Performance of Regional Integrated Environment Modeling System (RIEMS) in precipitation simulations over East Asia

Regional climate models (RCMs) can provide much more precise information on surface characteristics and mesoscale circulation than general circulation models. This potential for obtaining more detailed model results has motivated to a significant focus on RCMs development in East Asia. The Regional Integrated Environment Modeling System, version 2.0 (RIEMS2.0) has been developed from an earlier RCM, RIEMS1.0, at the Key Laboratory of Regional Climate-Environment for East Asia and Nanjing University. To test the ability of RIEMS2.0 to simulate long-term climate and climate changes in East Asia and to provide a basis for further development and applications, we compare simulated precipitation from 1979 to 2008 (simulation duration from 1 January 1978 to 31 December 2008) to observed meteorological data. The results show that RIEMS2.0 reproduces the spatial distribution of precipitation in East Asia but that the simulation overestimates precipitation. The simulated 30-year precipitation average is 26 % greater than the observed precipitation. Simulated upper and root soil water correlate well with remote sensing derived soil moisture. Annual and interannual variation in the average precipitation and their anomalies are both well reproduced by the model. A further analysis of three subregions representing different latitude ranges shows that there is good correlation and consistency between the simulated results and the observed data. Annual variation, interannual variation of average precipitation, and the anomalies in the three sub-regions are also well captured by the model. The model’s performance on atmospheric circulation and moisture transport simulations is discussed to explore the bias between the simulation and observations. In summary, RIEMS2.0 shows stability and does well in both simulating long-term climate and climate changes in East Asia and in describing subregional characteristics.     

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.       

RegCM3 CORDEX东亚试验模拟和预估的中国夏季温度变化

按照CORDEX (COordinated Regional Downscaling Experiment) 计划试验设计要求,利用中国科学院大气物理研究所全球模式FGOALS-g2的数据驱动区域气候模式RegCM3,针对1986~2005年历史气候和2010~2065年RCP8.5排放情景下气候预估,对东亚地区进行了50 km动力降尺度模拟。首先评估了RegCM3模式及驱动模式FGOALS-g2对1986~2005年夏季中国地表气温和极端高温事件的模拟能力,然后比较了两个模式在RCP8.5排放情景下对中国夏季地表气温和极端高温事件预估的变化,重点分析了动力降尺度结果的优势。结果表明,两个模式均能合理再现夏季中国地表气温和极端高温事件的大尺度气候态特征。相对于全球模式,区域模式由于水平分辨率较高,能在刻画地表气温分布的细节上体现出优势。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的三个地表气温指标均显著升高,到21世纪中期 (2046~2065年),两个模式预估的全国平均地表气温增幅相当,气温日较差变化均较小。在FGOALS-g2模式预估中,到21世纪中期,三个地表气温指标的增幅相当,气温日较差没有明显变化,东北和青藏高原的地表气温增幅最大。在RegCM3模式预估中,到21世纪中期,中国大部分地区日最高气温 (Tmax) 增幅大于日最低气温 (Tmin) 增幅,气温日较差增加;而在青藏高原西部,Tmax的增幅较Tmin偏低,气温日较差减小。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的极端高温事件到21世纪中期也显著增加,RegCM3模式预估的极端高温事件全国平均增幅略高于FGOALS-g2模式的预估。在两个模式的预估中,日最高气温最大值 (TXx)、暖昼指数 (TX90p) 和持续暖期指数 (WSDI) 变化的空间分布特征与Tmax相似;和当代相比TX90p增加了60%以上,而WSDI增加了一倍以上。     

Changes in the Covariability of Surface Air Temperature and Precipitation over East Asia Associated with Climate Shift in the Late 1970s

Variations in surface air temperature and precipitation are closely associated because of their thermodynamic relations. The climate shift in the late 1970s and associated changes in precipitation over East Asia have been well reported. However, how the covariability of surface air temperature and precipitation responds to the climate shift is not yet well understood. We used the observed mean（Tmean）, daily maximum（Tmax）, and minimum（Tmin） surface air temperatures and precipitation during the period of 1953–2000 to explore this issue. Results show that the covariability between Tmean and precipitation experienced remarkable changes over certain areas of East Asia after the climate shift with evident seasonal dependencies. In winter, after the climate shift significantly negative correlations occupied more areas over Mongolia and China. By contrast, in summer after the climate shift significantly negative correlations which existed over almost entire East Asia during the pre-shift period were mostly weakened with the exception of enhanced correlations over some small isolated areas. Changes in the covariability of Tmax and precipitation showed a similar spatial pattern to that of the Tmean, whereas the Tmin-precipitation covariability did not. In winter, after the climate shift positive correlations between Tmin and precipitation over southern China were largely weakened, while the areas with significantly negative correlations increased over Mongolia. In summer, changes in Tmin-precipitation covariability appeared to be a negative-positive-negative pattern from south to north over East Asia, with positive changes occurring in the Yangtze-Huai River valley and Korea and negative changes occurring over South China and Japan, and northern part of East Asia.     

区域气候模式REMO对中国气温和降水模拟能力的评估

采用泰勒图和偏差分析等统计方法,评估分析了德国区域气候模式（REMO）对中国1989-2008年气温和降水的模拟能力。结果表明：REMO气温模拟值与观测值空间相关系数为0.94,降水空间相关系数较低（0.42）,气温模拟结果明显优于降水;从空间偏差上看,在中国大部分地区,REMO模拟的气温高于观测值,偏差在±4℃以内,青藏高原整体有明显的-4～-2℃的冷偏差;模拟的降水值则高于观测值,空间偏差分布较均匀,中国大部分地区偏差在±300 mm之内;除青藏高原、华南和西南地区外,REMO能较准确地反映出中国气温和降水的空间分布特征,其中华北和东北地区模拟效果最好;REMO对夏季气温和冬季降水的模拟能力相对较好;REMO在地形起伏较大地区的模拟能力有待提高。     

Simulation of a Freezing Rain and Snow Storm Event over Southern China in January 2008 using RIEMS 2.0

The Regional Integrated Environmental Model System(RIEMS 2.0) with NCEP Reanalysis II is utilized to simulate the severe freezing rain and snow storm event over southern China in January 2008,which caused severe damage in the region.The relationships between the freezing rain process and the large-scale circulation,in terms of the westerly and low-level jets,water vapor transportation,and northerly wind area/intensity indices,were analyzed to understand the mechanisms of the freezing rain occurrence.The results indicate the following:(1) RIEMS 2.0 reproduced the pattern of precipitation in January 2008 well,especially for the temporal evolution of daily precipitation averaged over the Yangtze River valley and southern China;(2) RIEMS 2.0 reproduced the persistent trough in the South Branch of the westerlies,of which the southwesterly currents transported abundant moisture into southern China;(3) RIEMS 2.0 reasonably reproduced the pattern of frequencies of light and moderate rain,although it overestimated the frequency of rain in southern China.This study shows that RIEMS 2.0 can be feasibly applied to study extreme weather and climate events in East Asia.     

地表气温变化研究的现状和问题

对全球和中国地区平均地表气温变化趋势研究进行了简要评述，对当前研究中需要加强的工作提出了初步建议。     

近百年中国地表气温变化趋势的再分析

重新考虑了1950年前后器测资料的非均一性问题,统一采用最高温度和最低温度计算月平均温度,利用国际上通行的区域平均温度序列计算方法,建立了中国近100年的地表气温序列,并对气温变化趋势进行了再分析.结果表明,自1905年以来中国地表年平均气温明显增暖,升高幅度约为0.79℃,增温速率约为0.08℃/10 a,比同期全球或北半球平均略高.但是,20世纪80年代初以来的增温似乎不比30～40年代明显,而20世纪50～60年代地表气温的变冷却比全球或北半球显著得多.和全球平均温度变化一样,近100年来中国的增温也主要发生在冬季和春季,而夏季却有微弱变凉趋势.新的全国平均气温序列与以往的研究结果比较给出了更高的增温趋势估计值,这主要与采用新的月平均气温统计方法改善了原序列的均一性有关.另一方面,由于早期资料覆盖面积比例低和后期城市化影响等问题,这里给出的增温趋势估计仍然存在着较大的不确定性.     

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。     

Influence of the NAO on Wintertime Surface Air Temperature over East Asia: Multidecadal Variability and Decadal Prediction

In this paper,we investigate the influence of the winter NAO on the multidecadal variability of winter East Asian surface air temperature(EASAT)and EASAT decadal prediction.The observational analysis shows that the winter EASAT and East Asian minimum SAT(EAmSAT)display strong in-phase fluctuations and a significant 60-80-year multidecadal variability,apart from a long-term warming trend.The winter EASAT experienced a decreasing trend in the last two decades,which is consistent with the occurrence of extremely cold events in East Asia winters in recent years.The winter NAO leads the detrended winter EASAT by 12-18 years with the greatest significant positive correlation at the lead time of 15 years.Further analysis shows that ENSO may affect winter EASAT interannual variability,but does not affect the robust lead relationship between the winter NAO and EASAT.We present the coupled oceanic-atmospheric bridge(COAB)mechanism of the NAO influences on winter EASAT multidecadal variability through its accumulated delayed effect of~15 years on the Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO)and Africa-Asia multidecadal teleconnection(AAMT)pattern.An NAO-based linear model for predicting winter decadal EASAT is constructed on the principle of the COAB mechanism,with good hindcast performance.The winter EASAT for 2020-34 is predicted to keep on fluctuating downward until~2025,implying a high probability of occurrence of extremely cold events in coming winters in East Asia,followed by a sudden turn towards sharp warming.The predicted 2020/21 winter EASAT is almost the same as the 2019/20 winter.     

冬季北极涛动对东亚表面温度的持续异常影响

利用1950—2013年NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心的海表面温度资料,统计分析了冬季北极涛动 (AO) 对东亚表面温度的影响。研究发现:冬季AO正位相时,东亚大槽减弱,西伯利亚高压减弱,低层风场异常偏南,东亚冬季风减弱,东亚冬季风区温度升高,而负位相时情况相反。冬季高纬度大气变率大,冬季逐月AO与东亚冬季温度的关系表明1月、2月AO分别与东亚表面温度的相关关系皆可持续2个月以上;AO正位相时,西太平洋海温和东亚表面温度均有所升高,由于海洋运动和变化具有缓慢性和持续性,西太平洋海温可以承载长达4个月的AO信号,西太平洋海温可持续影响东亚地区温度,导致AO持续影响东亚表面温度。     

1901-2007年澳门地面气温变化的分析

 利用澳门的气温观测资料, 分析了澳门1901-2007年地面气温变化的基本特征。结果表明：近107 a的升温率为0.066℃/10a, 明显低于全球平均升温率。季节平均气温的年代际变化有明显的季节差异,最大的增暖发生在春季和冬季,夏季的增暖最小;冬、夏季的变化分别有明显的时间尺度约为60 a和30 a的振动。年平均最高气温的升温率仅为最低气温的一半左右。最高气温的年代际变化呈缓慢的气候波动现象,20世纪80年代中期以后的升幅与历史上的增暖大致相当;最低气温近20多年来的增暖趋势可能是其长期（变暖）趋势的延续。年平均日较差整体来说是趋于减少的,但近30 a却趋于增加。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究——垂直分辨率与侧边界对夏季季风降水影响研究

将美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式（RegCM2-1996）设置在东亚-西太平洋区域（简称东亚区域气候模式RegCM2/EA）。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题，即：垂直分辨率的影响，侧边界条件（如嵌套技术、缓冲区宽度、不同资料）的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式，但容易引起“数值点暴雨”；RegCM2/EA与不同来源的大尺度侧边界嵌套，模拟的降水会有明显的不同；当用RegCM2/EA模拟较大区域时，应该取较宽的缓冲区；在各种嵌套方案中，指数松弛嵌套方法最好。这些结果为进一步探讨东亚区域气候模式的特点以及发展与改造区域气候模式提供一定的依据。研究结果还需要用更多的数值试验来验证。     

CMIP5模式对中国地区气温模拟能力评估与预估

利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）中29个气候模式的气温模拟结果,评估了各模式对中国地区年平均气温的模拟能力,对未来不同典型浓度路径（RCPs）下中国地区气温的可能变化给出了预估。结果表明：各模式能较好地模拟过去100多年中国地区增温趋势和年平均气温的空间分布,从模式间标准差来看,各模式对中国中部、南部气温模拟具有较高的一致性。利用相对均方根误差分析了各模式的模拟能力,对于多时间尺度（月、年）气温的气候平均态,有7个模式表现良好,高于中等水平,5个模式的模拟能力低于中等水平,模式集合平均值的模拟效果优于大多数单个模式。根据29个模式的评估结果,使用模拟性能相对较好的模式分析了未来不同排放情景下中国地区气温变化,21世纪前期,不同排放情景之间的预估结果差别较小,21世纪中期各情景之间的差别逐渐增大,到21世纪后期,3种排放情景的升温差别明显增大。     

亚洲冬季地表气温与北半球海平面气压场的关系

利用NCEP资料对1949～1999年间的地表气温进行经验正交函数分解(EOF),得到的前两个模态均表明,20世纪70年代中期以后,在两个模态迭加的情况下,亚洲大部分区域冬季气温升高,增暖明显,发生了显著的年代际变化.奇异值分解(SVD)冬季亚洲地表气温和北半球海平面气压场得到的结果说明,北极涛动对亚洲冬季气温的年代际变化有显著影响,其次北太平洋海平面气压与陆地海平面气压的反相分布可能对亚洲冬季气温的年际变化有影响.     

我国地面气温参考站点遴选的依据、原则和方法

由于城市化和观测环境变化的影响,我国现有国家级气象台站网观测的地面气温资料许多已不能满足气候变化检测研究的要求。利用我国全部气象观测站网的台站信息,对地面气温资料序列质量进行了系统评价,遴选出可用于气温变化研究的参考站点。这项工作建立了地面气温参考站点遴选的原则、方法和步骤,并据此确定了138个地面气温参考站。这些台站可代表背景地面气温场,其长期气温观测资料可用作城市台站或国家级台站城市化增温评价的参考,也可直接用于我国地面气温变化的检测分析。     

A Modeling Study of the Climate Effects of Sulfate and Carbonaceous Aerosols over China

In this paper, the RIEMS 2.0 model is used to simulate the distribution of sulfate, black carbon, and organic carbon aerosols over China (16.2°-44.1°N, 93.4°-132.4°E) in 1998. The climate effects of these three anthropogenic aerosols are also simulated. The results are summarized as follows: (1) The regional average column burdens of sulfate, BC, OC, and SOC were 5.9, 0.24, 2.4, and 0.49 mg m-2, with maxima of 33.9, 1.48, 7.3, and 1.1 mg m-2, respectively. The column burden and surface concentration of seco...     

PRECIS模拟系统对中国地面气温变化的QUMP集成预估

利用英国Hadley中心QUMP模式(Quantifying Uncertainties in Model Projections)集合的5组敏感性试验产生的全球气候背景场驱动区域气候模拟系统PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)产生的降尺度数据,分析PRECIS对中国地面气温变化的模拟能力,同时对SRES A1B温室气体排放情景下21世纪中期(2021~2050年)中国区域的温度做出预估。模拟能力分析结果显示:PRECIS在5组背景场驱动下都可以较好地模拟出气候基准时段(1961~1900年)中国区域气温的年变化和时空分布特征,但存在暖偏差,高敏感度模拟实验的暖偏差幅度要大于中低敏感度。预估结果显示:5组敏感性试验降尺度模拟的温度均呈增加趋势,其中最低温度的变暖幅度高于平均温度和最高温度。高敏感度试验Q10模拟的升温幅度介于低敏感度模拟和中敏感度模拟之间,其他敏感性试验表现出高敏感度模拟的升温幅度高于中敏感度模拟,而中敏感度模拟高于低敏感度模拟。从模拟的升温空间分布上看,西北地区升温幅度最显著,可达2.08~2.61°C,华南地区升温幅度相对较小,为1.33~1.84°C,但不同敏感度模拟的升温幅度具有一定的区域差异。     

春季北极涛动对盛夏长江流域地表气温的影响

本文基于1958至2002年的ERA-40 月平均再分析资料,利用年际增量方法分析了春季北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)与我国夏季长江流域地表气温的关系。结果表明,在扣除前期冬季ENSO影响后,5月AO指数与8月长江流域地表气温存在显著正相关。通过回归分析发现,5月AO可通过影响中低纬度的海气相互作用进而影响8月长江流域地表气温。当5月AO处于正位相时,在(10°~15°N)及赤道附近产生异常下沉气流,对应着西太平洋局地Hadley环流减弱,对流层底层出现了异常的反气旋性辐散气流。与之对应,赤道西太平洋地区出现了显著的东风异常。由于该东风异常位于5月气候平均的局地海表面温度(SST)极大值中心位置上,该东风异常可通过平流作用使得高海温不断地向西堆积,最终造成赤道西太平洋SST出现显著正异常。当该SST正异常持续至8月时,它通过Gill响应(Gill,1980)在其西北侧激发出气旋性异常环流,它有利于西太平洋副热带高压在我国长江流域的维持,进而造成长江流域地表气温正异常。反之,则相反。     

中国东北暖季气温变化特征及其与海温和大尺度环流的关系

利用1980~2014年CRU TS3.24月平均气温数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东北暖季（5~9月）气温的时空变化特征及其相应的大气环流状况。结果表明:中国东北暖季气温主要表现为全区一致型和南北反位相型两个模态,二者总解释方差高达86%。全区一致型具有明显的年代际变化特征,并在1990年代中期发生了显著的年代际突变,而南北反位相型具有明显的年际和年代际变化特征。全区一致型增暖对应着中国东北地区上空500 hPa位势高度的正异常和850 hPa的反气旋环流异常。当500 hPa位势高度南北反相时,对应于中国东北暖季气温的南北反位相型。进一步分析表明中国东北暖季气温的全区一致型及其1990年代中期的年代际突变与日本海及黑潮延伸区的海温异常及太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡指数紧密相关。菲律宾以东的西太平洋、北太平洋中部、我国东南沿海、靠近北美东北部的北大西洋等海域的海温异常对中国东北暖季气温全区一致型的出现具有一定的预测作用。而南北反位相变化型与黑潮延伸区的海温异常关系显著,与大尺度指数的相关普遍不明显。在1990年代中期突变前,南北反位相型受到ENSO事件的影响,之后影响不显著。