气耦合过程对模式性能的影响。结果表明, FGOALS_s基本能够模拟出东亚夏季风系统的气候态分布及其演变过程, 但也存在明显偏差, 主要表现为模拟的温度场在对流层中上层一致性偏冷, 导致模式中环流系统强度偏弱; 而温度经向梯度模拟的不足, 直接影响到东亚副热带西风急流的模拟。通过与观测海温强迫下SAMIL模拟结果的对比发现, SAMIL模拟的温度场、 环流场以及风场较之耦合模式结果更接近观测, 但也存在与FGOALS_s类似的模式偏差。因此, 大气模式固有的偏差对耦合模式的模拟偏差有重要影响。分析发现, 对于西太平洋降水的模拟而言, 耦合模式结果更加合理, 表明海气相互作用过程对模式性能有重要影响。本文的结果表明, 大气模式自身的误差是导致耦合模式误差的主要原因。通过更新云－辐射模块改进大气模式模拟的温度场, 应是FGOALS_s后续发展的首要工作。     

区域海气耦合过程对中国东部夏季降水模拟的影响

本文以区域环境系统集成模式(RIEMS)和普林斯顿海洋模式(POM)为基础,建立了一个区域海气耦合模式,评估了其对1985～2004年中圜东部夏季降水的模拟性能,并通过与观测海温强迫下单独大气模式模拟结果的比较,分析了海气耦合过程对降水模拟性能的影响.结果表明:耦合模式基本能够模拟出中国东部地区夏季降水的气候态分布及中...     

区域气候模式RIEMS对东亚气候的模拟

利用区域环境集成系统模式对东亚地区进行了1987年1月到1996年12月的长期积分试验,重点考察了区域气候模式对东亚地区区域气候平均状况的模拟能力.结果表明:(1) RIEMS模式能够较好地模拟出不同季节温度的空间分布以及不同区域温度的年变化;同时模式模拟的季和月平均表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1～2℃.(2)对于降水来说,RIEMS模式能够较好地模拟降水的季节变化以及空间分布特征;同时,也能够较好地模拟不同区域降水的年变化.就季节而言,模式模拟的冬季降水最好,相对较差的为夏季;同时,模式能够较好地模拟雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的雨带偏北,大约为2～3纬度.(3)RIEMS模式能够模拟出东亚地区观测的湿润和干旱分布规律,但对于西北干旱区较观测偏干.       

CMIP5气候模式对东亚夏季平均环流场模拟能力的评估

利用第五次耦合模式比较计划(Phase 5 of Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)提供的30个全球气候模式模拟的1961~2005年的夏季逐月环流场资料及同期NCEP再分析资料,引入泰勒图及各种评估指标,探讨全球气候模式对东亚夏季平均大气环流场的模拟能力,寻求具有较好东亚夏季环流场模拟能力的气候模式。结果表明:1)全球气候模式能够模拟出东亚夏季平均大气环流的基本特征,CMIP5模式的总体模拟能力较第三次耦合模式比较计划(CMIP3)有较大程度的提高,如CMIP5模式对东亚大部分地区夏季海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场的模拟偏差在6 h Pa以内。2)模式对不同层次环流场的模拟能力存在差异,500 h Pa高度场的模拟能力最强,其次为100 h Pa高度场、850 h Pa风场,SLP场最弱;对东亚夏季主要环流系统的模拟对比发现,模式对印度热低压及东伸槽强度指数的模拟能力最好。3)综合CMIP5模式对东亚夏季各层次平均环流场以及主要环流系统的模拟能力,发现模拟较好的5个模式为CESM1-CAM5、MPI-ESM-MR、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-P和Can ESM2。4)相对于单一模式,多模式集合平均(MME)模拟能力较强,但较优选的前5个模式集合平均的模拟能力弱。     

Development of a Downscaling Method in China Regional Summer Precipitation Prediction

A downscaling method taking into account of precipitation regionalization is developed and used in the regional summer precipitation prediction (RSPP) in China. The downscaling is realized by utilizing the optimal subset regression based on the hindcast data of the Coupled Ocean-Atmosphere General Climate Model of National Climate Center (CGCM/NCC), the historical reanalysis data, and the observations. The data are detrended in order to remove the influence of the interannual variations on the selection of predictors for the RSPP. Optimal predictors are selected through calculation of anomaly correlation coe±cients (ACCs) twice to ensure that the high-skill areas of the CGCM/NCC are also those of observations, with the ACC value reaching the 0.05 significant level. One-year out cross-validation and independent sample tests indicate that the downscaling method is applicable in the prediction of summer precipitation anomaly across most of China with high and stable accuracy, and is much better than the direct CGCM/NCC prediction. The predictors used in the downscaling method for the RSPP are independent and have strong physical meanings, thus leading to the improvements in the prediction of regional precipitation anomalies.     

近50年中国风速变化多气候模式模拟检验

近年来,随着气候模式研究的快速发展,全球气候模式在模拟20世纪气候和气候变化特征,尤其是在模拟温度、降水等要素特征和变化及其人类活动对这些要素的影响等方面取得了丰硕的成果.然而,全球气候模式对近地层风速的模拟情况如何,目前仍缺少分析和检验.本文利用中国区域近地层风速观测资料,检验评估了参与IPCC AR4"20世纪气候耦合模式模拟"(20C3M)的19个伞球气候模式和国家气候中心新一代伞球气候模式(BCC_CSM1.0.1)模拟的1956-1999年中国近地层(10m)风速及其变化的模拟能力.研究发现,20个伞球气候模式基本上都能模拟出中国多年年(或季)平均风速分布状况,但模式模拟的平均风速一般小于观测值,尤以观测风速较大的北部和西北部地区模拟值偏小显著.气候模式模拟秋冬季风速分布的能力强于模拟夏春季的能力.模式基本上能模拟出冬、春季平均风速大于夏、秋季平均风速,但是模拟不出春、冬、夏、秋季平均风速依次减小的季节变化特征.模式及模式集成难以模拟出观测到的近50年中国年(或季)平均风速明显减小的变化趋势,少数模式能模拟出年(或季)平均风速略呈减小的变化趋势,但与观测值比相差约一个量级.模式对北部和西南部地区平均风速的变化模拟效果较好,而模式难以模拟东南-南部地区风速变化特征.     

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。     

降尺度方法在中国不同区域夏季降水预测中的应用

在中国降水气候分区的基础上,利用降尺度方法进行区域夏季降水预测(RSPP),预测模型建立的基础是寻找影响区域气候的关键因子。降尺度预测模型中使用的资料有国家气候中心海-气耦合模式(CGCM/NCC)回报资料、NCEP/NCAR再分析资料和台站观测资料。为了避免年代际变化特征对季节尺度降水预测的影响,首先对CGCM/NCC模式输出资料、NCEP/NCAR再分析资料、区域平均降水资料去除年代际线性变化趋势,即去除所有预报因子场和预报对象场的长期变化趋势。然后分别计算预报对象和模式资料的预报因子场以及再分析资料的预报因子场的相关系数,把相关系数值同时达到0.05显著性检验水平的区域平均环流特征作为预测因子,保证挑选出的预测因子既能反映实际大气中预测因子与预报对象的关系,同时又是海-气耦合模式预测的高技巧信息。利用最优子集回归作为转换函数的降尺度方法建立区域夏季降水预测模型。交叉检验和独立样本检验结果表明,文中设计的区域夏季降水预测模型对中国大部分地区的夏季降水趋势预测的准确率较高且比较稳定,其预测效果远高于CGCM/NCC直接输出降水结果。进一步对具有较高预测技巧的代表性区域的可预报性来源分析发现,物理意义明确且独立性强的预测因子有助于提高预测准确率。     

Numerical Simulation of Regional Climate Change under IPCC A2 Scenario in China

Regional climate change in China under the IPCC A2 Scenario, was simulated for continuous 10-yr period by the MM5V3, using the output of an IPCC A2 run from CISRO Mark 3 climate system model as lateral and surface boundary conditions. The regional climate change of surface air temperature, precipitation, and circulation were analyzed. The results showed that （1） the distribution of mean circulation, surface air temperature, and precipitation was reproduced by the MM5V3. The regional climate model was capable to improve the regional climate simulation driven by GCM. （2） The climate change simulation under the IPCC A2 Scenario indicated that the surface air temperature in China would increase in the future, with a stronger trend in winter and the increasing magnitude from the south to the north. The precipitation distribution would appear a distinct change as well. Annual mean precipitation would remarkably increase in Northeast China, Yangtze and Huaihe River Valley, and the south area of the valley. Meanwhile, rainfall would show a decreasing trend in partial areas of North China, and many regions of Southwest and Northwest China.     

博州地区气候生产力对区域气候变化的响应

根据博尔塔拉蒙古自治州(简称博州)地区3个气象站近30 a气温和降水的连续数据,运用Tharnthwaite Memoriae模型,对博州地区气候生产力的时空序列进行了分析和预测。结果表明,博州地区年平均气温在波动中呈上升趋势,增长率为0.06℃·10 a-1;年平均降水量在近30 a来总体呈增多趋势,平均每10 a增加3.2 mm。气候生产力在近30 a来呈增长趋势,平均每年增长242.5 kg·hm-2。降水和温度是决定气候生产力的主要因素,降水对气候生产力高低的贡献率最高,是影响气候生产力的最主要影响因子。"暖湿型"气候对植被生长最为有利。未来若气温提升1～2℃,降水增加10%～20%,博州地区的气候生产力可能增加11.01%～20.18%。"冷湿型"气候和"暖干型"气候则会使气候生产力降低。     

Assessment of Historical Climate Trends of Surface Air Temperature in CMIP5 Models

This study assesses the historical climate trends of surface air temperature（SAT）, their spatial distributions, and the hindcast skills for SAT during 1901– 2000 from 24 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5（CMIP5） models. For the global averaged SAT, most of the models（17/24） effectively captured the increasing trends（0.64°C/century for the ensemble mean） as the observed values（- 0.6°C/century） during the period of 1901–2000, particularly during a rapid warming period of 1970–2000 with the small model spread. In addition, most of the models（22/24） showed high hindcast skills（the correlation coefficient, R 〉 0.8）. For the spatial pattern of SAT, the models better simulated the relatively larger warming at the middle-to-high latitudes in the Northern Hemisphere than that in the Southern Hemisphere and the greater warming on the land than that in the ocean between 40°S and 40°N. The simulations underestimated the warming along some ocean boundaries but overestimated warming in the Arctic Ocean. Most of the coupled models were able to reproduce the large-scale features of SAT trends in most regions excluding Antarctica, some parts of the Pacific Ocean, the North Atlantic Ocean near Greenland, the southwestern Indian Ocean, and the Arctic Ocean. The outgoing longwave radiation（OLR） and incoming shortwave radiation（ISR） at the top of the atmosphere（TOA） and the downward longwave（LW） radiation and sensible heat flux at the surface had positive contributions to the increasing trends in most of the models.     

Simulation of China Summer Precipitation Using a Regional Air-Sea Coupled Model

A regional air-sea coupled model based on the regional climate model(RegCM3)and the regional oceanic model POM(Princeton Ocean Model)is developed and a series of experiments are performed to verify the ability of the coupled model in simulating the summer precipitation over China from 1963 to 2002.The results show that the space correlation coefficients between the GISST(Global Ice and Sea Surface Temperature)data and the simulated SST by RegCM3-POM exceed 0.9.Compared with the uncoupled experiments,the coupled model RegCM3-POM has a better performance in simulating the mean summer(June to August)precipitation over China,and the distribution of the rainband in the coupled model is more accurate.The improvement of the rainfall simulation is significant over the Yangtze River Valley and in South China.The rainbelt intraseasoaal evolution over eastern China in summer indicates that the simulation ability of RegCM3-POM is improved in comparison with the uncoupled model.The interannual summer rainfall variation over eastern China simulated by RegCM3-POM is in accordance with observation,while the spatial pattern of the interannual summer rainfall variation in the uncoupled model is inaccurate.The simulated correlation coefficient between the summer rainfall in the uncoupled model RegCM3 and observation is0.30 over the Yangtze River Valley and 0.29 in South China.The coefficient between the rainfall in the coupled RegCM3-POM and observation is 0.48 over the Yangtze River Valley and 0.61 in South China.The RegCM3-POM has successfully simulated the correlation coefficients between summer rainfall in the Yangtze River Valley and SST anomalies of the Bay of Bengal,South China Sea,and the Kuroshio area,whereas the uncoupled model RegCM3 fails to reproduce this relationship.The study further shows that the monsoon circulation and the path of the moisture transport flux simulated by RegCM3-POM are in good agreement with the NCEP/NCAR data.