副热带东太平洋低云对LASG耦合环流模式FGCM-0中"双ITCZ"的影响

与其他耦合环流模式一样,LASG耦合模式FGCM-0也存在虚假的“双ITCZ”。为了认识FGCM-0中“双ITCZ”,首先研究了FGCM-0的大气分量模式,剧INCAR(美国国家大气研究中心)的公用气候模式CCM3对秘鲁和加利福尼亚沿岸低云以及低层大气整体稳定度的模拟能力。发现：尽管CCM3模拟的低层大气整体稳定度与利用NCEP(美国国家环境预报中心)再分析资料分析的结果较一致,但模拟的低云量比ISCCP(国际卫星云气候计划)观测值显偏少。利用ISCCP低云量与由NCEP再分析温度场分析的低层整体稳定度之间的回归关系,修改了CCM3中低云参数化方案,并用于敏感性试验,以研究副热带东太平洋低云对FGCM-0中“双ITCZ”的影响。结果发现,修改的方案能显增强对低云量的模拟,秘鲁沿岸冷海域低云量增加能显减弱赤道以南热带东太平洋海表面温度(SST)的暖偏差,但同时也将使赤道冷舌增强、向西伸展更远;加利福尼亚沿岸低云量增加可以有效减弱赤道以北ITCZ区SST暖偏差。为了检验秘鲁沿岸SST与低云间的正反馈,又实施了一个控制秘鲁沿岸SST的敏感性试验,结果表明：控制秘鲁沿岸SST抑制其增暖,对自东南太平洋向西北至中、西赤道太平洋广大区域产生的影响,与增加秘鲁沿岸低云量产生的影响相似。     

Effect of chlorophyll-a spatial distribution on upper ocean temperature in the central and eastern equatorial Pacific

Effect of the spatial distributions of chlorophyll-a concentration on upper ocean temperature and currents in the equatorial Pacific is investigated through a set of numerical experiments by using an ocean general circulation model. This study indicates that enhanced meridional gradient of chlorophyll-a between the equator and off-equatorial regions can strengthen zonal circulation and lead to a decrease in equatorial sea surface temperature （SST）. However, the circulation changes by themselves are not effective enough to affect SST in the equatorial cold tongue （CT） region. The comparison between the experiments indicates that the CT SST are more sensitive to chlorophyll-a distribution away from the equator. The off-equatorial chlorophyll-a traps more solar radiation in the mixed layer, therefore, the temperature in the thermoeline decreases. The cold water can then be transported to the equator by the meridional circulation within the mixed layer. Furthermore, the relation among CT SST, the surface heat flux, and the equatorial upwelling are discussed. The study implies the simulation biases of temperature on the equator are not only related to the local ocean dynamics but also related to some deficiency in simulating off-equatorial processes.     

Heat budget of the south-central equatorial Pacific in CMIP3 models

ABSTRACT Using data from 17 coupled models and nine sets of corresponding Atmospheric Model Intercomparison Project （AMIP） results, we investigated annual and seasonal variation biases in the upper 50 m of the south-central equatorial Pacific, with a focus on the double-ITCZ bias, and examined the causes for the amplitude biases by using heat budget analysis. The results showed that, in the research region, most of the models simulate SSTs that are higher than or similar to observed. The simulated seasonal phase is close to that observed, but the amplitudes of more than half of the model results are larger than or equal to observations. Heat budget analysis demonstrated that strong shortwave radiation in individual atmospheric models is the main factor that leads to high SST values and that weak southward cold advection is an important mechanism for maintaining a high SST. For seasonal circulation, large surface shortwave radiation amplitudes cause large SST amplitudes.     

赤道太平洋冷舌的春季海表面稳定冷偏差和最小风引起的混合

The authors investigate the relationship between bias in simulated sea surface temperature (SST) in the equatorial eastern Pacific cold tongue during the boreal spring as simulated by an oceanic general circulation model (OGCM) and minimal wind mixing (MWM) at the surface. The cold bias of simulated SST is greatest during the boreal spring, at approximately 3°C. A sensitivity experiment reducing MWM by one order of magnitude greatly alleviates cold biases, especially in March-April. The decrease in bias is primarily due to weakened vertical mixing, which preserves heat in the uppermost layer and results in warmer simulated SST. The reduction in vertical mixing also leads to a weak westward current in the upper layer, which further contributes to warmer SST estimates. These findings imply that there are large uncertainties about simple model parameters such as MWM at the oceanic surface.     

Simulating tropical instability waves in the equatorial eastern Pacific with a coupled general circulation model

Satellite observations of SSTs have revealed the existence of unstable waves in the equatorial eastern Pacific and Atlantic oceans. These waves have a 20-40-day periodicity with westward phase speeds of 0.4-0.6 m s-1 and wavelengths of 1000-2000 km during boreal summer and fall. They are generally called tropical instability waves (TIWs). This study investigates TIWs simulated by a high-resolution coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM). The horizontal resolution of the model is 120 km in...     

新一代数值预报系统GRAPES研究进展

基于GEAPES_Meso模式,分别利用Morrison方案和WDM6方案对2017年1月5—7日一次以层状云为占主导的云系中冷云过程进行模拟和对比分析,评估两种云微物理方案对本次冷云过程云微物理及云辐射过程演变的影响。结果表明：包含丰富暖云和冷云物理过程的Morrison双参数云微物理方案模拟效果优于WDM6方案。Morrison方案模拟的云水路径、云冰有效半径及云光学厚度均大于WDM6方案的模拟结果,而模拟云水有效半径小于WDM6的模拟结果。Morrison方案较WDM6方案对云水(云冰)有效半径、云光学厚度、云水路径及地表短波辐射的水平分布模拟结果更为准确。由于Morrison方案模拟云水有效半径大于WDM6方案,云冰有效半径小于WDM6方案,导致Morrison方案模拟的云水和雪混合比大于WDM6方案模拟结果,而雨水、云冰和霰的混合比则明显小于WDM6方案。相较于WDM6方案,Mor-rison方案模拟的地表短波辐射水平分布和量值一致性更接近于CERES卫星结果。两种方案中包含的不同微物理过程将影响潜热和感热过程,其中,Morrison方案模拟海平面温度和辐射通量小于WDM6方案,该差异在陆地区域更显著。

     

An evaluation of the effects of cloud parameterization in the R42L9 GCM

Cloud is one of the uncertainty factors influencing the performance of a general circulation model (GCM)．Recently,the State Key Laboratory of Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics(LASG／IAP)has developed a new version of a GCM(R42L9)．In this     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

基于随机物理过程扰动的BMJ积云参数化方案对降水集合预报的影响

基于ARPS模式和随机物理过程参数化扰动(stochastically perturbed parameterization)方法,通过10个2018年6—7月间的降水个例,讨论了针对BMJ积云降水参数化方案下不同参数化扰动方式对降水预报的影响。扰动方式包括扰动BMJ方案的温湿倾向和扰动BMJ方案的温湿参考廓线。试验的结果表明BMJ方案在华东区域的降水预报中存在湿偏差,即预报的降水事件多于相应的观测事件。这一偏差在系统性增加参考廓线湿度后仍然存在。BMJ方案对不同扰动方式的响应存在较大差异。扰动BMJ方案的温湿倾向对降水预报的影响较小,且集合离散度低。扰动BMJ方案的温湿参考廓线对降水预报影响显著,能够大幅增加集合离散度,其中对称的BMJ参考廓线扰动对预报技巧评分改进有限,原因是小雨的湿偏差有所增加,而非对称的BMJ参考廓线扰动(扰动均值大于1.0)能够有效提高预报技巧评分并降低湿偏差。此外,非对称扰动大幅改善了BMJ降水预报初期(0～3 h)的空间分布形态,并且改进了夜间降水预报的强度。非对称扰动评分较高的原因是减少了原BMJ方案在降水预报初期的的大范围虚假预报,避免了大气湿度的大范...     

Combined Impacts of Warm Central Equatorial Pacific Sea Surface Temperatures and Anthropogenic Warming on the 2019 Severe Drought in East China

A severe drought occurred in East China(EC) from August to October 2019 against a background of long-term significant warming and caused widespread impacts on agriculture and society, emphasizing the urgent need to understand the mechanism responsible for this drought and its linkage to global warming. Our results show that the warm central equatorial Pacific(CEP) sea surface temperature(SST) and anthropogenic warming were possibly responsible for this drought event. The warm CEP SST anomaly res...     

Influence of a Southern Shift of the ITCZ from Quick Scatterometer Data on the Pacific North Equatorial Countercurrent

By analyzing the climatologically averaged wind stress during 2000-2007,it is found that the easterly wind stress in the northern tropical Pacific Ocean from Quick Scatterometer(QSCAT) data was stronger than those from Tropical Atmosphere Ocean(TAO) data and from National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) reanalysis I.As a result,the Intertropical Convergence Zone(ITCZ) in the Pacific Ocean is more southward in the QSCAT data than in the NCEP/NCAR data.Relative to the NCEP wind,the southern shift of the ITCZ in the QSCAT data led to negative anomaly of wind stress curl north of a latitude of 6 N.The negative anomaly results in downward Ekman pumping in the central Pacific.The excessive local strong easterly wind also contributes to the downward Ekman pumping.This downward Ekman pumping suppresses the thermocline ridge,reduces the meridional thermocline slope and weakens the North Equatorial Countercurrent(NECC).These effects were confirmed by numerical experiments using two independent ocean general circulation models(OGCMs).Furthermore,the excessive equatorial easterly wind stress was also found to contribute to the weaker NECC in the OGCMs.A comparison between the simulations and observation data indicates that the stronger zonal wind stress and its southern shift of QSCAT data in the ITCZ region yield the maximum strength of the simulated NECC only 33% of the magnitude derived from observation data and even led to a "missing" NECC in the western Pacific.     

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

基于不同微物理过程的广西沿海南风型暖区暴雨的数值模拟研究

基于WRFV3.6.1,利用其8个云微物理参数化方案对2010—2016年华南汛期（4—9月）的6个南风型暖区暴雨个例进行数值模拟与多方案集成试验,并采用基于对象的诊断评估方法（MODE）对模拟结果进行评估。结果发现对于大多数个例,WRF模式都能较好地模拟出暖区暴雨的降水带,对暖区降水带模拟最好的参数化方案是WSM6方案,其次是Lin方案;模拟效果较差的参数化方案为CAM5.1与NSSL 2-mon方案。选取模拟结果较好的个例进行诊断分析,发现不同参数化方案得到的动力学特征以及云微物理特征相关变量存在较大差异,导致模拟降水的差异。在单方案模拟的基础上,开展多方案集成试验,发现多方案集成方法能够有效降低模式模拟的不确定性,产生更稳定的模拟结果。     

积云参数化方案对夏季东亚季风区海气系统位相关系模拟的影响

本文利用区域海气耦合模式RegCM-POM,分别选取Grell积云参数化方案和Emanuel积云参数化方案对北半球夏季(5—10月)的东亚气候进行模拟,研究不同积云对流参数化方案(CPS)对东亚夏季季风区海气系统位相关系模拟的影响。结果表明:不同CPS模拟的陆地降水具有一定的不确定性,而海洋降水和海温的模拟受CPS选择的影响更大。其中,Emanuel方案对海洋降水和海温的分布形势模拟总体上要好于Grell方案,且可以更好的模拟中国近海各海区的海气系统位相关系,特别是大气对海温的负反馈过程。原因在于Emanuel方案模拟的对流降水与海温的位相关系更接近观测总降水与海温的位相关系;而Grell方案对南海和孟加拉湾的对流降水模拟偏少,对黑潮对流降水的模拟偏多,错误地模拟了这几个海区积云对流过程发挥的作用,故其模拟的海气系统位相关系不如Emanuel方案。     

冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）和NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的再分析资料和CPC（National Climate Prediction Center）提供的Nino3.4指数,研究了与赤道中东太平洋海温异常相对应的ENSO（El Nio-Southern Oscillation）不同位相对同期北半球海气耦合关系及两大洋风暴轴协同关系的影响,具体结论如下：1）赤道中东太平洋海温异常与冬季北半球两大洋风暴轴协同变化关系密切,具体表现为海温正异常时对应北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴同时增强,且大西洋风暴轴整体和太平洋风暴轴东部位置南压,海温负异常时则相反。2）海温正异常（El Nio）年时,对流层中层极涡向北太平洋地区伸展,西北太平洋副热带高压增强西移,东亚大槽减弱,高度场异常对应WP（Western Pacific pattern）、EA（Eastern Atlantic pattern）型遥相关的负位相和PNA（Pacific-North American pattern）型遥相关正位相,对流层低层加拿大高压增强,阿留申低压强度增强并向东南方向移动,东亚急流增强东伸,北美急流强度增强,欧亚大陆50°N附近西风增强,经向环流减弱,北半球的斜压异常分布有利于北太平洋东部风暴轴南侧以及中西部风暴轴的有效位能向扰动动能转换,使得风暴轴增强东部南压,北大西洋风暴轴南部斜压增强,使得风暴轴整体偏南,中、西部强度增强。海温负异常（La Nia）年时,海温和环流异常在两大洋基本与El Nio年相反,对应两大洋风暴轴强度同时减弱,同时北大西洋风暴轴整体和北太平洋风暴轴东部北抬。3）海温正异常（El Nio）年时,北美大陆为北暖南冷的异常分布,60°N以南的东亚地区除我国西南外基本为温度异常升高。海温负异常（La Nia）年时,由于高度场和风场异常在欧亚大陆和北美大陆上的异常分布与El Nio年时并不是完全相反,使得温度场异常主要表现在北美南部和东亚北部异常升高。     

中东太平洋ITCZ对两类厄尔尼诺SST异常的敏感性试验

利用MPAS-A(The Model for Prediction Across Scales-Atmosphere)模式设计了中东太平洋热带辐合带CEP-ITCZ(Intertropical Convergence Zone over Central and Eastern Pacific)对两类厄尔尼诺SST(Sea Surface Temperature)异常的敏感性试验,通过试验结果与两类厄尔尼诺年实际大气异常的对比,初步解释了CEP-ITCZ在两类厄尔尼诺年产生不同异常的可能原因。通过CP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第一模态会使中东太平洋低层风场辐合增强,但对辐合带的位置影响不大,与中部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。通过EP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第二模态会使中东太平洋低层风场产生较大异常,辐合带中心向南移动,辐合带明显减弱增宽,与东部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。     

两种积云对流参数化方案对1998年区域气候季节变化模拟的影响研究

利用区域气候模式RegCM3,选择Kuo-Anthes积云对流参数化方案和基于FC80假设的Grell积云对流参数化方案,对1998年东亚气候分别进行年尺度模拟,模拟结果对比分析表明:在春、夏季转换时期, 两者模拟的降水形势差别较大, 对江淮、中南和华南地区的夏季降水量模拟差别最为明显。对流层上层模式变量和模式大气质量对积云对流参数化方案的选择不敏感, 而对流层中、下层模式变量对积云对流参数化方案比较敏感。不同积云对流参数化方案对8天时间尺度的天气系统模拟差别比较大。在积云对流比较活跃的夏季,不同参数化方案会导致模式大气出现不同的系统性偏差。由于模式在陡峭地形处动力过程计算方案存在缺陷,在高原与盆地的交界处,模式误差会产生明显的突变。     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。     

SAMIL模式中Tiedtke 积云对流方案对热带降水模拟的影响

目前, 大多数全球耦合模式及大气环流模式在降水模拟中普遍存在不同程度的“热带偏差”问题, 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26也存在这一现象, 主要表现在SPCZ (南太平洋辐合区) 降水过强且过分东伸、 赤道附近降水偏少等方面。本文通过修改SAMIL中的积云对流方案有效地削弱了这一偏差, 并进一步探讨其原因, 发现对流方案修改后, 改变了对流层低层至地面的温度分布状态, 进而影响了风速及散度场的模拟, 最终通过垂直速度的调整反作用于对流过程。比较修改前后对流过程云底质量通量, 发现修改后的方案主要通过削弱浅对流来提高热带降水的模拟性能。