WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

为了解国家气候中心第二代季节预测模式系统（BCCv2）预测产品在重庆地区的动力降尺度效果,利用WRF模式对BCCv2的2016年汛期预测数据进行动力降尺度试验,对比了动力降尺度前后预测的重庆地区汛期平均降水的差异及采用不同边界层参数化方案对降水预测的影响。试验结果表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对重庆地区汛期降水预测整体偏少的情况,且在降水空间分布特征上与观测更加接近。对比采用不同边界层参数化方案（MYJ、MYNN2、YSU和ACM2）后的降水预测结果可知,YSU方案偏差较小;但从整体看,各方案间差异并不明显。对环流场的偏差分析以及进一步利用松弛逼近法进行的试验表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对青藏高原以南和中国南部地区位势高度预测的正偏差,并能改善降尺度前其对高原南部偏西风水汽输送预测的偏弱,但对两广一带向北水汽输送预测依然较弱;边界场在环流形势预测中的偏差可能与动力降尺度预测的重庆地区汛期降水整体偏少存在联系。

     

基于MIROC/WRF嵌套模式的中国气候降尺度模拟

开展了基于嵌套的全球模式MIROC和区域气候模式WRF的动力降尺度模拟试验,检验该模式对中国气候的模拟性能,得到以下结论:全球气候模式MIROC和WRF都能较好地模拟出中国年平均地表气温(下文简称气温)分布。WRF模式对气温场的描述更为细致,模拟出了四川盆地高温和中国最北方区域的低温。两个模式总体上对南方降水模拟好于北方地区,东部地区好于西部地区。MIROC模式模拟的年平均和各季节降水与观测的 空间相关系数在0.79～0.83之间,表明它对降水的模拟较好。WRF模式模拟的降水空间分布好于MIROC模式。MIROC模式在青藏高原东南侧存在虚假降水中心,WRF能有效改进该地区降水的模拟。两个模式对年平均气温和降水年际变率的模拟能力均较差,WRF模式相对MIROC模式有一定改进。     

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。     

多模式集合预报及其降尺度技术在东亚夏季降水预测中的应用

利用动力季节模式输出的匹配域投影技术和多模式集合预报技术对多个国家和城市的站点月平均降水进行预报。预报变量是北京1个站、韩国60个站和曼谷地区8个站点的月平均降水,预报因子是从多个业务动力季节预报模式输出的多个大尺度变量。模式回报数据和站点观测降水数据时段是1983—2003年。降尺度预报降水的技巧是在交叉验证的框架下进行的。匹配域投影方法是设定一个可以活动的窗口在全球范围内大尺度场上进行扫描,寻求与目标站点降水最优化的因子和最相关的区域,目标站点的降水变率就是由该匹配域上大尺度环流场信息决定的。最终预报是用多个降尺度模式预报结果的集合预报(DMME)。多个降尺度模式预报结果的集合预报能显著地提高站点降水的预报技巧。北京站,多个降尺度模式预报结果的集合预报的预报和观测降水的相关系数可以提高到0.71;韩国地区,多个降尺度模式预报结果的集合预报平均技巧提高到0.75;泰国,多个降尺度模式预报结果的集合预报技巧是0.61。     

降尺度CMIP6模式对新疆降水模拟评估

基于6个CMIP6模式的日降水量数据,采用降尺度方法将其统一分辨率到0.25°×0.25°,选取5个极端降水指数从降水气候态、极端性、季节性三个角度对新疆区域1961—2014年历史期降水模拟效果评估。结果表明,降尺度CMIP6模式能较好再现新疆区域降水的空间分布特征,最大年均降水量误差小于30 mm,夏季降水模拟效果最佳相关系数均高于0.8。模式在春秋季对降水的模拟效果差异较小,标准差比值均在1.00 ~ 1.25之间,ACCESS-CM2模拟效果最佳。模式集合均值能模拟出观测降水增多趋势,但低估了降水的年际变率,模拟结果提示新疆80年代的降水转折可能与人类活动有关。在降水极端性和季节性方面,降尺度数据对新疆的极端降水和季节性降水均有较好的模拟性能,降尺度数据对季节性降水的模拟能力（与观测均值误差小于0.001）比原始分辨率的数据（与观测误差大于0.005）效果更好。     

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。     

基于海气耦合模式的山西省夏季降水统计降尺度预测研究

基于中国气象局国国家气候中心海气耦合模式(CGCM/NCC)预测产品和山西省50站夏季降水资料,利用典型因子回归的方法(CCA),建立了山西省夏季降水的统计降尺度预测模型。该预测模型选取了CGCM/NCC模式夏季500 h Pa高度场和海平面气压作为预测因子,分别选取了长江中下游地区和热带中东太平洋作为预报关键区。统计降尺度模型对2007~2014年山西省夏季降水的回算较模式原始结果有显著提高,除2008年外,空间距平相似系数(ACC)均通过了0.01的显著性检验,时间相关系数(TCC)在山西省大部分地区都有显著提高,最大可达0.6,降水预测(PS)评分在70分以上。检验结果显示,基于CCA降尺度方法建立的预测模型对山西省夏季降水模态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。     

动力模式产品在河南省夏季降水预测中的降尺度应用

利用NCEP/NCAR再分析资料和河南省106个站点夏季降水资料,建立了河南省夏季降水降尺度预测模型。该模型利用模式产品的500 h Pa高度场信息,通过统计降尺度方法,对河南省106个站点的夏季降水进行降尺度预测,实现了气候模式产品在河南省夏季降水预测中的降尺度解释应用,弥补了气候模式空间分辨率较低的缺陷。对该模型的历史回报检验表明,该降尺度模型对河南省夏季降水预测效果较好且较为稳定,尤其对北部、西部和豫南南部地区的效果最好。利用BCC-CGCM1和ECMWF-SYSTEM4模式资料,进行了独立样本的检验,结果表明,两种模式在5月起报的预测效果要优于3月起报的预测效果,BCC-CGCM1模式3月的预测效果要好于ECMWF-SYSTEM4的,两种模式在5月的预测效果相当。目前,此方法实现了可视化开发,并集成了检验方法,已应用于河南省气候预测业务中。     

中国西北地区夏季降水及其东部降尺度预测模型

利用中国气象局提供的降水数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了1961-2018年中国西北地区降水的气候特征,并构建了西北地区东部降水短期预测的统计降尺度模型。结果表明,1961-2018年西北地区降水整体呈现增加趋势,尤其是2000年以后降水明显偏多;西北地区降水呈西少东多的特征,但西部降水增加明显,而东部降水无明显趋势变化。针对西北地区东部夏季降水进行归因分析,找到了影响西北地区东部降水的4个同期关键影响因子——中亚地区200 hPa位势高度、北太平洋850 hPa V风、北大西洋850 hPa U风、南印度洋海平面气压,这4个因子分别反映了西风急流的特征、北太平洋海平面气压的“-+”结构、北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）的特征及马斯克林高压的强度;当西风急流偏北偏强、北太平洋海平面气压“-+”结构减弱、 NAO偏强或马斯克林高压偏弱时,有利于西北地区东部降水。在降尺度模型建立阶段,模型结果与西北地区东部夏季降水量平均偏差为17.5 mm,平均偏差率为10.3%;在模型检验阶段,模型结果与西北地区东部夏季降水量平均偏差为26.2 m...     

Dynamic downscaling of summer precipitation prediction over China in 1998 using WRF and CCSM4

To study the prediction of the anomalous precipitation and general circulation for the summer(June–July–August) of1998, the Community Climate System Model Version 4.0(CCSM4.0) integrations were used to drive version 3.2 of the Weather Research and Forecasting(WRF3.2) regional climate model to produce hindcasts at 60 km resolution. The results showed that the WRF model produced improved summer precipitation simulations. The systematic errors in the east of the Tibetan Plateau were removed, while in North China and Northeast China the systematic errors still existed. The improvements in summer precipitation interannual increment prediction also had regional characteristics. There was a marked improvement over the south of the Yangtze River basin and South China, but no obvious improvement over North China and Northeast China. Further analysis showed that the improvement was present not only for the seasonal mean precipitation, but also on a sub-seasonal timescale. The two occurrences of the Mei-yu rainfall agreed better with the observations in the WRF model,but were not resolved in CCSM. These improvements resulted from both the higher resolution and better topography of the WRF model.     

东海区风场降尺度模拟影响因子研究

基于中尺度WRF模式,采用NCEP FNL最终分析资料作为初始场和侧边界条件,以2009年为例,对中国东海区风场进行了动力降尺度研究,旨在检验WRF模式长期积分的动力降尺度能力,并考察动力降尺度方法在东海区的适用情况,为东海区多年时间尺度的风场降尺度研究提供参考。结果表明,3种不同积分方式模拟的风场均能较好地描述东海区风场的季节变化,且整体在冬季的模拟,要优于夏季的模拟。5DAY试验模拟效果最优,其他两组试验稍差。说明每5 d更新一次初始场的积分方式能够最好地描述东海区风场。每10 d更新一次初始场比起1 a连续积分模拟效果并无优势,连续长期积分模拟虽会导致系统误差累积,但定期更新初始场的方法并不一定能有效改善东海区风场的模拟效果。对于加入谱逼近方案的3种积分方式模拟的风场,每10 d更新一次初始场的试验对加入谱逼近方案响应最为明显。但就总体试验效果,5DAYS试验模拟效果仍然是最好的。加入谱逼近方案使得1 a连续积分这种积分方式模拟效果变差。由此说明,加入谱逼近方案后,采用5 d更新一次初始场的方式驱动,每次积分时间较短,初始场的作用还较强,故其改善效果不如10 d更新一次初始场;对于1 a连续积分,谱逼近方案使得初始场的改变导致了连续积分的误差积累增大。     

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.     

WRF模式不同微物理过程对东北降水相态预报的影响

为了研究不同微物理过程对中尺度模式降水相态预报的影响,利用中尺度模式WRF（V3.1）和NCEP再分析资料,采用WSM 6方案、Goddard方案和New Thompson方案等3种不同微物理过程参数化方案,对2006-2008年东北地区存在降水相变的11次降水过程进行了敏感性试验。通过对降水和云微物理特征影响的分析,了解不同方案间的预报差异。结果表明：不同微物理方案对降水落区和强度预报影响不明显,而降水相态对微物理参数化方案较为敏感,主要表现在对雨区和雨夹雪区预报影响显著。从总体预报效果来看Goddard方案表现较好。选用不同微物理参数化方案模拟的底层大气云微物理特征存在较大的差别,正是这种差别直接导致了降水相态预报间的差异。     

基于CALMET-WRF耦合的复杂地形下导线覆冰的精细化数值模拟研究

利用耦合了WRF模式的CALMET模型,对2022年1月5—10日山西省南部中条山区导线覆冰事件的天气背景场进行了数值模拟,在评估了WRF和CALMET对气象要素的模拟效果的基础上,分别利用WRF和CALMET模拟的气象场驱动Makkonen覆冰模型,对本次导线覆冰过程进行了数值模拟,得到了如下结论:1)相比于WRF模式的模拟结果,CALMET降尺度后的气象场能更符合实际地形影响下近地面温度场和风场的分布规律,其模拟的近地面低温区(气温<0 ℃)范围较WRF模拟范围更大。2)CALMET的气温均方根误差整体较WRF模式减小0.5～1 ℃,相关系数由0.5～0.8提升至0.6～0.85;风速的均方根误差较WRF减少了1 m/s,相关系数较WRF提升0.2,说明WRF模式结合CALMET模拟气象场更加接近真实观测结果。3)利用CALMET降尺度场驱动覆冰模型能较好地反映微尺度地形下电线积冰的时空分布特征,各杆塔模拟的覆冰厚度偏差较WRF显著减小了2 mm,且降低了模式对覆冰启动的滞后时间。     

长江三角洲城市群对夏季降水影响机制的模拟研究

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,对长江三角洲城市群夏季城市化效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,并作了长江三角洲地区有无城市的对比试验。结果表明,城市化使得长三角城市群及其邻近地区,夏季近地层水汽混合比呈明显减少趋势,而850~700 h Pa层的水汽混合比有所增大。通过对比有与无城市各等级降水日所对应的2 m水汽混合比,得出小雨降水日对应的2 m水汽混合比差异与总降水日对应的差异最为接近。通过分析环流场、散度场和垂直速度场发现,水汽混合比的垂直变化是由于城市群的存在使得近地层辐合、850~700 h Pa层辐散的配置增强,以及在城市群上空增强了的垂直上升运动,从而增强城区对流活动,水汽的垂直输送也更为活跃,由此可能导致对流性降水的增加。     

动力降尺度CMIP5的2006—2035新疆夏季降水变化

评估了CMIP5 9个模式对新疆夏季降水的模拟效果,从中选取5个较好的模式结果,利用RegCM4动力降尺度再集合平均。通过对CMIP5 9个模式的评估,发现CanCM4、CMCC-CM、CNRM-CM5、HadCM3、MIROC4h对新疆夏季降水的模拟较好。进一步分析动力降尺度和集合平均结果,发现动力降尺度能更好地描述新疆复杂地形造成的降水,同时发现2006—2035年比1976—2005年新疆夏季的总体降水有所减少,存在明显的减少趋势。在空间分布上主要表现为天山山脉和其南侧降水显著减少,昆仑山山脉北缘降水显著增加,这与2006—2035年新疆东北侧500 hPa出现的位势高度正异常和与之相对应的反气旋式环流异常有关。这一环流异常造成了天山山脉上空水汽的显著辐散和昆仑山山脉北缘上空水汽的显著辐合。     

A Quick Report on a Dynamical Downscaling Simulation over China Using the Nested Model

This paper describes a dynamical downscaling simulation over China using the nested model system, which consists of the modified Weather Research and Forecasting Model (WRF) nested with the NCAR Community Atmosphere Model (CAM). Results show that dynamical downscaling is of great value in improving the model simulation of regional climatic characteristics. WRF simulates regional detailed temperature features better than CAM. With the spatial correlation coefficient between the observation and the simulation increasing from 0.54 for CAM to 0.79 for WRF, the improvement in precipitation simulation is more perceptible with WRF. Furthermore, the WRF simulation corrects the spatial bias of the precipitation in the CAM simulation.     

基于TIGGE多模式降水量预报的统计降尺度研究

利用TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心、美国国家环境预报中心、英国气象局以及日本气象厅4个中心,1~7 d预报时效的降水量预报资料,以TRMM/3B42RT降水量作为"观测值",对东亚地区降水量进行统计降尺度处理。首先利用逻辑回归方法将天气分为有雨和无雨,再对有雨的情况,利用线性回归方法对插值后的预报结果进行降尺度订正,最后将4个中心的预报值进行消除偏差集合平均,得到多模式集成的降水量预报场。结果表明:逻辑回归能够有效地改善预报中小雨的空报情况,统计降尺度订正后的预报结果比直接插值更加准确,多模式集成的预报效果优于单模式结果,其改进效果随预报时效的延长逐渐减小。     

Comparison of a very-fine-resolution GCM with RCM dynamical downscaling in simulating climate in China

Regional climate simulation can generally be improved by using an RCM nested within a coarser-resolution GCM. However, whether or not it can also be improved by the direct use of a state-of-the-art GCM with very fine resolution, close to that of an RCM, and, if so, which is the better approach, are open questions. These questions are important for understanding and using these two kinds of simulation approaches, but have not yet been investigated. Accordingly, the present reported work compared simulation results over China from a very-fine-resolution GCM (VFRGCM) and from RCM dynamical downscaling. The results showed that: (1) The VFRGCM reproduces the climatologies and trends of both air temperature and precipitation, as well as inter-monthly variations of air temperature in terms of spatial pattern and amount, closer to observations than the coarse-resolution version of the GCM. This is not the case, however, for the inter-monthly variations of precipitation. (2) The VFRGCM captures the climatology, trend, and inter-monthly variation of air temperature, as well as the trend in precipitation, more reasonably than the RCM dynamical downscaling method. (3) The RCM dynamical downscaling method performs better than the VFRGCM in terms of the climatology and inter-monthly variation of precipitation. Overall, the results suggest that VFRGCMs possess great potential with regard to their application in climate simulation in the future, and the RCM dynamical downscaling method is still dominant in terms of regional precipitation simulation.