IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅱ.短波辐射方案的改进

在Version 2的基础上,对短波辐射方案进行进一步的改进:引入了新增非灰体气体吸收效应、冰晶粒子形状效应和尺度效应以及云的不均匀性效应(称为Version 3).数值模拟试验结果表明:Version 3能更好地模拟出全球冬、夏季的降水场、海平面气压场及地表气温场的主要分布特征,并且能相当准确地反映出这几个场的季节性变化特征.Version 3对这3个场的模拟能力明显优于原版本(Version 1).此外,它对东亚地区的季风降雨具有很好的模拟能力,能较好地反映东亚区域降水的季节性变化.可见,Version 3为进一步研究云-辐射相互作用提供了很好的模式基础.本工作还清楚地表明,模式的进一步发展必须进行对相关物理过程中各个因子的更精确刻画,只有这样,模式才能得到更好的模拟能力.     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究I·引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算。Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定。因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理。作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-II中,称为Version 2。对当代气候场的模拟结果表明,Version 2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础。     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅰ.引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算.Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定.因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理.作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-Ⅱ中,称为Version 2.对当代气候场的模拟结果表明,Version2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础.       

全球气候模式对东亚地区地表短波辐射的模拟检验

利用WCRPCMIP3提供的18个全球气候模式输出结果, 检验了其对东亚地区地表短波辐射的模拟能力, 结果表明:多模式集合的多年平均地表短波辐射模拟偏高约8.7 W/m 2, 晴空地表短波辐射模拟偏高约3.4 W/m 2, 地表短波云辐射强迫模拟偏低约5.3 W/m2, 模式间的标准差分别达到9.6, 7.8 W/m2和8 W/ m2; 多模式集合能够很好地模拟出地表短波辐射的纬向平均季节变化的位相特征, 但在量值上还有较大的差距; 模拟偏差分析表明, 多模式集合的区域年平均地表短波辐射、晴空地表短波辐射、地表短波云辐射强迫的均方根偏差分别为34.7, 17.1 W/m 2和29.1 W/ m2, 表明云在地表短波辐射的模拟偏差中起着重要作用; 多模式集合能够很好地模拟出地表入射短波辐射年变化的线性减小趋势, 但模式高估了晴空入射辐射的减小趋势, 而模拟的云辐射强迫变化趋势与ERA 40完全相反。     

区域气候模式对东亚季风和中国降水的多年模拟与性能检验

利用高分辨率区域气候模式 (NCC/RegCM)对 1998～ 2 0 0 2年的东亚环流及中国区域降水进行了数值模拟。对模拟结果的检验表明 ,模式能较真实地模拟出东亚地区多年平均的月季环流特征、季风的年变化、中国各主要气候区温度、降水的季节变化及中国主要雨带的季节性进退。但模拟的气温场在夏季对流层中、低层海洋偏暖、陆地偏冷 ,由于温度场的这种系统性误差加大了夏季海、陆温差 ,导致模拟的东亚夏季风偏强 ,使夏季雨带位置向北偏移 ,从而使华北地区降水估计偏高 ,没能很好地反映最近 5a来中国降水呈南涝北旱的气候特征。模式中地形的作用及云 辐射参数化方案等的处理可能是模拟误差的主要来源 ,这也反映了模式对于准确模拟中国区域降水的长期异常分布还比较困难 ,今后应进一步改进模式的模拟能力。     

CMIP5模式对中国东北气候模拟能力的评估

利用CN05观测资料和参与IPCC第五次评估报告的45个全球气候系统模式的模拟结果,分析了新一代全球气候模式对中国东北三省(1961~2005年)气温和降水的模拟能力。结果表明:1)绝大多数模式都能较好地模拟出研究区内显著增温的趋势,对气温的年际变化模拟能力则相对有限;2)所有模式均能很好地再现气温气候态的空间分布特征,且多模式集合模拟结果优于绝大多数单个模式,空间相关系数达到了0.96;3)对于降水的模拟结果,模式间差异较大,多模式集合能较好地再现其空间分布规律(空间相关系数为0.86),对降水年际变化及线性变化趋势的模拟能力则较差。总体来说,多模式集合对东北气候的时空变化特征具有一定的模拟能力,且对气温模拟效果优于降水,对空间分布的模拟能力优于时间变化。     

硫酸盐气溶胶对全球水循环因子的影响

  利用卫星资料进一步检验了CAM3.0模式对云的模拟能力,该模式可以较好地再现全球云的分布和季节变化的主要特征。在硫循环过程与辐射和动力过程之间双向耦合的情况下,探讨了硫酸盐气溶胶直接气候效应对水循环过程的影响。模式较好地模拟了硫酸盐气溶胶的浓度和分布变化。硫酸盐气溶胶对水循环因子的影响在不同季节和区域是不同的,其中,北半球夏季的影响最大,这是因为北半球夏季硫酸盐浓度最高。纬向平均的云量、降水和水汽的变化形势大部分相似,存在比较密切的联系。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

AGCM中云的不均匀性作用的初步研究

利用ISCCP的云不均匀性资料,探讨了云不均匀性在AGCM中的作用,分别考查了不均匀云光学厚度的贡献、单次散射反照率和不对称因子的贡献,以及3个因子的总贡献.研究表明,考虑云不均匀性效应后,AGCM模拟的气候场有着较为明显的变化.由于不均匀云光学厚度对短波辐射场的贡献与不均匀云单次散射反照率和不对称因子这两个因子对短波辐射场的作用基本上是相反的,从而造成同时考虑3个因子作用时,云的不均匀性效应对辐射场的直接作用很小,但可通过云水场的改变来间接影响辐射场.研究清楚地显示了云-辐射相互作用的复杂性,云的全面正确处理对模式模拟能力的提高非常重要.       

GRAPES-Meso模式浅对流云辐射效应的改进试验

在万子为等（2015）对GRAPES-Meso模式浅对流参数化改进的基础上,进一步引入了浅对流云量诊断计算,并设计旨在完善浅对流云辐射效应的浅云云量和云中水凝物的补偿方案,以改进模式低层云量偏少和浅对流云辐射效应不足的问题。通过对数值试验结果的诊断和对比分析以及与观测的比较,重点考察了浅对流云量计算与浅对流激发的协调性、浅对流云对低云补偿后所产生的辐射效应以及对模式地面要素预报的影响等,验证了改进方案的合理性与有效性。结果表明:（1）浅对流云量诊断计算合理,其云覆盖区与浅对流激发区相吻合,引入浅对流云量的计算可减小模式云量的计算偏差、使其向观测结果靠近;（2）改进方案在浅对流发生区低层0.5-4 km高度范围内,对影响模式云辐射过程的浅云云量和云中水凝物形成有效补偿,最明显的浅云补偿在1-1.5 km高度处,浅对流活跃时期浅对流过程对浅云水凝物（云水和雨水之和）的补偿量可达20%-55%;（3）云光学厚度对浅云水凝物的补偿响应合理,即水凝物的补偿引起云光学厚度增大,两者的变化特征在时空分布上十分相似,且云光学厚度之变化受云水补偿的影响比受雨水补偿的影响更明显;（4）在白天时段,浅云补偿所产生的辐射效应使模式地表太阳总辐射有所下降,缩小了与观测的偏差,进而使地表温度和地面2 m气温模拟偏差减小。改进方案在缓解模式云量偏少、地表太阳总辐射偏强和地面2 m气温偏高等方面的作用,在批量试验中得到了验证。      

Recent Advances in Dynamical Extra-Seasonal to Annual Climate Prediction at IAP／CAS

Recent advances in dynamical climate prediction at the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP/CAS) during the last five years have been briefly described in this paper. Firstly,the second generation of the IAP dynamical climate prediction system (IAP DCP-II) has been described,and two sets of hindcast experiments of the summer rainfall anomalies over China for the periods of 1980-1994 with different versions of the IAP AGCM have been conducted. The comparison results show that the predictive skill of summer rainfall anomalies over China is improved with the improved IAP AGCM in which the surface albedo parameterization is modified. Furthermore, IAP DCP-II has been applied to the real-time prediction of summer rainfall anomalies over China since 1998, and the verification results show that IAP DCP-II can quite well capture the large scale patterns of the summer flood/drought situations over China during the last five years (1998-2002). Meanwhile, an investigation has demonstrated the importance of the atmospheric initial conditions on the seasonal climate prediction, along with studies on the influences from surface boundary conditions (e.g., land surface characteristics, sea surface temperature).Certain conclusions have been reached, such as, the initial atmospheric anomalies in spring may play an important role in the summer climate anomalies, and soil moisture anomalies in spring can also have a significant impact on the summer climate anomalies over East Asia. Finally, several practical techniques(e.g., ensemble technique, correction method, etc.), which lead to the increase of the prediction skill for summer rainfall anomalies over China, have also been illustrated. The paper concludes with a list of criticalre quirements needed for the further improvement of dynamical seasonal climate prediction.     

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.     

印度洋偶极子对东亚季风区天气气候的影响

利用NCEP/NCAR 40年再分析资料和中国科学院大气物理研究所的IAPAGCM-Ⅱ大气环流模式,分析和模拟了印度洋偶极子对东亚季风区天气气候的影响.结果表明,印度洋偶极子对东亚季风区天气气候,特别是夏季,影响显著.印度洋正偶极子位相期间,东亚地区的西南季风爆发偏晚,强度增强,我国大陆降水增多;而印度洋负偶极子位相期间,东亚地区的西南季风爆发偏早,强度减弱,我国的东南部地区有丰富的降水.     

IAP AGCM 4.1对淮河流域夏季降水的预报技巧评估

基于中国科学院大气物理研究所新一代大气环流模式IAP AGCM 4.1共30 a(1981—2010年)的集合回报试验结果,评估了模式对淮河流域夏季降水的预报技巧。分析结果表明,模式总体上可以较好地再现出淮河流域夏季平均降水南多北少的空间分布特征,其中模式模拟的6月降水量与观测值的空间相关可达0.93。但降水强度与观测相比具有系统性的偏差,且模式模拟的降水年际变率显著偏弱。基于降水距平相关系数的确定性预报技巧分析表明,模式对流域西南部夏季降水的预测技巧较高,达到0.2以上,且模式对6月降水异常的预测能力相对最好,7月次之。针对淮河不同子流域的预报技巧分析表明,IAP AGCM 4. 1对蚌埠、鲁台子、王家坝水文控制站以上集水面积的夏季面雨量异常具有一定的预报技巧,30 a集合回报的时间相关系数分别为0. 11、0. 13、0. 16。基于降水等级的概率预报技巧评估表明,模式对7月淮河流域南部少雨事件具有很好的预报能力,同时对6月流域中部多雨事件的预报技巧也较高。     

Impacts of land surface on climate of july and onset of summer monsoon: a study with an agcm plus ssib

To get more insight into the impacts of land surface processes on climate, a simplified biosphere model (SSiB) developed by Sellers and Xue et al. is implemented into the LASG / IAP spectral climate AGCM (R15L9). The new model has been integrated for more than twenty years. The diagnoses of the integration show that the implementing of the land surface processes has greatly improved the simulation of July climate. It is also shown that the seasonal variations of land surface characteristics have great impacts on the onset of summer monsoon, especially the seasonal march of wind at 850 hPa and precipitation over the regions of summer monsoon.     

温室效应引起的东亚区域气候变化

用中国科学院大气物理研究所的两层大气和二十层大洋环流模式耦合的海气模式进行了控制试验和瞬变响应试验两个长期积分,并用它们的差异来分析大气中二氧化碳含量加倍所引起的东亚区域的气候变化。二氧化碳加倍以后,东亚年平均温度升高,降水增加,土壤湿度也是增加的,但存在着显著的季节性和区域性的差异。因此,又把东亚分成８个区,来详细探讨二氧化碳增加所引起的区域气候变化。选取了３个具有代表性的气候量：温度、降水和土壤湿度。二氧化碳加倍以后,温度的增加和土壤湿度的增加主要出现在冬半年的高纬度,降水增加的最大值也出现在冬半年的高纬度。另外,还初步分析了二氧化碳浓度加倍所引起的温度和降水年际变率的变化     

The effect of heating anomaly on the Asian circulation—A GCM experiment

A numerical experiment was done by using the IAP 9-Level AGCM to study the effects of radiation anomaly over East Asia on the Asian general circulation. The results show that the changes of Asian summer general circula-tion are remarkable in the Indian and China southwest monsoon, precipitation in India and the Yellow River and Huaihe River valley in China and area around the north Japan, the easterly anomaly of low-level zonal wind in the tropical Pacific and so on.     

Modelling the January and July Climate of 9000 Years before Present

ＭｏｄｅｌｌｉｎｇｔｈｅＪａｎｕａｒｙａｎｄＪｕｌｙＣｌｉｍａｔｅｏｆ９０００ＹｅａｒｓｂｅｆｏｒｅＰｒｅｓｅｎｔ￥ＷａｎｇＨｕｉｊｕｎ（王会军）（ＬＡＳＧ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆ...     

非线性迭代时间积分方案在IAP AGCM-II中的实施及其模拟结果

将非线性迭代时间积分方案用于大气环流模式 IAP AGCM-II中, 并用 Rossby-Hauwitz波进行了检验, 结果表明, 该方案能长期稳定的积分。此外, 还将采用该方案的模式(其中物理过程不变)和原 IAP AGCM-II模式作了模拟结果的比较, 以考察其效果; 发现采用该方案模式对降水尤其是东亚地区降水的模拟能力较原模式有所提高。