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。     

四维EOF分析检验数值模式模拟气候及其变化能力研究

文章提出了一个四维经验正交函数(4D-EOF)方法,原理是三维经验正交函数(3D-EOF)与扩展经验正交函数(EEOF)简单的组合,此方法不仅提供空间水平分布特征场及其对应的月际变化特征和年际变化特征,而且还提供空间垂直结构特征。利用这个新方法分析东亚季风国际区域模式比较计划(RMIP)MM5V3模拟的1989—1998年10a积分结果———包括中国大部分区域(4941个格点,格距60km)月平均100,500,700,1000hPa4个位势高度场(模拟场)及其距平场;同时分析对应的NCAR/NCEP再分析资料(观测场),进而对比两者检验模式模拟东亚季风气候及其变化能力。对比分析结果表明:对于月平均高度场的第一特征向量场,模式能比较准确地模拟出平均气候场的分布及其垂直相当正压性的结构特征;对于月平均高度距平场第一、二特征向量场,模式对于距平场的模拟也较成功,垂直方向有明显的相当正压性特征;月平均高度场及其距平场相应的月际变化和年际变化特征也在模拟中得到较好的反映。本研究表明:4D-EOF具有综合检验数值模式模拟气候及其变化的能力,而MM5V3模拟20世纪90年代东亚气候及其变化能力是令人满意的。     

BCC_CSM气候模式对中国区域气候变化模拟能力的检验

为了科学评价BCC_CSM气候模式的模拟效果,并为改进和完善此模式提供科学依据,以NCEP/NCAR 1948—2005年逐月再分析资料作为检验模式对应的实况场,利用距平标准化均方根误差、相关系数等方法对国家气候中心发展的BCC_CSM气候模式模拟中国气候变化的能力进行了检验,检验要素包括:对流层高、中、低层各季节的温度场、风场、相对湿度场和加热场等。结果表明,除春季外,其他3个季节实况场与模拟场的距平标准化均方根误差都较小;全年相关性都比较好,全国绝大部分地区均通过了α=0.05显著性水平检验;不同气象要素场的距平标准化均方根误差与相关系数呈现出季节性和区域性特征;模式模拟出了中国不同区域各个气象要素的年变化;与IPCC AR4中的13种模式相比较,BCC_CSM气候模式对中国区域地面温度场的模拟效果较好。     

天气和气候之间的桥梁——分数阶导数

天气和气候虽然遵从流体力学规律,但是却显示出随机性,研究天气和气候之间的关系必须引入分数阶的导数和积分,从物理上讲不外乎说明天气和气候的随机程度是不相同的。为此提出气候的q(0≤q≤1)阶微商是天气,扩展了Hasselmann的结果。实际资料分析表明,气候距平具有长程相关,比天气有更好的记忆性。气候距平的概率密度分布函数有较长的尾巴,较长的尾巴反映了极值气候所发生的频率。     

信息理论与气候预报

本文把信息理论引入到刻划气候可预报性中,特别是借用了熵和信息传递(transinformation)的概念。熵定量地表示了我们对气候系统状态了解的不确定性。信息传递代表了在已知初始距平大小的情况下,在任意时刻t获得的关于这一距乎的信息。信息传递有许多吸引人的性质,能用来作气候系统可预报性的一种量度。通过一个简单的随机气候模式(一个受噪声强迫的能量平衡模式)对这些概念如何用于气候可预报性作了解释。尽管我们对初始状态有充分了解,但研究表明信息传递描述了关于距平的信息衰减。本文还特别对把信息传递推广到其他气候模式时的用途作了讨论。     

CCSM4.0模式及其驱动下RegCM4.4模式对中国夏季气候的回报分析

使用区域气候模式Reg CM4.4(Regional Climate Model version 4.4)单向嵌套CCSM4.0(Community Climate System Model version 4.0)气候系统模式输出结果,进行了2001~2010年逐年2月1日至9月1日共10年长度的季节尺度气候预测回报试验,针对平均气温和降水,分析了两个模式对中国地区夏季(6~8月)气候的回报能力。首先对气候态的分析表明,Reg CM4.4对气温和降水的回报/模拟效果均较CCSM4.0有所改进,特别是在提供更详细可靠的局地信息方面,其中降水回报与观测的空间相关系数,由CCSM4.0的0.39提高到Reg CM4.4的0.53,但同时Reg CM4.4对中国东部季风降水的回报表现出类似CCSM4.0北方偏多的偏差。对两个模式2001~2010年逐年气温和降水距平的回报能力,通过回报与观测空间和时间距平相关系数(ACCs和ACCt)、回报与观测空间和时间距平符号一致率(PCs和PCt)以及趋势异常综合评分(PS)进行了考察,结果表明两个模式的表现在整体分布上有一定相似的同时,Reg CM4.4能够提供更多的空间分布细节,并对降水的回报结果有一定的改善,如CCSM4.0和Reg CM4.4回报降水的ACCs多年平均分别为0.03和0.10,PS分别为70.4和71.4。同时给出了两个具体年份(2003年和2009年)的个例分析。     

江门市冬春冷暖气候趋势预测模型

统计分析了1956年～2004年江门市冬春冷暖气候趋势，与500hPa高度场、赤道太平洋海温场、大气环流因子——西太平洋副高、极涡等的相关特征。结果表明，同期江门上空500hPa高度场为负距平区，前期至同期Nino3＋4区海温处于拉尼娜事件的衰退阶段或海温维持负距平阶段，上一年7月亚洲极涡面积偏大，江门冬季各月气温偏低。综合上述各因子并结合天文周期法、韵律法和最优气候均态法等，建立了江门市冬春冷暖气候趋势预测的概念模型。     

参考大气和大气质量守恒格式对气候模式月预报效果的改进试验

为了考查参考大气和大气质量守恒格式对气候谱模式月预报的改进能力,我们在国家气候中心气候谱模式中引入了这两个方案,选取了两个个例进行验证。对不同方案的月平均预报结果与实况进行了比较,并讨论了不同方案对高度场距平相关系数和均方根误差的影响。本文个例试验结果表明,这两个方案对月平均预报结果均有改进,参考大气方案的改进比大气质量守恒方案更为明显。     

20世纪中国气候变暖的归因分析

 考虑不同排放情景和各种强迫因子分别组合3组试验,对试验结果采取多模式集合,并把3组数值试验模拟的20世纪中国年平均气温距平变化与观测序列作对比,对20世纪中国气候变暖进行了归因分析。结果表明：20世纪中国气候变暖与人类排放温室气体和硫酸盐气溶胶有密切的联系,尤以近50 a更明显。当模式综合考虑多种外部和内部强迫因子时,所模拟的20世纪中国年平均气温距平变化最接近实际观测。归因分析中还强调了海洋的重要作用。但是3组试验都没有模拟出20世纪20年代的变暖。     

全球气侯长期振动的Fokker-Planck方程及其求解

假定行星反照率为温度的平方关系，导出了零维随机动力气候模式。对相应的ＦｏｋｋｅｒＰｌａｎｃｋ方程用矩阵连分法求解，得到了１０万年，４万年，２万年气候周期的本征值和本征向量。数值计算表明，在随机噪声强度Ｄ＝１．９５时，１０万年气候振动具有最大的振幅，即Ｍｉｌａｎｋｏｖｉｔｃｈ理论无法解释的１０万年周期。     

一个海气耦合模式对东亚夏季气候预测潜力的评估

利用一个具有较高分辨率的海气耦合模式SINTEX-F(Scale Interaction Experiment-Frontier Research Center for Global Change coupled GCM)的多年回报结果,评估了该海气耦合模式对东亚区域,尤其是中国地区气候异常的预测潜力.与观测实况的比较结果表明:SINTEX-F模式对夏季降水、500 hPa高度场和地表气温都有一定的预测技巧,但是相比而言降水与高度场的回报技巧要高于地表气温;而且耦合模式对东亚地区气候异常的主要空间分布和年际变化特征也有较好的预测潜力,对500 hPa高度场效果较好;对降水异常的年际变化也有一定的预测潜力,尤其是我国中部地区效果较好,但是模式预测的降水异常的幅值较观测相对偏弱;此外对我国西部的极端气候也有一定的预测潜力.     

The modulated annual cycle: an alternative reference frame for climate anomalies

In climate science, an anomaly is the deviation of a quantity from its annual cycle. There are many ways to define annual cycle. Traditionally, this annual cycle is taken to be an exact repeat of itself year after year. This stationary annual cycle may not reflect well the intrinsic nonlinearity of the climate system, especially under external forcing. In this paper, we re-examine the reference frame for anomalies by re-examining the annual cycle. We propose an alternative reference frame for climate anomalies, the modulated annual cycle (MAC) that allows the annual cycle to change from year to year, for defining anomalies. In order for this alternative reference frame to be useful, we need to be able to define the instantaneous annual cycle: we therefore also introduce a new method to extract the MAC from climatic data. In the presence of a MAC, modulated in both amplitude and frequency, we can then define an alternative version of an anomaly, this time with respect to the instantaneous MAC rather than a permanent and unchanging AC. Based on this alternative definition of anomalies, we re-examine some familiar physical processes: in particular SST re-emergence and ENSO phase locking to the annual cycle. We find that the re-emergence mechanism may be alternatively interpreted as an explanation of the change of the annual cycle instead of an explanation of the interannual to interdecadal persistence of SST anomalies. We also find that the ENSO phase locking can largely be attributed to the residual annual cycle (the difference of the MAC and the corresponding traditional annual cycle) contained in the traditional anomaly, and, therefore, can be alternatively interpreted as a part of the annual cycle phase locked to the annual cycle itself. In addition to the examples of reinterpretation of physics of well known climate phenomena, we also present an example of the implications of using a MAC against which to define anomalies. We show that using MAC as a reference framework for anomaly can bypass the difficulty brought by concepts such as “decadal variability of summer (or winter) climate” for understanding the low-frequency variability of the climate system. The concept of an amplitude and frequency modulated annual cycle, a method to extract it, and its implications for the interpretation of physical processes, all may contribute potentially to a more consistent and fruitful way of examining past and future climate variability and change.     

Testing the Ability of Numerical Model to Simulate Climate and Its Change With 4D-EOF Analysis

The four-dimensional empirical orthogonal function (4D-EOF), which in reality is a simple combination of three-dimensional EOF (3D-EOF) and extended EOF (EEOF), is put forward in this paper to test the ability of numerical model to simulate climate and its change. The 4D-E0F analysis is able to reveal not only the horizontal characteristic pattern of analyzed variable, and its corresponding annual and inter-annual variations, but also the vertical structural characteristics. The method suggested is then used to analyze the monthly mean 100-, 500-, 70G-, and 1000-hPa geopotential height fields (4941 grids and grid spacing 60 km) and their anomaly fields in 1989-1998 simulated by the MM5V3 from the RMIP (Regional Climate Model Inter-comparison Project for East Asia)-II, as well as their counterparts (used as the observed fields) from the NCEP/NCAR re-analysis dataset in the same period. The ability of MM5V3 in simulating East Asian climate and its change is tested by comparing the 4D-EOF analysis results of the simulated and observed datasets. The comparative analyzed results show that the horizontal pattern of the first eigenvector of the observed monthly mean geopotential height fields and its vertical equivalent barotropic feature were well simulated; the simulations of the first two eigenvectors of the observed monthly mean geopotential height anomaly fields were also successful for their horizontal abnormal distributions and significant equivalent barotropic features in the vertical were well reproduced; and furthermore, the observed characteristics, such as the variation with height, the annual and inter-annual variations of the monthly mean geopotential height/anomaly fields were also well reflected in the simulation. Therefore, the 4D-EOF is able to comprehensively test numerical model's ability of simulating the climate and its change, and the simulation ability of MM5V3 for the climate and its change in East Asia in the 1990s was satisfactory.     

我国年、季降水的年代际变化分析

通过对我国年、季降水的年代平均距平百分率图的对比分析，计算10年滑动平均距平场相关系数和年代之间平均距平差值t统计量的统计检验。结果表明，我国年、季降水具有较明显的年代际变化趋势。这些结果对于降水的年代气候预测和短期气候预测都具有重要意义。     

不同升温情景下中国东北地区平均气候和极端气候事件变化预估

利用区域气候模式RegCM4的逐日气温和降水资料,预估1.5℃和2.0℃升温情景下,东北地区平均气候和极端气候事件的变化。结果表明：RCP4.5排放情景下,模式预计在2030年和2044年左右稳定达到1.5℃和2.0℃升温;两种升温情景下,东北地区气温、积温、生长季长度均呈增加趋势,且增幅随着升温阈值的升高而增加;1.5℃升温情景下,年平均气温增幅为1.19℃,年平均降水距平百分率增幅为5.78%,积温增加247.1℃·d,生长季长度延长7.0 d;2.0℃升温情景下气温、积温、生长季长度增幅较1.5℃升温情景下显著,但是年和四季降水普遍减少,年降水距平百分率减小1.96%。两种升温情景下,极端高温事件显著增加,极端低温事件显著减少,极端降水事件普遍增加。霜冻日数、结冰日数均呈显著减少趋势,热浪持续指数呈显著增加趋势;未来东北地区降水极端性增强,不仅单次降水过程的量级增大,极端降水过程的量级也明显增大,随着升温阈值的增大,极端降水的强度也逐渐增大。     

集合样本数影响月平均500 hPa高度场预测技巧分析

气候系统模式输出结果是当前开展气候预测业务的重要参考依据之一,如何提高气候系统模式输出结果的可信度是改进气候业务预测能力的关键之一。利用1999—2010年NCEP CFSv2模式每日四次预测未来45天的回算数据,分析了集合样本数对模式预测能力的影响。分析结果表明,模式对月平均500 hPa位势高度的预测技巧在热带地区较高,而中高纬度地区较低;模式对500 hPa位势高度时间异常的预测能力优于空间异常。无论是空间异常还是时间异常,随着模式超前时间的增加,预测技巧均逐渐降低,但是在不同区域和不同月份,模式预测技巧随超前时间的变化存在差异。此外,模式预测技巧存在非常大的年际变率。增加集合样本数,对不同月份和不同起报时间预测技巧的稳定度和预测技巧值均有明显正效果,特别是对亚洲中纬度地区改善度较大。增加集合样本数也可以在一定程度上降低模式预测技巧年际变率。集合样本数增加对于500 hPa位势高度空间异常的改进优于时间异常。      

动力延伸预报产品在辽宁短期气候预测中的释用

基于1961～2000年辽宁53个测站40 a逐年的月气温距平和月降水距平百分率资料,根据EOF(经验正交函数)展开的空间特征向量分布特征,将前3个主要特征向量时间系数作为预报量,将500 hPa高度场的高度距平、地转涡度作为预报因子,利用多元统计回归分析,建立了一套定点、定量预测辽宁各月气温与降水量的数学模型。利用该模型对2001~2005年辽宁53个测站的月气温距平和月降水距平百分率进行逐月预报试验。结果表明:对气温和降水量的趋势预报的评分均比较好,有87%以上的月气温距平预测结果的评分超过66.0分,各月的平均Ps评分均高于66.0分,年平均为75.5分或以上,总平均为83.1分;有70%的月降水距平百分率预测结果的Ps评分超过60.0分,各月的平均Ps评分都高于53.0分,年平均为58.0分以上,总平均为66.5分。但对异常气候的预测效果不明显。     

长江流域年降水预测动力-统计降尺度方法及其应用

基于站点资料、再分析数据和动力气候模式回报数据,利用经验正交函数分解（EOF,Empirical Orthogonal Function）迭代和年际增量方法,探讨了长江流域年尺度降水异常的动力-统计降尺度预测方法及其应用效果。结果表明,基于再分析数据的年尺度环流场,建立的长江流域年尺度降水异常增量的统计降尺度预测方案,其26 a回报检验的距平相关系数（ACC）平均达0.6,证明该方案具有较高的可预报性。进一步利用模式预测的年尺度环流场,建立了年降水异常增量的动力-统计降尺度预测方案,其ACC平均为0.42,显示了较高的回报技巧,远优于模式直接输出的年降水动力预报结果。通过分析调制年降水预报技巧高低的因素发现,赤道中东太平洋年平均海温距平为负值时,预报技巧更高,ACC平均达0.5以上。在拉尼娜发展年或拉尼娜持续年的冷水背景下,利用EOF迭代选取的特征向量偏多时,多尺度的大气环流信息被纳入预测模型中作为预测信号,预测技巧得到了提高。     

极冰气候效应的数值试验

利用一个大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个全球耦合海气模式（ＣＯＡＧＣＭ）,模拟了北极海冰边界范围的变化对月平均气候的影响。结果表明,极冰边缘的异常完全可以改变中高纬度某些地区的局地气候。受冷源的影响,北半球中高纬度冷高压加强,低纬度暖高压减弱。同时利用一个全球三维大气环流模式,作了海冰反照率参数化的数值试验,用两种不同的海冰反照率参数化方案,检验对地表面温度、海平面气压、极地表面对太阳辐射吸收的影响。模拟试验表明了冰雪圈反照率的反馈作用,对气候变化的影响十分重要。