我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅱ) 嵌套模式的回报评估

采用数值模式方法对我国华东地区进行月尺度短期气候预测。预测框架由改进的低分辨率全球环流模式T63 L9嵌套并入了水文模型VXM的区域气候模式RegCM3构成,根据嵌套气候模式的积分结果,经剔除系统误差后制作短期气候预报。本文利用国家气候中心的评分方法对2003、2004两年的降水和地表气温回报结果作了评估;还将本系统的预报结果与CMAP降水资料、NMC温度资料及全国160站的观测资料进行了对比。结果表明,该系统可以比较稳定地对我国华东地区的降水和温度进行月尺度预测。     

华南区域短期气候模式月尺度降水预测性能分析

大量研究表明月尺度的短期气候模式预测有着明确的可能性［１～２］。区域气候模拟更是给出了令人振奋的结果［３～５］,实际的区域气候模式预测已提到议事日程。本文用新开发的“华南区域短期气候预测模式”作月尺度模拟预测试验,并分析了模式的预测性能［６～７］。降水预测被公认为气候预测中最困难和重要的,因此,本文专门对模式的降水预测性能进行详细分析,了解模式的成功和不足之处,为模式最终投入业务运行提供依据。１　模式、方案简介　　模拟预测取用广州热带海洋气象研究所新近开发建立的“华南区域短期气候预测模式系统”。…     

剔除“系统误差”对月尺度区域气候动力预测影响的研究

通过大气环流模式提供侧边界条件,单向嵌套并入了水文模型VXM的区域气候模式RegCM3对我国华东地区进行月尺度气候预测。根据嵌套模式1991～2000年10年各月的积分结果与美国气候预测中心的降水综合分析资料(CMAP)、美国国家气象中心(NMC)的温度资料建立了一组针对各月的“系统误差”,对2001～2005年5年各月的回报结果进行订正,通过对原始回报结果和订正结果进行评估发现,经剔除“系统误差”后的预测结果较原始预测结果改进较为明显,表明该方法可有效提高月尺度区域气候动力预测的准确率。     

区域气候模拟研究及其应用进展

区域气候模拟研究在过去十几年里取得了显著的进步。经过广泛的发展和不断的检验,区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具。目前已经发表了很多令人鼓舞的结果,其中包括过去极端气候事件的模拟,当前气候发展演变和未来气候变化的预测,特别是对月和季节尺度气候的模拟与预测。通过对高分辨率和动力连续的区域气候模式结果的分析,人们对于周-季节时间尺度的各种物理过程,包括陆面和水文过程、边界层、云和降水、云-辐射相互作用的认识也在不断的深入。然而,区域气候是多尺度扰动(如中尺度、天气尺度、行星尺度扰动)和多圈层系统(如大气圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陆面)相互作用的结果,同时物理过程本身具有不确定性,人们对一些复杂的物理过程,特别是土壤湿度作用以及云-气候反馈过程也缺乏深刻的理解,因此该领域的研究还面临着很多挑战。作者重点总结并评述了区域气候模式对现在和未来区域气候模拟、极端天气和气候事件模拟、物理过程研究、短期气候预测几方面应用的研究进展,最后讨论了区域气候模式发展在上述各方面,特别是周-次季节时间尺度区域天气和气候的模拟与预测所面临的挑战和应用前景。     

气候平均倾向边界的RegCM2区域气候模式应用与评估

气象模式与农业气象模式的集成系统用于我国冬小麦区域土壤水分预报和灌溉管理预报。集成系统的气候模式采用NCAR的区域气候模式（RegCM2），为农业气象模式提供实时的降水、气温、比湿、风速等气象要素场预报。RegCM2模式的预报能力关系到农业气象模式预报的效果，文中针对该系统在2000年3－5月冬小麦主要生长期的预报结果，按照国内现行的短期气候预测的评估方法，对系统的动力模式部分进行检验和评估。评估结果表明，降水距平预报评分接近和略超过发布的国内业务预报评分，其中以淮河、新疆、内蒙古预报得分最高。月平均气温距平预报评分超过业务预报得分，3月的月降水和4月、5月的月均气温距平相关系数均超过业务预报，3月和4月的月降水异常级TS评分略高于业务预报评分。月尺度的初步评估结果显示RegCM2模式有一定的月预报能力，可以用作跨月的温度降水预报。     

区域气候模式对华北夏季降水的气候模拟

使用美国ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＣＭ２对１９９１和１９９４年我国华北夏季降水进行了气候模拟研究,以检验ＮＣＡＲ区域气候模式对华北夏季降水的气候预测能力。模拟结果表明,该模式能较好地模拟华北夏季降水的主要分布特征,对华北少水年（１９９１年）和我水年（１９９４年）夏季降水的模拟都比较成功。模式还能罗好地模拟夏季季风的发展过程,地环流场的模拟也与分析场比较一致,因而该模式可以用于研究物预测华北夏季降水     

对流允许尺度区域气候模拟的研究进展

与以往的区域气候模式相比,对流允许区域气候模式不再依赖于对流参数化方案,其精细的分辨率可以显式表示深对流过程,在夏季对流降水的日变化和极端降水事件模拟等方面具有明显增值能力,是区域气候模拟的发展方向。对现有的对流允许尺度区域气候模拟研究进行了较为详细的回顾和介绍,简述了对流允许尺度区域气候模式中比较重要的物理过程及外部驱动条件的影响,总结了以往对流允许尺度区域气候模拟的研究成果以及当下所面临的挑战和对未来的展望,以期对中国及东亚区域对流允许区域气候模拟的研究提供有益参考。诸多研究表明,对流允许区域气候模拟作为一种有前景的气候模式,可提供更加可靠的区域尺度的气候信息。     

区域气候模式RegCM3在华东地区夏季的10年回报和2010年业务预报

利用国家气候中心全球海气耦合模式(BCC_CM1.0)嵌套区域气候模式RegCM3进行了近10年(1998-2007年)夏季回报及2010年华东夏季实时业务预报。从10年回报的模拟平均状况来看,模式基本能反映出中国东部夏季的平均状况,模式回报的夏季气温分布与实况较为相似,但回报的夏季降水量分布形态与实况有一定差异。使用国家气候中心六级Ps评分及简化的Ps评分对模式10年回报进行了评估。结果表明,该模式对华东地区夏季气温和降水有一定的跨季度预报能力,温度和降水10年平均Ps评分分别为69.9和60.9;对华东地区南部的气温及其东南部的降水有较好的回报效果。利用该模式进行了2010年夏季实时业务预报,预报检验表明,模式预报的2010年夏季温度距平和降水距平百分率分布与实况较为一致,夏季温度和降水的Ps评分分别为71.4和55.3;对影响较为严重的气候事件如江西降水极端偏多等也进行了准确预报。     

温室效应引起的中国区域气候变化的数值模拟Ⅰ:模式对中国气候模拟能力的检验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,进行了CO2加倍对中国区域气候变化影响的数值试验研究,分析了控制试验(1×CO2)即模式对中国当代气候的模拟情况.首先给出了全球模式控制试验在中国地区的结果,分析表明它对中国区域的地面气温和降水具有一定的模拟能力,其结果可以用来制作驱动区域气候模式的初始场和侧边界.对RegCM2 5 a时间长度控制试验积分结果的分析与检验表明,区域气候模式由于具有较高的分辨率和较完善的物理过程,它对中国区域地面气温和降水的模拟效果较全球模式有了较大提高,如它模拟的各月气温与实况的相关系数全年12个月的平均由全球模式的0.83提高到0.92,降水由0.48提高到0.65.     

基于区域气候模式未来气候变化研究综述

随着全球气候变化愈加剧烈,区域气候的差异化特征越来越明显,单单利用全球气候模式对区域气候进行研究已经不能满足时空尺度的要求。由于区域气候模式具有更高的空间分辨率等优势,使用区域气候模式能够有效解决这一问题,目前区域气候模式已在全球范围内得到广泛应用。本文简述了区域气候模式发展历程、最新研究进展以及全球主流的动力降尺度区域模式,归纳了气候情景发展;分别从气温和降水两方面着重总结了区域气候模式在全球不同区域不同情景应用情况,分析了未来全球不同区域气候变化趋势,尽管不同研究者所使用模式存在差异,对未来降水预估不尽相同,区域性比较明显,但几乎所有研究一致认为未来全球仍将经历一个持续增暖过程。文章最后对区域气候模式模拟过程中存在的问题进行了概述并对未来区域气候模式发展方向进行了展望,给出中国区域气候模式未来发展方向。     

GRAPES模式不同云物理方案对短期气候模拟的影响

在胡志晋、刘奇俊云物理方案的基础上，研制了GRAPES模式的云降水显式方案。用不同云物理方案开展了短期气候（月尺度）过程的模拟试验，并与地面观测资料和NECP再分析资料进行了对比分析。模拟的结果表明，耦合了云降水显式方案的GRAPES模式较好地模拟出了中国地区降水、温度、云量、长短波辐射的特点和分布规律。气候模拟中冰相过程和暖云过程模拟的降水、温度、云量和辐射差异较大，不同相态的水凝物及其分布对辐射特征有较大的影响，混合相云物理方案的模拟结果与实况更为吻合，应使用混合相云物理方案进行短期气候的模拟。     

短期气候预测评估方法和业务初估

根据短期气候预测业务目前的基本现状,提出了短期气候业务预测效果评估的几种参数。使用这些参数对国家气候中心气候预测室近20多年来全国范围月、季、年几种主要预测业务的降水距平百分率和平均气温距平的预测效果进行了初步评估。结果表明,月尺度预报中,温度预报好于降水预报;年度降水预报以对春季预报为最好;汛期降水预报水平有明显提高。     

成都区域中心动力气候模式产品降尺度应用业务系统

利用动力气候模式(T63)产品进行降尺度解释应用,是目前以及未来开展气候预测的主要手段。本系统基于国家气候中心下发的气候模式产品、NCEP/NCAR 500 hPa高度场、西南区域84个代表站温度降水历年资料,采用动力统计相结合的技术方法,建立了“成都区域气象中心动力气候模式解释应用系统”,该系统以统计降尺度方法在西南区短期气候预测中的业务化应用为目的,实现了统计方法与动力模式相结合的业务化,经过5年业务回报试验和近2年的预测业务运行,结果表明:该系统对西南区域的月尺度温度和降水有较好的预报能力,已成为西南区域气候中心日常业务的主要参考依据。本文主要介绍该系统平台的各子系统性能及采用的技术方法。     

成都区域中心动力气候模式产品降尺度应用业务系统

利用动力气候模式（T63）产品进行降尺度解释应用,是目前以及未来开展气候预测的主要手段。本系统基于国家气候中心下发的气候模式产品、NCEP／NCAR500hPa高度场、西南区域84个代表站温度降水历年资料,采用动力统计相结合的技术方法,建立了“成都区域气象中心动力气候模式解释应用系统”,该系统以统计降尺度方法在西南区短期气候预测中的业务化应用为目的,实现了统计方法与动力模式相结合的业务化,经过5年业务回报试验和近2年的预测业务运行,结果表明：该系统对西南区域的月尺度温度和降水有较好的预报能力,已成为西南区域气候中心日常业务的主要参考依据。本文主要介绍该系统平台的各子系统性能及采用的技术方法。     

p—σRCM模式对中国区域气候季节变化的模拟

通过对区域气候季节变化的模拟，对p-σ坐标系区域气候模式的模拟能力进行了检验，模式较准确地再现了中国区域气候系统的季节性变化特征及中国东部降水带的季节性进退，模拟的各气候区域水的季节变化趋势也与实况基本相符，但模式低估了华东和华南地区的春季降水，而高估了华东，西南和西北地区的秋季降水。     

RegCM4.4对中国夏季气候的回报和2014年预测

利用区域气候模式对全球气候模式季节预测产品进行动力降尺度,是获取未来高分辨率季节气候预测结果的重要途径。使用区域气候模式RegCM4.4单向嵌套国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m)输出结果,进行东亚19912013年逐年3月1日—9月1日的气候回报试验及2014年3月1日9月1日的气候预测试验。分析模式对中国地区夏季（6-8月）地面气温和降水的回报结果表明:RegCM4.4对夏季气候态的回报优于驱动场模式BCC_CSM1.1(m),并能提供更详细可靠的局地信息;RegCM4.4回报和观测的多年平均气温、降水的空间距平相关系数（ACCs）分别为-0.04和0.01,空间距平符号一致率（PCs）分别为51.1%和50.6%,趋势异常综合评分（PS）分别为64.2和70.3,均方差误差（MSE）分别为1.09 ℃和0.30 mm/d。RegCM4.4对中国地区2014年夏季气候预测结果表明,模式对夏季气温、降水距平整体分布的预测较好,但在次区域尺度上预测结果和观测存在差别。本研究只进行了一个区域气候模式RegCM4.4嵌套一个全球模式BCC_CSM1.1(m)单样本回报和预测试验的动力降尺度试验研究,未来在改进驱动场模式和区域气候模式模拟预测性能、订正驱动场模式输出系统误差及提高运算能力的基础上,进行多模式多样本的集合试验研究,有助于提高精细化短期气候预测产品的质量。     

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。     

土壤湿度异常对区域短期气候影响的数值模拟试验

用区域气候模式 (RegCM_NCC) 对江淮流域地区春季初始土壤湿度异常导致的区域气候效应进行了数值模拟分析, 结果表明:土壤湿度异常变化对区域降水的影响非常显著, 土壤湿度的正异常使得异常区域内降水增大, 地面空气增湿、蒸发加大, 与此相应, 地表气温迅速降低, 土壤湿度的负异常有与之相反的结果, 这种区域气候响应是通过改变地表辐射平衡及地-气系统能通量而实现的; 区域土壤湿度异常对短期气候的影响在一个月之内较明显, 它的影响可持续至以后的几个月, 但强度逐渐减弱; 区域土壤湿度异常的气候响应不仅仅局限于异常区域内部, 而且可以通过次级环流影响到其他区域的降水、温度等变化。     

1998年夏季长江中下游地区大气多尺度振荡的区域气候模拟

利用区域气候模式RegCM3对1998年夏季东亚区域气候进行了季节尺度模拟,并通过小波分解方法对长江中下游地区观测和模拟的气象要素进行多尺度分析,旨在研究区域气候模式对长江中下游地区夏季大气多尺度振荡的模拟能力。结果表明：模式对降水低频振荡的模拟要优于对其它振荡周期的模拟,而对降水高频振荡和天气尺度周期振荡的描述能力相对较弱。模式对整个对流层温度模拟偏低,且主要表现在对低频温度模拟偏低。对流层下层温度模拟误差主要是由对高频温度振荡的模拟误差造成的,对流层上层温度模拟误差主要是低频温度振荡的模拟误差造成的。由于高频温度所占方差贡献很小,因此,提高模式对整层大气低频温度变化的模拟能力显得更为重要,但总体上各种时间尺度温度振荡和梅雨期降水振荡之间并不存在对应关系。除涡度的8天周期振荡外,涡度的其它周期振荡和降水振荡之间具有较好的对应关系,梅雨降水集中期主要与16天以上涡度低频振荡和4天以下涡度高频振荡相对应,涡度天气尺度周期振荡对梅雨期降水的贡献不大。涡度振荡分量周期越长,其模拟与观测之间相关系数的垂直变化就越大,且不论周期长短,涡度各周期分量方差贡献的大小都基本相同。     

我国短期气候动力预测模式系统的研究及试验

气候和气候异常对我国的国民经济发展具有重大影响,为提高短期气候预测的准确率,研究动力气候模式短期气候预测新技术至关重要.通过近5年的努力,建立了一套出月动力延伸预报模式,海气耦合的全球气候模式(AGCM+OGCM+海冰+高分辨率印度洋-太平洋海盆模式),区域气候模式季和年际尺度的业务动力模式组成的系统.初步把我国的短期气候预测水平由经验统计方法提高到定量和客观分析的水平上.在此基础上,已建成了一个具有物理基础的统计方法与气候动力模式相结合的综合气候预报系统.