北半球夏季遥相关型的年际变化及其数值模拟

本文利用美国NMC多年北半球夏季500hPa逐日高度场的经纬度网格点资料,计算了基点位于20°N,120°E的北半球夏季扰动高度场的点相关.计算结果表明,北半球夏季在南亚、东亚与北美地区存在着一个大气环流的遥相关型. 本文还计算了这个环流异常遥相关型的年际变化,计算结果表明这个遥相关型有很大的年际变化.1972/73年ENSO事件中,这个相关型尤其明显,而其它正常年份则不明显. 本文还利用IAP-GCM与1973年夏季实际的太平洋SST距平分布模拟了由于热带西太平洋海表温度升高而产生的北半球大气环流遥相关     

动态植被模型模拟的植被季节变化及其评估

利用MODIS卫星观测资料,对一个考虑了生态系统碳氮循环过程的动态植被模型ICM的模拟性能进行了评估.重点对反映植被动力学的关键参数--叶面积指数(LAI)的模拟结果与观测进行了对比分析,评估了ICM对LAI季节变化特征的模拟能力.结果表明,ICM基本能够模拟出植被的季节变化特征.总体而言,模拟值在低纬度和高纬度地区大...     

一个海陆气耦合模式中大气-植被的年际变化及其相互作用

含有动态植被过程的陆面模式Atmosphere-Vegetation Interaction Model(AVIM)与中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)的9层大气环流模式AGCM 及20层的海洋环流模式(OGCM)耦合,建立了一个全球模式(GoALS-AVIM)并进行100年的模拟积分.后40年的结果分析表明,该耦合模式能够合理地模拟大气及陆地生态系统显著的年际变化.用奇异值分解(SVD)分析了东亚地区植被生长和气候变化的相互关系,发现在东业区域的植被净初级生产力(NPP)强弱的变化对血着大气环流的变化,特别是NPP分别与850 hPa的风场和500 hPa的高度场表现出很强的时空一致性.在东亚地区,由于植被类型的不同,导致NPP年际变化与降水、表面气温、短波辐射的年际变化的相关性不同,它们的年际变化与相关物理量场的年际变化表现出很强的植物种类的区别.     

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

年际气候变率的数值模拟

本文利用IAP GCM 20年的模式输出结果，计算了海平面气压、表面气温和降水的年际气候变率，并与观测资料作了对比分析，以考察模式模拟年际变率的能力。结果表明，模式成功地再现了观测变率地理分布的基本特征，这说明大气内部动力-物理相互作用过程对年际变率有重要影响，而模拟值的偏低则显示了模式中未包括的某些外界强迫因子如海温和海冰年际变化的潜在作用。     

21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估II:年际变化

利用欧洲中期天气预报中心的ERA40再分析资料, 评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流年际变率的模拟能力,结果表明：（1）模式对东亚地区不同要素的年际变率模拟能力整体偏弱, 500 hPa高度场的模拟能力总体优于海平面气压场及850 hPa风场;（2）两大环流系统年际变率的模拟结果评估表明：就相关系数而言,副高强度、面积的模拟能力优于印度低压,多数模式能正确模拟出副高1970s后期增强的趋势;就标准差来看,模式对印度低压、印度低压东伸槽模拟效果相对较好;（3）评估三种季风指数的模拟能力结果显示,环流异常指数模拟效果略好,但多数模式都不能模拟出海陆气压差、经向风、环流异常季风指数的年际变化。     

中国6个CMIP5模式对全球降水年际-年代际变率模拟的定量评估

本文利用美国全球降水气候中心(GPCC)的降水资料和中国参加国际第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)的6个气候模式[BCC_CSM1.1、BCC_CSM1.1(m)、BNU-ESM、FGOALS-s2、FGOALS-g2和FIO-ESM]的历史模拟试验的降水数据,采用可以表征降水变率相对和绝对量级的方法,定量评估了6个模式对降水年际-年代际变率的模拟能力。研究表明,观测降水的年际变率一般占总方差的65%~80%,年代际变率占总方差的10%~35%。在CMIP5历史试验中,6个模式平均的降水年际分量方差对总方差的贡献(超过70%)较观测偏强,模拟降水年代际分量的方差对总方差的贡献较小(约为10%~20%)。模式总体低估了全球平均总降水、年际降水和年代际降水的变率,但是高估了年际降水对总降水的贡献、低估了年代际降水对总降水的贡献。与观测相比,6个模式对东亚和澳大利亚地区的年代际降水的模拟都比较好,模拟与观测年代际降水方差的比值为1左右。在非洲、南美洲和海洋性大陆,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年代际变率最接近观测;在欧亚和北美,BNU-ESM模式模拟的降水年代际变率与观测最接近。在欧亚大陆上,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测;在非洲和美洲,FGOALS-s2模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测。本文的研究结果有助于理解中国当前气候模式对降水年际-年代际变率的模拟能力,以及未来改进模式。     

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.     

中国南方夏季降水年际变化与高低纬环流关系的数值模拟

利用区域气候模式RegCM4.4对我国南方夏季降水和大气环流进行30 a的数值模拟,通过与降水观测对比发现,模式能够较好模拟出我国东部地区夏季平均降水和年际变率的空间分布,模拟的南方地区(30 °N以南)年际变率略偏小。观测的我国南方夏季平均降水与模拟降水相关系数为0.51。观测和模拟结果均表明,典型涝年,中纬异常反气旋前方的东北风携带干冷空气,低纬异常反气旋后方的西南风携带暖湿空气,在我国南方汇合,导致南方降水异常增多,模式具有模拟我国夏季南方降水年际变化的能力。通过边界敏感性试验,去除高纬侧边界强迫的年际变化,我国东部降水偏多,南方夏季降水年际变化强度显著变弱;去除低纬度侧边界强迫的年际变化,模拟的我国南方降水偏少,长江及以北降水偏多,降水的空间分布形态发生明显的变化,而我国南方夏季降水年际变化强度基本不变。因此,中高纬环流强迫可较大程度影响我国南方降水年际变化的强度,低纬度环流强迫异常则会改变我国东部降水空间分布形态。      

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。     

年际时间尺度上全球植被与大气相互作用的诊断分析

利用NOAA AVHRR得到的19年（1982～2000）全球月平均的叶面积指数（LAI）与ERA40近地面气温和CMAP降水进行时滞相关分析,并研究了LAI的年际变化对后期温度、降水的反馈作用。结果表明,大部分地区LAI与同期气温的相关性更好,30°N以北（以南）基本上为正（负）相关。LAI滞后一个月时,北半球中低纬度和20°S以南大部地区LAI与降水的正相关更强;而在北半球中纬度大陆东部和南半球热带地区,LAI与前一个月温度的关系更密切。LAI与温度的相关性在春、秋季最明显,LAI与降水的关系在雨季最密切。LAI对气温比较显著的正反馈主要分布在北半球中高纬度地区;20°S以南大部地区为比较显著的负反馈。LAI对降水比较显著的正反馈分散在北美大陆西北部、东欧平原南部、欧亚大陆东北部和热带沿海地区。中高纬度（尤其是北半球）大部分地区LAI 对气温、降水反馈部分的解释方差达到总方差的20%以上。     

热带太平洋和印度洋海面高度季节循环和年际变化的数值模拟

利用卫星海面高度计资料,分析了赤道太平洋和印度洋海面高度变化的季节和年际变化特征,并与一个耦合气候系统模式FGCM0模拟的海面高度进行比较,评估模式模拟海面高度季节和年际变化的能力.结果表明,尽管耦合模式存在一定的系统误差,但仍然能在相当程度上模拟出海面高度季节和年际变化的基本特征.同时为检验模式中印度尼西亚贯穿流(ITF)对海面高度季节和年际变化的影响,还进行了印度尼西亚海道完全关闭的敏感性试验,与控制试验结果对比表明,印度尼西亚贯穿流可以显著影响热带太平洋和印度洋年际变化的特征.     

The Impacts of the Interannual Variability of Vegetation on the Interannual Variability of Global Evapotranspiration: A Modeling Study

The impact of the interannual variability (IAV) of vegetation on the IAV of evapotranspiration is investigated with the Community Land Model (CLM3.0) and modified Dynamic Global Vegetation Model (DGVM). Two sets of 50-year off-line simulations are used in this study. The simulations begin with the same initial surface-water and heat states and are driven by the same atmospheric forcing data. The vegetation exhibits interannual variability in one simulation but not in the other simulation. However, the climatological means for the vegetation are the same. The IAV of the 50-year annual total evapotranspiration and its three partitions (ground evaporation, canopy evaporation, and transpiration) are analyzed. The global distribution of the evapotranspiration IAV and the statistics of evapotranspiration and its components in different ecosystems show that the IAV of ground evaporation is generally large in areas dominated by grass and deciduous trees, whereas the IAV of canopy evaporation and transpiration is large in areas dominated by bare soil and shrubs. For ground evaporation, canopy evaporation, and transpiration, the changes in IAV are larger than the mean state over most grasslands and shrublands. The study of two sites with the same IAV in the leaf area index (LAI) shows that the component with the smaller contribution to the total evapotranspiration is more sensitive to the IAV of vegetation. The IAV of the three components of evapotranspiration increases with the IAV of the fractional coverage (FC) and the LAI. The ground evaporation IAV shows the greatest increase, whereas the canopy evaporation shows the smallest increase.     

300 hPa北极涡年际及年代际变化特征的研究

利用NCEP/NCAR 1949—2002年月平均再分析高度场资料,通过线性倾向估计、二项式系数加权平均、Morlet小波分析等诊断方法,系统地讨论了300 hPa北半球极涡面积、强度及中心位置的年际和年代际变化特征,结果表明:(1)年平均北极涡的面积在20世纪70年代中期之前在总的上升趋势中有几次较小的波动,之后在总体下降趋势中有几次较大的起伏;Ⅰ、Ⅱ区的线性变化趋势非常小,Ⅳ区最大,夏季的年际变化相对明显一些,秋季变化最弱,各季节均有线性收缩趋势,冬季幅度最大,秋季最小。(2)年平均极涡强度的年际、年代际变化特征与极涡面积有相似之处,但不同年份存在显著差异;各分区的强度变化与北半球类似(特别是Ⅰ区);夏季的年际变化幅度最大,春、夏季年代际变化的特征明显,秋季最弱。(3)北极涡中心位置通常并不在北极点,各分区极涡总面积所占的百分比有明显差异,且有月际变化,这些差异与海陆热力差异造成的环流的差异密切相关;极涡的主要位置有一定的年际、年代际变化特征;极涡中心位置主要偏向亚洲大陆及太平洋一侧。     

一种提高气候模式对PNA年际变化模拟能力的方法

The climate modeling community has been challenged to develop a method for improving the simulation of the Pacific-North America (PNA) teleconnection pattern in climate models. The accuracy of PNA teleconnection simulation is significantly improved by considering mesoscale convection contributions to sea surface fluxes. The variation in the PNA over the past 22 years was simulated by the Grid Atmospheric Model of IAP LASG version 1.0 (GAMIL1.0) model, which was guided by observational sea surface temperature (SST) from January 1979 to December 2000. Results show that heating in the tropical central-eastern Pacific is simulated more realistically, and sea surface latent heat flux and precipitation anomalies are more similar to the reanalysis data when mesoscale enhancement is considered during the parameterization scheme of sea surface turbulent fluxes in GAMIL1.0. Realistic heating in the tropical central-eastern Pacific in turn significantly improves the simulation of interannual variation and spatial patterns of PNA.     

Numerical Simulation of Atmosphere-Ocean-Sea Ice Interaction During Interannual Cycle in High Northern Latitudes

The interannual atmosphere-ocean-sea ice interaction （AOSI） in high northern latitudes is studied with a global atmosphere-ocean-sea ice coupled model system, in which the model components of atmosphere and land surface are from China National Climate Center and that of ocean and sea ice are from LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences. A daily flux anomaly correction scheme is employed to couple the atmosphere model and the ocean model with the effect of inhomogenity of sea ice in high latitudes is considered. The coupled model system has been run for 50 yr and the results of the last 30 years are analyzed. After the sea level pressure （SLP）, surface air temperature （SAT）, sea surface temperature （SST）, sea ice concentration （SIC）, and sea surface sensible heat flux （SHF） are filtered with a digital filter firstly, their normalized anomalies are used to perform the decomposition of combined complex empirical orthogonal function （CCEOF） and then they are reconstructed with the leading mode. The atmosphere-ocean-sea ice interactions in high northern latitudes during a periodical cycle （approximately 4 yr） are analyzed. It is shown that： （1） When the North Atlantic Oscillation （NAO） is in its positive phase, the southerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT increases, the sea loses less SHF, SST increases and SIC decreases accordingly; when the NAO is in its negative phase, the northerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT decreases, the sea loses more SHF, SST decreases and SIC increases accordingly. There are similar features in the Barents Sea, but the phase of evolution in the Barents Sea is different from that in the Greenland Sea. （2） For an average of multi-years, there is a cold center in the inner part of the Arctic Ocean near the North Pole. When there is an anomaly of low pressure, which is closer to the Pacific Ocean, in the inner part of the Arctic Ocean, anomalies of warm advection appear in the region near the Pacif     

全球植被分布对气候影响的数值试验

利用一个新的陆－气双向耦合模式R42_AVIM, 通过有无植被覆盖的对比试验分析, 探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。得出: 陆面植被覆盖使得地表特征参数发生行星尺度的明显改变, 在叶面积指数大的热带和中高纬度森林带尤其显著。在现实植被分布下, 陆地表面反照率减小, 地表净辐射收支和地表潜热通量增加, 而地表感热通量减小。植被叶面积指数比较大的区域地表温度降低, 并且这种温度的改变一直延伸到对流层中上层, 在热带表现为斜压结构, 而在中高纬表现为相当正压结构。植被的存在使热带和中高纬度森林带的蒸发和相应的高层凝结潜热加热增强, 从而增强了经圈环流的上升支, 使得冬季在热带和南半球中纬度降水增多, 夏季在热带和北半球中高纬地区降水明显增多; 而经圈环流下沉支的增强致使副热带降水减少且更干旱。同时, 植被的存在使大陆潜热释放增强, 气温下降, 减小了海陆温度对比, 亚洲夏季风也有所减弱。     

景观植被生态系统水平衡模拟与分析

景观或区域的水平衡状况是全球变化的重要指标。本研究建立了一个空间显式景观过程模型,模拟了长白山自然保护区的水循环过程,并对水分收入、支出和平衡的总体状况、季节动态和空间分布格局进行了分析。整个保护区单位面积上水分盈余0.225±0.255 m.a-1,总计盈余4.379×108m3.a-1,但空间变异相当大。阔叶红松林的水分有略微亏缺,其他类型植被生态系统每年均有不同程度的水分盈余。从总面积上看,云冷杉林每年的水分盈余最多(可达1.696×108m3.a-1),占整个保护区的40.56%。整个保护区6月水分亏缺最严重,7~8月水分盈余最多,3~4月盈余较多。阔叶红松林除3月外,其他各月的水分亏缺均最多或次多,其中7~8月的水分盈余最少。降水量对水分收入、水分支出和水平衡季节动态的影响均最大。总的来说,年水分盈余的空间分布随海拔升高呈明显增加的趋势。气象因子均对水平衡的空间分布有极显著影响,气温和总辐射较高的地带,水分盈余较少,甚至出现水分亏缺;而降水量、相对湿度和风速较高的地带,水分盈余也较多。水分收入与叶面积指数(LAI)呈极显著负相关关系;而水分支出与LAI呈极显著正相关关系,主要受蒸腾量的影响。