BATS1e陆面模式对p-σ九层区域气候模式性能的影响

将BATS1e (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version 1e) 陆面模式与p-σ九层区域气候模式(PσRCM9) 进行耦合，发展了一个包含有更复杂陆－气相互作用的区域气候模式(BATS1e-PσRCM9)。通过对东亚地区1月和7月气候平均场和1991年江淮流域梅雨期间三次强降水过程的数值模拟，考察了BATS1e陆面模式对PσRCM9模式模拟性能的影响。数值试验结果表明，BATS1e-PσRCM9模式对东亚区域冬、 夏季气候平均场的模拟能力有明显提高，且对近地层和对流层低层各气象要素场模拟效果的改善比对流层中高层更加明显。与PσRCM9模式的模拟结果相比，BATS1e-PσRCM9模式对中国东南部地区降水的模拟与观测更为一致，并且对江淮流域梅雨期间的强降水过程也有较好的模拟能力。由于BATS1e-PσRCM9模式改进了地气之间动量、热量和水汽通量交换的计算，更好地描述了陆地下垫面与大气之间的相互作用，从而改善了模式对近地层各气象要素场的模拟。因此，通过耦合BATS1e陆面模式能较明显地提高PσRCM9模式模拟东亚区域短期气候变化的能力，这为区域气候模式的进一步发展奠定了基础。     

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。     

长江中下游梅雨期降水与环流关系分析及模拟

用点相关和SVD方法分析发现,长江中下游地区梅雨期降水的异常与前期(5月)和同期(6～7月)80～140°E,0～50°N区域附近的环流场的异常有关。当梅雨出现正(负)异常时,SVD分解的风场出现有利于(不利于)降水的主要分布模态。在用p-σ九层区域气候模式模拟初边条件的异常对梅雨降水的影响时,证实环流场异常对梅雨降水的影响比较显著。RegCM3模拟结果表明,1998年和1988年初边条件的异常对降水有明显的影响,长江流域的降水对此异常最为敏感。     

次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一, 为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用, 改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果, 本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案.在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向, 这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系, 对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用 p-σ区域气候模式进行了三个数值试验, 检验该方案对模式模拟降水能力的影响.结果表明, 次网格地形动力效应参数化方案的引入, 对中国区域的降水模拟有明显改进, 尤其对冬、春季的降水模拟, 无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近.     

P-σ坐标区域气候模式的垂直分辨率对模拟结果的影响

在原五层P σ坐标模式的基础上 ,发展了一个九层 1°× 1°P σ坐标区域气候模式 ,并用多年平均的NCEP再分析资料月平均场与五层模式进行了模拟对比检验。对比检验表明 ,改进后的九层模式对高度场、温度场及降水场的模拟均要优于原五层模式。对于风场的模拟 ,在冬季对流层中下层 ,九层模式的模拟要好于五层模式 ,夏季九层模式的模拟不如五层模式。但总的来讲 ,垂直分辨率的提高对P σ坐标模式的模拟具有较显著的改进效果 ,这为进一步发展区域海气耦合模式打下了基础     

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。     

用B型跳点网格模式作数值预报试验

本文将B型跳点网格引入σ坐标系十一层原始方程模式,用得到的B型跳点网格模式与A原型非跳点网格模式对一江淮气旋天气过程作24时对比预报试验,初步结果表明:B型跳点网格模式的计算是稳定的,对地面气压系统和天气形势的预报较原模式都有一定的提高和改进。     

不同区域气候模式对中国东部区域气候模拟的比较

利用ＭＭ４中尺度数值模式,ＲｅｇＣＭ２模式和Ｐ－σ混合坐标五层区域气候模式,以ＧＦＤＬ多年平均的６月份气候场作初始场,对我国东部地区７月份的区域气候进行数值模拟,比较,检验了三个模式模拟中国东部区域气候的性能,发现对５００ｈＰａ高度场,温度场,海平面气压场,雨带位置等不同的模拟对象,三个模式各有优劣,其结果对于发展适合我国东部地区的区域气候模式系统,改进模拟和预测结果具有一定的参考意义。     

西太平洋暖池海温对华南前汛期降水影响的数值试验

简要地介绍了全球大气环流模式CCM3,由该模式模拟得到降水、位势高度场和风场,分析它的模拟性能。根据华南前汛期(4～6月)降水与西太平洋暖池敏感海区(西区)海温的负相关关系,设计了两组敏感性试验,讨论西区海温对华南前汛期降水影响的确定性和可能的物理机制。模拟结果表明,当西区为冷水年(暖水年)时,华南降水偏多(少),长江中下游相对偏少(多),相关最好的地区是广东省,与诊断分析结果相符。海温对降水的影响是通过大气环流场来实现的,因此,再用P-σ九层区域气候模式模拟了西区海温异常年大气环流对华南前汛期降水的影响,与CCM3模拟结果基本一致。     

谱逼近方法对区域气候模式性能的改进：不同权重函数的影响

为减小区域气候模式环流模拟偏差,对RegCM3中的风场采用谱逼近方法,并以2003年江淮梅雨过程为例,检验了谱逼近方法对模拟效果的改进能力.结果表明,采用谱逼近方法后,模拟技巧得到显著提高,能明显改进模式对梅雨过程的模拟能力,校正了模式模拟的梅雨期环流和梅雨锋偏北导致降水偏北的偏差.针对谱逼近方法中权重函数及其强度系数的敏感性数值试验表明,谱逼近方法的改进效果主要决定于强度系数的选择.采用von Storch等2000年提出的权重函数且强度系数取为0.05时改进效果最显著.但谱逼近方法并不能完全解决区域气候模拟面临的问题,该方法能够保证大气环流更接近强迫场,也能较大程度地改进模式对梅雨期降水位置和强度的模拟,但对于与模式物理过程联系更紧密的低层大气温度及高温高湿中心的南北位置等的模拟,则仍有赖于模式物理过程的进一步改进.     

土壤湿度影响中国夏季气候的数值试验

利用"全球土壤湿度计划第2阶段"提供的土壤湿度资料强迫区域气候模式RegCM3,通过数值试验讨论了土壤湿度对东亚夏季气候模拟效果的影响。结果表明,合理考虑土壤湿度的作用,能够提高区域气候模式对中国夏季降水和2 m气温的空间分布型及逐日变化的模拟效果;模拟结果与观测的相关分析显示,降水和2 m气温的年际变化都得到了有效改进,这种改进在气温上尤为明显。不过上述改进具有区域依赖性。数值试验结果表明,气温对土壤湿度的敏感性强于降水,这也从一个侧面说明提高降水模拟效果的难度。总体而言,合理的土壤湿度能够提高区域气候模式对中国夏季气候的模拟能力。因此,合理描述土壤湿度的变化,是提高中国夏季气候预报技巧的潜在途径之一。     

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.     

不同辐射传输方案对P-σ RCM9区域气候模式性能的影响

将NCAR CCM3辐射传输方案CRM(Column Radiation Model)引入到P-σRCM9区域气候模式中,并对两组辐射传输方案下P-σRCM9区域气候模式模拟的东亚冬、夏季气候特征差异进行对比分析,发现采用CRM辐射传输方案能够改善P-σRCM9区域气候模式对中国区域冬、夏季地面温度的模拟,且在夏季的改善比冬季更明显,还改善了P-σ RCM9区域气候模式对对流层高层(200～100 hPa)短波辐射加热率和长波辐射加热率的计算,然后改进了模式对200～300 hPa垂直平均经向温度梯度的模拟,进而使得模拟的冬、夏季东亚高空西风急流比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更加接近NCEP/NCAR再分析资料.同时还发现,采用CRM辐射传输方案后,P-σRCM9气候模式模拟的中国地区冬、夏季的降水率在强度和分布形势上均比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更接近观测,CRM辐射传输方案能够较明显地提高P-σRCM9气候模式对中国地区冬、夏季降水的模拟能力.     

P-σ九层区域气候模式对东亚区域气候季节与年际变化的模拟

利用所发展的P-σ九层区域气候模式较成功地模拟了东亚地区区域气候的季节与年际变化,结果表明,初夏南亚高压的季节性变化与亚洲夏季风的建立具有密切关系,成功地模拟出了降水的季节变化,但夏季降水模拟较差.实际嵌套场的引入,使降水模拟得以改善.实际海温的引入使得南亚高压的模拟增强,而西太平洋副高的模拟则与西太平洋暖池地区的海温具有密切关系,在厄尔尼诺年,与使用月平均海温相比,副高有明显的增强或减弱,副高对暖池降温的响应具有不确定性.     

P-σ坐标系区域气候模式与GCM的嵌套试验

将P-σ坐标系区域气候模式与大气环流模式（GCM）单向嵌套，对我国1998年夏季长江流域严重洪涝进行模拟试验，并与GCM的模拟结果进行了比较。试验表明，嵌套的区域气候模式对降水场的模拟结果较GCM的结果有明显的改进，这是由于P-σ坐标系区域气候模式能够更真实地描述地形的动力和热力作用，因而能更准确地模拟青藏高原及其邻近地区的气压系统，在一定程度上弥补了低分辨率的GCM模拟在高原地区的不足，文中指出，与GCM嵌套的区域气候模式比GCM能够更有效地模拟区域气候的变化，尤其是对区域气候性特征比较明显的地区。     

东亚区域气候变化的长期数值模拟试验

文中利用NCAR的中尺度模式MM 5V3对东亚地区进行了 10a的长期积分模拟试验 ,并着重对冬、夏两季东亚区域气候变化特征进行了分析。分析结果表明 :(1)模式能够合理地模拟出 10a冬、夏平均的区域气候特征。模拟的 10a冬季平均降水的分布和强度与实际比较一致 ,对夏季降水分布特征的模拟也比较合理 ,但模拟的夏季华北降水偏多。模式对冬季平均场的模拟要优于对夏季的模拟 ;(2 )模式对降水、地面气温年际变率的模拟较为合理 ,模拟的中高层环流、温度场等要素的距平相关系数都比较高 ;(3)模式对不同ElNi no年对东亚区域气候变化影响的模拟能力有所不同 ,模拟的 1992 ,1995年的结果比较合理 ,但对 1998年模拟得不理想 ;(4)MM5V3模式具备一定的区域气候模拟能力。     

区域气候模拟中多种对流参数化方案的比较研究

利用区域气候模式RegCM2,选择Betts-Miller、Kuo-Anthes和Grell3种积云对流参数化方案,进行了1991年和1994年5～7月2个个例的东亚季风区区域气候模拟试验,重点分析比较了3种参数化方案对降水总量分布、主要降水时段、雨带南北变动和基本气象要素场的模拟能力,并相对实测降水和基本要素的观测分析进行了统计检验.通过对比,发现Betts方案的模拟能力明显优于其他两种方案.     

次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高，模式下垫面特征的描述更加仔细，针对东亚地区复杂的地形和植被特征，发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案，对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力。效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响，提出次网格地形热力效应的参数化方案，改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p—σ区域气候模式的数值试验结果表明，次网格地形热力效应参数化方案的引入，对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。     

区域气候模式RegCM_NCC在东北地区的应用研究

引进国家气候中心业务化的区域气候模式RegCM_NCC,通过操作系统调试、模拟区域确定、模式分辨率调整等本地化工作,初步建立了针对东北地区的区域气候模式系统,并应用该模式以夏季为例,对东北地区的气候进行了15 a（1991—2005年）时间长度的数值积分试验。结果表明：模式对环流的特征和东北地区地面气温具有一定的模拟能力,对气温模拟存在系统性的暖偏差,对降水模拟能力较差。     

雷达径向风速同化对台风麦莎模拟的影响

本文应用WRF-3DVAR系统同化多普勒雷达径向风速资料,并利用WRF模式对台风麦莎（2005年8月6日00时至7日00时）进行数值模拟,以此检验多普勒雷达径向风速资料在改进模式初始场及提高台风路径和降水预报准确度等方面的应用效果及意义,探讨不同同化时间间隔对同化效果的影响。通过对比同化试验和控制试验发现：雷达径向风速资料能通过调整初始风场结构,改进对台风结构的模拟,从而提高模式对台风麦莎的路径、强度和降水的模拟能力;雷达资料信号在进入模式后有一定的时效性,在一定程度上缩小同化时间间隔有助于提高同化效果。