土壤湿度对东亚夏季气候潜在可预报性影响的数值模拟

利用全球大气环流模式NCARCAM3进行了在给定的观测海温条件下的22a（1979—2000年）5—8月的2组集合试验。运用方差分析方法,分析了在气候态和年际变化的表层土壤湿度情况下,CAM3模式模拟的东亚夏季气候潜在可预报性及其差异。结果表明：在给定的观测海温条件下,采用气候态的土壤湿度时,CAM3模式模拟的东亚夏季气候的潜在可预报性偏低;而采用年际变化的土壤湿度时,模拟的夏季气候潜在可预报性有所提高,尤其是在中国西北地区;后者模拟的中国西北地区夏季降水和气温的潜在可预报性比前者的模拟结果提高0．1以上。其原因可能是：采用年际变化的土壤湿度时,模式可以更好地模拟出中国西北地区的地表蒸发量和湍流热通量的年际变化,进而使得模式对该地区夏季气候的预报技巧得到提高。     

东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的第四代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明,在给定的观测海温强迫下,模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及 相关的环流场变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化,模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化,即长江流域降水偏多,而华北和华南偏少,但位置略偏南。基于奇异值分解(SVD)的分析表明,热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO)在1970年代末期的位相转变有关。此外,模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势,进而减弱了海陆温差,使东亚夏季风减弱。     

一个变网格大气环流模式对中国东部春季的区域气候模拟

将法国动力气象实验室发展的变网格全球大气环流模式LMDZ4在东亚地区进行加密,并使用ERA-40再分析资料进行环流强迫,对1958—2000年每年春季开展区域气候模拟,将模拟的4—5月气候平均态、年际和年代际变率与观测进行了对比。模式能够较为真实地模拟出4—5月东亚地区气候平均大气环流、降水和气温的空间分布,对对流层中、高层环流的模拟比对低层环流的模拟更接近于观测;模式对中国东部地区地面气候的模拟偏差主要表现为:中国中东部和华南地区偏暖偏湿,而华北则为偏冷偏湿。中东部地区的降水量比观测偏多约1.6mm/d;模拟的地表气温在华北偏低约1.4℃,在中东部和华南均偏高超过0.5℃。模式对降水的模拟偏差与其模拟的低层南支西南气流和北部西北气流均偏强有关。模式对中国东部对流层,尤其是对流层中上层大气环流的年际变化具有很好的再现能力,各物理量与观测值的相关系数都在0.6以上。模式也能很好地模拟出中国东部降水和气温的年际变率,在华北、中东部和华南,观测和模拟值在1958—2000年的相关系数均在0.7以上。模式还能够模拟出20世纪70年代末出现的中东部干旱和东北地区降水增多的年代际变化特征,也能够再现黄淮流域年代际增温的现...     

CMIP5气候模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能评估

使用分类集合的方法评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)多个耦合模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的38个模式中,仅有6个模式(第1类模式)可以成功再现1970年代末中国东部夏季降水年代际变化的主要特征,即长江流域降水偏多、而华北和华南偏少.这些模式模拟的成功归因于它们能较好再现1970年代末东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场的变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副热带高压的偏向西南、强度增强等.而对降水年代际变化模拟很差的第2类模式,则模拟出不出东亚夏季风的这种减弱特征.进一步的分析表明,两类CMIP5模式对太平洋年代际振荡(PDO)空间分布特征都有较好的再现能力,但对PDO年代际转变特征的模拟能力则差异较大.第1类模式能很好地模拟出1970年代末热带海洋的增暖和相关的PDO位相由负到正的转换,而第2类模式所模拟的PDO位相转变与观测完全相反,且也不能模拟出热带中东太平洋海洋的年代际增暖及江淮流域夏季的变冷,因此导致该类模式对1970年代末东亚夏季风的减弱和中国东部夏季雨型的年代际转变没有模拟能力.由此也表明,对耦合模式来说,中国夏季降水年代际变化的模拟能力在很大程度上取决于模式对海洋年代际变化信号的模拟.     

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.     

国家气候中心两个CMIP6模式模拟的东亚夏季风的季节内演变

分析了国家气候中心两个参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的模式BCC-CSM2-MR和BCCESM1对东亚夏季风季节内演变的模拟情况,包括气候态特征以及在ENSO(El Ni?o and Southern Oscillation)循环不同位相下的特征。本文同时对比分析了观测海温海冰驱动大气环流模式试验（AMIP试验）以及耦合模式的历史气候模拟试验（Historical试验）的结果。结果表明,模式能够合理地模拟出东亚夏季风环流和降水的气候态特征。相比大气模式,耦合模式能够明显改善对气候态的模拟,特别是耦合模式能够较好地模拟出副热带高压从6～8月向北以及向东移动的季节内演变特征。对于El Ni?o衰减年和La Ni?a年合成来说,大气模式能够在一定程度上模拟出El Ni?o衰减年（La Ni?a年）副高偏西（东）、对流减弱（增强）的特征,但是对于位置和强度的模拟存在偏差,特别是对于其季节内尺度的演变。耦合模式相比大气模式来说,并没有改善对于ENSO循环影响东亚夏季风季节内演变的模拟,这可能和耦合模式模拟的ENSO本身的偏差有关。因此要想改善对于东亚夏季风季节内演变及其年际差异的模...     

IPCC AR4中海气耦合模式对中国东部夏季降水及PDO、NAO年代际变化的模拟能力分析

利用1880—1999年中国东部35站的观测降水资料、英国Hadley中心的海温和海平面气压资料以及IPCC第4次评估报告（AR4）中20世纪气候模拟试验（20C3M）的模式输出结果,对IPCCAR4中22个耦合模式所模拟的我国东部夏季降水的年代际变化情况以及太平洋年代际涛动（PDO）和北大西洋涛动（NAO）的年代际变化情况进行了分析。结果显示,这些模式对20世纪我国东部夏季降水年代际变化的模拟结果并不理想,但对降水在20世纪70年代中期前后的突变具有一定的模拟能力。其中IAP_FGOALSL_0_G可以大致模拟出20世纪70年代中期前后降水型的突变特征,而BCCR_BCM2_0和UKMO_HadGEM1则可以模拟出华北地区降水在20世纪70年代中期之后减少的现象。对于引起我国东部夏季降水年代际变化的重要因子PDO和NAO,模式对它们年代际变化的模拟效果略好于降水。多数模式都可以模拟出PDO和NAO的空间模态,其中CNRM_CM3和UKMO_HadGEM1对PDO年代际变化（8 a以上）的模拟与实际情况比较相似,并可以模拟出20世纪70年代中期之后PDO由负位相转变为正位相的情况,而模式UKMO_HadGEM1也对NAO的年代际变化以及1980年以来不断加强的趋势模拟较好。     

ＩＰＣＣＡＲ４中海气耦合模式对中国东部夏季降水及ＰＤＯ、ＮＡＯ年代际变化的模拟能力分析

利用１８８０—１９９９年中国东部３５站的观测降水资料、英国Ｈａｄｌｅｙ中心的海温和海平面气压资料以及ＩＰＣＣ第４次评估报告（ＡＲ４）中２０世纪气候模拟试验（２０Ｃ３Ｍ）的模式输出结果,对ＩＰＣＣＡＲ４中２２个耦合模式所模拟的我国东部夏季降水的年代际变化情况以及太平洋年代际涛动（ＰＤＯ）和北大西洋涛动（ＮＡＯ）的年代际变化情况进行了分析。结果显示,这些模式对２０世纪我国东部夏季降水年代际变化的模拟结果并不理想,但对降水在２０世纪７０年代中期前后的突变具有一定的模拟能力。其中ＩＡＰ＿ＦＧＯＡＬＳＬ＿０＿Ｇ可以大致模拟出２０世纪７０年代中期前后降水型的突变特征,而ＢＣＣＲ＿ＢＣＭ２＿０和ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１则可以模拟出华北地区降水在２０世纪７０年代中期之后减少的现象。对于引起我国东部夏季降水年代际变化的重要因子ＰＤＯ和ＮＡＯ,模式对它们年代际变化的模拟效果略好于降水。多数模式都可以模拟出ＰＤＯ和ＮＡＯ的空间模态,其中ＣＮＲＭ＿ＣＭ３和ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１对ＰＤＯ年代际变化（８ａ以上）的模拟与实际情况比较相似,并可以模拟出２０世纪７０年代中期之后ＰＤＯ由负位相转变为正位相的情况,而模式ＵＫＭＯ＿ＨａｄＧＥＭ１也对ＮＡＯ的年代际变化以及１９８０年以来不断加强的趋势模拟较好。     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对北极涛动季节回报能力的初步评估

本文基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1自1960—2004年每年起报的年代际预测试验结果,初步评估了该模式对北极涛动（AO）的预报技巧。同时,把该模式年代际预测结果与历史试验模拟比较,分析了气候模式初始化对年代际试验预测季节尺度AO及其年际变化的贡献。结果表明,年代际试验和历史试验均能反映出AO模态是北半球中高纬大气变率第一模态的特征,其中年代际预测试验回报的AO模态与观测的空间相关系数高于历史试验。两组试验基本能再现AO指数冬季最强、夏季最弱的特征。与历史试验相比,年代际预测试验回报月和冬季AO指数与观测的相关系数更高,特别是年代际试验与观测的月AO指数相关系数达到了0.1的显著性水平。年代际试验回报月、春季AO指数的变化周期更接近观测结果。因此,年代际试验中初始状态使用海温资料进行初始化,在一定程度上可以提高AO的回报能力。     

CMIP5多模式对阿留申低压气候特征的模拟检验与预估

利用观测的海温资料和海平面气压资料,检验了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project 5,CMIP5)多模式对阿留申低压(Aleutian Low,AL)特征指数的时空分布和变化的模拟能力;从AL周期及变化趋势等方面,分析了CMIP5模式预估的未来AL的变化特征。结果表明,CMIP5模式及其集合平均能够很好地模拟AL的环流结构,对AL的气候态有着较强的模拟能力,尤其是模式对于东太平洋海表温度的模拟能力直接影响其对于AL的模拟效果。模式的集合平均对变率强度的模拟偏强,且对于变率的模拟效果逊于对气候态的模拟。22个模式中的16个模式能模拟出AL强度指数的年代际变化周期,对年代际周期有着较好的刻画能力。Historical试验下对于AL的变化趋势存在着较大的不确定性,而相对于两种不同排放情景,随着排放的增加,AL更加偏北,强度增强,年际、年代际周期变得更加显著。在两种排放情景下模式的集合平均以及多数模式模拟出AL有着向北和增强的趋势。     

积云参数化方案对夏季东亚季风区海气系统位相关系模拟的影响

本文利用区域海气耦合模式RegCM-POM,分别选取Grell积云参数化方案和Emanuel积云参数化方案对北半球夏季(5—10月)的东亚气候进行模拟,研究不同积云对流参数化方案(CPS)对东亚夏季季风区海气系统位相关系模拟的影响。结果表明:不同CPS模拟的陆地降水具有一定的不确定性,而海洋降水和海温的模拟受CPS选择的影响更大。其中,Emanuel方案对海洋降水和海温的分布形势模拟总体上要好于Grell方案,且可以更好的模拟中国近海各海区的海气系统位相关系,特别是大气对海温的负反馈过程。原因在于Emanuel方案模拟的对流降水与海温的位相关系更接近观测总降水与海温的位相关系;而Grell方案对南海和孟加拉湾的对流降水模拟偏少,对黑潮对流降水的模拟偏多,错误地模拟了这几个海区积云对流过程发挥的作用,故其模拟的海气系统位相关系不如Emanuel方案。     

A possible role of solar radiation and ocean in the mid-Holocene East Asian monsoon climate

An atmospheric general circulation model (AGCM) and an oceanic general circulation model (OGCM) are asynchronously coupled to simulate the climate of the mid-Holocene period. The role of the solar radiation and ocean in the mid-Holocene East Asian monsoon climate is analyzed and some mechanisms are revealed. At the forcing of changed solar radiation induced by the changed orbital parameters and the changed SST simulated by the OGCM, compared with when there is orbital forcing alone, there is more precipitation and the monsoon is stronger in the summer of East Asia, and the winter temperature increases over China. These agree better with the reconstructed data. It is revealed that the change of solar radiation can displace northward the ITCZ and the East Asia subtropical jet, which bring more precipitation over the south of Tibet and North and Northeast China. By analyzing the summer meridional latent heat transport, it is found that the influence of solar radiation change is mainly to increase the convergence of atmosphere toward the land, and the influence of SST change is mainly to transport more moisture to the sea surface atmosphere. Their synergistic effect on East Asian precipitation is much stronger than the sum of their respective effects.     

The Decadal Shift of the Summer Climate in the Late 1980s over Eastern China and Its Possible Causes

In this paper, it is pointed out that a notable decadal shift of, the summer climate in eastern China occurred in the late 1980s. In association with this decadal climate shift, after the late 1980s more precipitation appeared in the southern region of eastern China （namely South China）, the western Pacific subtropical high stretched farther westward with a larger south-north extent, and a strengthened anticyclone at 850 hPa appeared in the northwestern Pacific. The decadal climate shift of the summer precipitation in South China was accompanied with decadal changes of the Eurasian snow cover in boreal spring and sea surface temperature （SST） in western North Pacific in boreal summer in the late 1980s. After the late 1980s, the spring Eurasian snow cover apparently became less and the summer SST in western North Pacific increased obviously, which were well correlated with the increase of the South China precipitation. The physical processes are also investigated on how the summer precipitation in China was affected by the spring Eurasian snow cover and summer SST in western North Pacific. The change of the spring Eurasian snow cover could excite a wave-train in higher latitudes, which lasted from spring to summer. Because of the wave-train, an abnormal high appeared over North China and a weak depression over South China, leading to more precipitation in South China. The increase of the summer SST in the western North Pacific reduced the land-sea thermal contrast and thus weakened the East Asian summer monsoon, also leading to more precipitation in South China.     

BCC_CSM模式对热带降水年循环模态的模拟

本文评估了国家气候中心发展的两个不同分辨率海—陆—气—冰多圈层耦合气候系统模式BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1 (m) 对热带降水两个年循环模态——揭示降水冬夏季节差异的季风模态和揭示过渡季节春季和秋季非对称特征的春秋非对称模态的模拟能力,讨论了模拟偏差产生的可能原因。分析结果表明,BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1 (m) 均能合理再现全球年平均降水的基本分布特征,也能较合理再现热带降水年循环模态的基本分布特征,尤其季风模态中降水与环流关于赤道反对称的特征;能够较合理再现春秋非对称模态与热带海洋表面温度(SST)年循环之间的关系。大气温度场、环流场以及热带SST的模拟偏差对降水季风模态有影响;热带SST年循环的偏差对降水春秋非对称模态的模拟偏差有贡献;模式分辨率对降水年循环模态的模拟也有一定影响。对比分析显示,大气模式和陆面模式水平分辨率提高之后模式在某些模拟性能上有所提高,这表现在:BCC_CSM1.1 (m) 模拟的1～12月降水气候态的空间变率更接近观测;热带海表温度年循环总体上更接近观测;模拟的热带降水年循环模态的部分特征更合理。但BCC_CSM1.1 (m) 的模拟结果相对观测仍存在较大偏差,有待进一步改进。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

THE DIRECT EFFECTS OF AEROSOLS AND DECADAL VARIATION OF GLOBAL SEA SURFACE TEMPERATURE ON THE EAST ASIAN SUMMER PRECIPITATION IN CAM3.0

Using the CAM3.0 model, we investigated the respective effects of aerosol concentration increasing and decadal variation of global sea surface temperature(SST) around year 1976/77 on the East Asian precipitation in boreal summer. By doubling the concentration of the sulfate aerosol and black carbon aerosol separately and synchronously in East Asia(100-150 °E, 20-50 °N), the climate effects of these aerosols are specifically investigated. The results show that both the decadal SST changing and aerosol concentration increasing could lead to rainfall decreasing in the center of East Asia, but increasing in the regions along southeast coast areas of China. However, the different patterns of rainfall over ocean and lower wind field over Asian continent between aerosol experiments and SST experiments in CAM3.0 indicate the presence of different mechanisms. In the increased aerosol concentration experiments, scattering effect is the main climate effect for both sulfate and black carbon aerosols in the Eastern Asian summer. Especially in the increased sulfate aerosol concentration experiment, the climate scattering effect of aerosol leads to the most significant temperature decreasing, sinking convection anomalies and decreased rainfall in the troposphere over the central part of East Asia. However, in an increased black carbon aerosol concentration experiment, weakened sinking convection anomalies exist at the southerly position. This weakened sinking and its compensating rising convection anomalies in the south lead to the heavy rainfall over southeast coast areas of China. When concentrations of both sulfate and black carbon aerosols increase synchronously, the anomalous rainfall distribution is somewhat like that in the increased black carbon concentration aerosol experiment but with less intensity.     

年代际气候变化的研究进展

年代际气候变化是月、季、年际气候变化及预测的背景。20世纪90年代以来，年代际气候变化的研究引起了国内外学者的极大关注，开展了大量富有成效的研究工作。本文从大气环流、中国气温和降水、海洋以及海气系统等4个方面对年代际气候变化的研究进展进行了总结，提出了年代际气候变化，尤其是东亚地区的年代际气候变化研究需要进一步解决的科学问题。     

中国东部夏季气候20世纪80年代后期的年代际转型及其可能成因

指出了中国东部夏季气候在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型.伴随着这次年代际转型,80年代末以后中国东部南方地区降水明显增多,500 hPa西太平洋副热带高压西伸且南北范围变大,西北太平洋上空850 hPa反气旋增强.中国东部夏季80年代后期出现南方多雨的年代际转型与欧亚大陆春季积雪、西北太平洋夏季海面温度的年代际变化存在密切联系,它们也都在80年代末出现年代际转型.从80年代末以后,伴随着欧亚大陆春季积雪明显减少和西北太平洋夏季海面温度明显增高,中国夏季南方降水明显增加.文中分析了欧亚大陆春季积雪和西北太平洋夏季海面温度影响中国降水的物理过程,指出欧亚大陆春季积雪能够在500 hPa激发出大气中的遥相关波列,所激发出的波列可以从春季一直持续到夏季,造成中国北方为高压控制,南方为微弱低压控制,使得降水出现在中国南方.西北太平洋夏季海面温度的升高能够减小海陆热力差异,使得夏季风减弱,导致中国南方地区降水增多.