A global ocean reanalysis product in the China Ocean Reanalysis (CORA) project

The first version of a global ocean reanalysis over multiple decades (1979–2008) has been completed by the National Marine Data and Information Service within the China Ocean Reanalysis (CORA) project. The global ocean model employed is based upon the ocean general circulation model of the Massachusetts Institute of Technology. A sequential data assimilation scheme within the framework of 3D variational (3DVar) analysis, called multi-grid 3DVar, is implemented in 3D space for retrieving multiple-scale observational information. Assimilated oceanic observations include sea level anomalies (SLAs) from multi-altimeters, sea surface temperatures (SSTs) from remote sensing satellites, and in-situ temperature/salinity profiles. Evaluation showed that compared to the model simulation, the annual mean heat content of the global reanalysis is significantly approaching that of World Ocean Atlas 2009 (WOA09) data. The quality of the global temperature climatology was found to be comparable with the product of Simple Ocean Data Assimilation (SODA), and the major ENSO events were reconstructed. The global and Atlantic meridional overturning circulations showed some similarity as SODA, although significant differences were found to exist. The analysis of temperature and salinity in the current version has relatively larger errors at high latitudes and improvements are ongoing in an updated version. CORA was found to provide a simulation of the subsurface current in the equatorial Pacific with a correlation coefficient beyond about 0.6 compared with the Tropical Atmosphere Ocean (TAO) mooring data. The mean difference of SLAs between altimetry data and CORA was less than 0.1 m in most years.     

2009-18年西北太平洋区域海洋再分析CORA1.0产品研制及检验

在51年(1958-2008)西北太平洋区域海洋再分析CORA1.0产品的基础上,改进了模式配置和同化方法,研制了2009-18年的CORA产品并对其进行以下检验:(1)温盐和海表高度异常均方根误差分布检验;(2)35°N处温度断面分布检验;(3)再分析流场和表漂浮标轨迹对比检验.结果显示,2009-18年的CORA产品可以再现海洋要素长时间序列,时空多尺度的变化特征,为研究特征海洋现象和过程提供背景信息.     

Numerical simulation of the regional ocean circulation in the coastal areas of china

The regional ocean circulation in the coastal areas or China (including a part of the western Pacific Ocean, the South China Sea and the Bay of Bengal el al.) is simulated by using the improved Princeton Uni-versity ocean circulation model (POM). Compared with the modeling results obtained by the large-scale ocean general circulation model (OGCM), the basic ocean circulation features simulated by the regional ocean circulation model are in good agreement with that simulated by OGCM and some detailed character-istics such as the regional ocean circulation, sea temperature, salinity and free sea surface height have also been obtained which are in good accord with the observations. These results indicate that the regional ocean circulation model has good capability to produce the regional ocean circulation characteristics and it can be used to develop coupled regional ocean-atmospheric model systems.     

再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明：整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产...     

A Regional Ocean Reanalysis System for Coastal Waters of China and Adjacent Seas

A regional ocean reanalysis system for the coastal waters of China and adjacent seas has been developed by the National Marine Data and Information Service(NMDIS).It produces a dataset package called CORA (China ocean reanalysis).The regional ocean model used is based on the Princeton Ocean Model with a generalized coordinate system(POMgcs).The model is parallelized by NMDIS with the addition of the wave breaking and tidal mixing processes into model parameterizations.Data assimilation is a sequential three-dimensional variational(3D-Var) scheme implemented within a multigrid framework.Observations include satellite remote sensing sea surface temperature(SST),altimetry sea level anomaly(SLA),and temperature/salinity profiles.The reanalysis fields of sea surface height,temperature,salinity,and currents begin with January 1986 and are currently updated every year. Error statistics and error distributions of temperature,salinity and currents are presented as a primary evaluation of the reanalysis fields using sea level data from tidal gauges,temperature profiles,as well as the trajectories of Argo floats.Some case studies offer the opportunity to verify the evolution of certain local circulations.These evaluations show that the reanalysis data produced provide a good representation of the ocean processes and phenomena in the coastal waters of China and adjacent seas.     

冬季中国近海海表温度的长期升高及其对中国降水的影响

利用1962—2011年HadISST海表温度资料和中国160站逐月降水等资料通过回归和相关分析等方法,分析了中国近海冬季海表温度(SST)的长期升高及其与中国冬季降水的关系。研究表明,近50年来中国近海冬季海表温度呈现明显的长期升高趋势。进一步分析发现,中国近海冬季海表温度的升高与长江中下游及以南地区冬季降水的增加存在显著的相关。最后,利用全球大气环流模式(CAM5.1)模拟研究了近海海温长期升高对中国降水的影响,模式模拟结果很好地验证了观测结果,表明中国近海冬季海表温度的长期升高确实对中国冬季降水存在影响。     

夏季亚洲-太平洋涛动与中国近海热带气旋活动的关系

采用联合台风警报中心的台风最伟路径资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了夏季亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacif-ic Oscillation,简称APO)与东亚近海-西北太平洋大气环流的关系,并进一步探讨了APO与中国近海热带气旋(tropical cy-clone,简称TC)活动的关系.研究表明:(1)夏季APO强弱与同期西北太平洋及中国东部近海TC活动存在密切关系,即在APO强(弱)年,西北太平洋TC活动偏西(东)和偏北(南),中国东部近海TC明显增多(减少);(2)当APO偏强(弱)时,中国东部近海大气环流有(不)利于TC的维持和发展,表现为低层存在异常气旋性(反气旋性)环流,对流层高低层纬向风垂直切变减小(增大),且对流加强(减弱);(3)APO强弱也影响着TC引导气流的方向:在APO强(弱)年,西北太平洋副热带高压(以下简称副高)偏北和偏东(偏南和偏西),副高南侧偏东气流减弱(加强),有利于TC的向西北行或在偏北(南)纬度西行,进入中国东部近海的TC增多(减少);(4)APO强弱也影响着南海-热带西太平洋TC源地上空的大气环流,在APO强(弱)年,南海-热带西太平洋季风槽偏北、偏西(偏南、偏东),热带西太平洋TC活动偏北和偏西(偏南和偏东),有利于进入中国东部近海TC的增多(减少).     

秋季亚洲-太平洋涛动与中国近海热带气旋活动的关系

采用联合台风警报中心的台风最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了秋季(9—10月)亚洲-太平洋涛动(APO)强度的年际变化与东亚-太平洋大气环流的关系,探讨了APO与西北太平洋和中国近海热带气旋(TC)活动的关系。结果表明:秋季APO年际变化与同期西北太平洋和中国近海TC活动关系紧密,即当APO偏强(弱),西北太平洋TC活跃区明显偏西(东),中国近海TC偏多(少);APO可以通过影响中国近海对流层纬向风垂直切变、低层辐合和对流层中层引导气流等,从而影响西北太平洋和中国近海TC活动;当APO偏强(弱)时,东亚大槽偏弱(强),东亚冬季风偏弱(强),使得侵入中国近海和热带西北太平洋的冷空气活动偏弱(强),有(不)利于这些海域TC的生成和发展;此外,在APO偏强时,西太平洋副热带高压脊偏西,其南侧偏东气流加强,有利于TC在偏强的偏东气流引导下向西移动或者其转向点偏西;而在APO弱年,副热带高压脊偏弱和偏东,偏东引导气流减弱,不利于TC西行或有利于其转向点偏东。     

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

利用高分辨率区域气候模式Reg CM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。     

黄海典型气旋与反气旋式海洋涡旋特征及影响机制模拟研究

为探讨黄海海洋涡旋的三维结构特征、能量输送与转换及影响机制,对黄海海域典型台风海洋气旋与近海海湾反气旋式涡旋个例进行数值模拟和时空诊断分析。采用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)区域海洋数值模式精细化描述台风海洋涡旋与近海海洋中小尺度涡旋系统。对涡旋能量传输特征模拟显示,气旋式和反气旋式海洋涡旋中,非对称强流区动能能量下传比涡旋中心部位的强度更强,维持时间更长,下传深度更深。反气旋式海洋涡旋因Ekman流动形成的向中心辐合作用,造成此类差异更显著。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和海洋涡旋有效位能的转换,反气旋涡旋区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,其涡旋增强伴随着有效位能的增加。环境因子影响机制从风浪,底摩擦和地形三方面讨论。结果显示:耦合波浪模块后,台风强风应力和风浪的综合作用扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。风浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。强台风过程表层环流响应台风应力而浅水地形和底摩擦强烈影响涡旋下层,造成台风海洋涡旋结构在垂直方向上偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区,其混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较环流系统作用更强。     

3种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的对比:年平均特征

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA 3种再分析资料,采用线性趋势、标准差、相关系数、EOF分析等多种统计分析方法,对再分析资料年平均的高空温度在中国区域的可信度进行了分析.研究表明:在数值上,3种再分析资料的高空温度均小于探空资料的高空温度,NCEP/NCAR资料在对流层上层更接近于探空资料,ERA和JRA资料则在对流层中下层与探空资料更为接近;在描述年际变化和长期变化趋势方面,ERA资料在我国北方的对流层上层的再现能力较好,NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层的再现能力较好,而3种再分析资料在对流层中下层的再现能力相当;在时空变化特征方面,NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现高空温度的年代际变化特征,而ERA和JRA资料则能较好地表现年际变化特征.     

近40年我国暴雨的年代际变化特征

利用1961—2019年华南192个地面气象观测站逐日降水资料,定义华南区域性暴雨过程的标准,客观定量评估华南区域性暴雨过程,确定华南年和前、后汛期暴雨过程强度序列,分析其次数和综合强度指数的气候特征及变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关和合成分析方法研究华南前、后汛期暴雨过程强弱年的大气环流特征。结果表明,近59 a来华南共出现1 196次区域性暴雨过程,平均每年20.3次,有82.3%出现在汛期4—9月。华南区域性暴雨过程年发生次数以0.45·（10 a）^-1的速率上升,而年强度指数以1.148·（10 a）^-1的速率显著增加,特别是后汛期增加最明显。在华南前汛期,高层西风急流加强,东亚大槽日本南段明显加强,副高加强西伸,低层华南位于南北气流的交汇处,有利于前汛期暴雨偏强。在华南后汛期,高层西风急流加强,中层中低纬东亚位势高度增加,低层南海和西太平洋气旋环流增强,中低纬北太平洋海平面气压降低,有利于南海和西太平洋台风的生成,有利于后汛期暴雨偏强。

     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。      

利用区域气候模式预估未来登陆中国热带气旋活动

鉴于热带气旋(TC)对我国沿海地区的影响,研究全球变暖背景下未来登陆我国TC活动的变化,对于我国沿海地区的防灾减灾具有重要意义。基于CMIP5中全球气候模式HadGEM2-ES数据,文中利用区域气候模式RegCM4开展了历史时期和3种情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下未来东亚区域气候的动力降尺度模拟,检验了模式对历史登陆我国TC活动及其相关大尺度环境场的模拟能力,并预估了3种情景下2030—2039年、2050—2059年和2089—2098年,登陆我国TC的路径、强度和频率的变化特征。结果表明:模式能合理地再现东亚区域历史时期(1986—2005年)大气环流场的空间结构以及登陆我国TC的特征;在3种情景下未来登陆我国TC的平均强度和数量均有不同程度的增加,尤其是台风及以上级别TC的总数明显增加,其中RCP8.5情景最突出,到21世纪末期(2089—2098年)登陆我国TC的平均强度、台风及以上级别TC总数的年平均值较历史时期将分别增加7.56%和1.05个;不同情景下未来登陆我国TC的路径均有不同程度的北移趋势,且全球升温的幅度越大,北移趋势越明显,这可能与未来中国近海显著变暖和垂直风切变减弱有关。未来我国沿海地区尤其是中高纬度很可能将面临日益严峻的TC灾害风险,亟需尽快开展防灾减灾及对策研究。     

The Statistical Significance Test of Regional Climate Change Caused by Land Use and Land Cover Variation in West China

The West Development Policy being implemented in China is causing significant land use and land cover （LULC） changes in West China. With the up-to-date satellite database of the Global Land Cover Characteristics Database （GLCCD） that characterizes the lower boundary conditions, the regional climate model RIEMS-TEA is used to simulate possible impacts of the significant LULC variation. The model was run for five continuous three-month periods from 1 June to 1 September of 1993, 1994, 1995, 1996, and 1997, and the results of the five groups are examined by means of a student t-test to identify the statistical significance of regional climate variation. The main results are： （1） The regional climate is affected by the LULC variation because the equilibrium of water and heat transfer in the air-vegetation interface is changed. （2） The integrated impact of the LULC variation on regional climate is not only limited to West China where the LULC varies, but also to some areas in the model domain where the LULC does not vary at all. （3） The East Asian monsoon system and its vertical structure are adjusted by the large scale LULC variation in western China, where the consequences are the enhancement of the westward water vapor transfer from the east oast and the relevant increase of wet-hydrostatic energy in the middle-upper atmospheric layers. （4） The ecological engineering in West China affects significantly the regional climate in Northwest China, North China and the middle-lower reaches of the Yangtze River; there are obvious effects in South, Northeast, and Southwest China, but minor effects in Tibet.     

中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的对比研究

为评估中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的差异,基于ERA-Interim、JRA-55、MERRA和CFSR再分析和中国118探空站1979-2015年逐月850-300 hPa大气比湿和相对湿度的原始值及均一化序列,通过分析探空与再分析资料的相对偏差、相关系数、标准差比和变化趋势,研究了两者在多年平均值、年际变率、离散度及长期变化趋势等方面的差异。结果表明,中国探空原始湿度序列存在显著的非均一性问题,均一化提高了序列的连续性,但存在显著的低偏差,总体较原始湿度偏低5%-43%。再分析中国平均对流层大气比湿和相对湿度较探空观测偏高,相对湿度的偏差幅度（7%-48%）较比湿大（4%-13%）,对流层高层较低层大,春秋季偏差较夏季显著。各再分析资料间的差别较小,JRA-55在对流层高层较其他再分析资料偏低,与探空观测较接近。再分析与均一化后中国探空比湿和相对湿度年际变率和离散度在对流层低层较为一致,对流层中高层再分析资料的离散度明显高于探空。再分析与均一化探空中国平均比湿在对流层低层一致呈上升趋势;对流层中层探空为上升趋势,再分析资料为下降趋势。再分析与均一化探空相对湿度变化趋势差异较大,探空为上升趋势且对流层中高层上升显著,对流层再分析为下降趋势。      

南海中尺度大气海浪耦合模式及其对该区一次强台风过程的模拟研究

利用中尺度大气模式MM5(V3)和第3代海浪模式WWATCH建立考虑大气 海浪相互作用的风浪耦合模式。在耦合模式中引入考虑波浪影响的海表粗糙度参数化方案,大气模式分量提供海面10 m风场驱动海浪模式分量运行,并利用海浪模式分量反馈的波龄参数计算海表粗糙度。利用耦合模式模拟南海的一次台风过程,通过3组对比试验,检验耦合模式对台风过程的模拟效果并研究大气 海浪相互作用对台风过程的影响。结果表明：耦合模式能够较好地模拟南海的台风过程,与非耦合大气模式相比,其模拟的台风强度略有增强,路径变化不大;耦合模式对台风过程中海表热通量及降水影响显著,在台风充分发展过程中,耦合模式模拟的海表热通量增强,台风螺旋雨带上尤其是台风路径的右侧,耦合模式模拟的降水强于非耦合模式;耦合模式较好地模拟了台风过程海浪场的分布和演变,与非耦合模式相比,其模拟的海浪场增强,与实际更为接近;考虑了海表粗糙度对波浪的依赖关系后,海浪场同时影响海表的动力过程和热力过程,从本次个例看,在台风发展初期,海浪对海表动力作用影响显著,其反馈作用使台风系统减弱,但在台风充分发展后,耦合系统中海表热通量增加,热力作用显著增强,海浪的反馈作用有利于台风系统的发展和维持。     

孟加拉湾西南季风与南海热带季风季节内振荡特征的比较

采用美国国家环境预报中心的向外长波辐射和风场资料及日本气象厅的降水资料,用30-60d滤波后的夏季风指数在孟加拉湾和南海的区域平均值分别代表孟加拉湾西南季风和南海热带季风季节内振荡,对两支季风的季节内振荡特征进行比较分析,发现孟加拉湾西南季风的季节内振荡和南海热带季风的季节内振荡在夏季风期间(5-10月)都有约3次半的波动.夏季风期间,在阿拉伯海-西太平洋纬带上,夏季风的季节内振荡有4次从阿拉伯海的东传和3次从西太平洋的西传,其中7月后东传可直达西太平洋.孟加拉湾和南海在夏季风期间都有4次季节内振荡的经向传播,但孟加拉湾在约15°N以南为季节内振荡从热带东印度洋的北传,在约15°N以北则为副热带季风季节内振荡的南传;而在南海则是4次季节内振荡从热带的北传.在以孟加拉湾西南季风季节内振荡和南海热带季风季节内振荡分别划分的6个位相中,都存在1-3位相和4-6位相中低频对流、环流形势相反的特征,这是由热带东印度洋季节内振荡的东传和北传所致.热带印度洋季节内振荡沿西南-东北向经过约14d传到孟加拉湾,激发了孟加拉湾西南季风季节内振荡的东传,经过约6d到达南海,激发了南海热带季风季节内振荡的北传,经过约25d到达华南,形成热带印度洋季节内振荡向华南的经纬向接力传播(45d).孟加拉湾西南季风季节内振荡所影响的降水主要是在20°N以南的热带雨带随低频对流的东移而东移;而南海热带季风季节内振荡所影响的降水除了这种热带雨带随低频对流的东移外,还有在20°N以北的东亚副热带地区存在雨带随南海低频对流的北移而北移.     

2000—2014年东北高纬度地区霾环境参数分析

利用探空观测资料及NCEP再分析资料,统计2000-2014年东北高纬度地区霾发生时的环境气象条件,并进行对比分析。结果表明：风垂直切变、地表风速、假相当位温垂直差、逆温强度、混合层高度、K指数、A指数、理查森数和扩散系数等指标和霾发生与维持关系密切。对于东北高纬度地区而言,500hPa与850hPa水平风垂直切变低于21m/s,地表风速在6m/s以下,理查森数大于0.3,逆温强度大于-0.9℃/100m,假相当位温垂直差大于-3K,混合层高度低于1000m,K指数和A指数低于对流天气发生时的经验阈值的情况下,大气垂直和水平方向都不利于污染物扩散,有利于霾的产生与维持。探空资料与再分析资料对应各统计指标在数值上具有较高一致性,特别是极值以外的部分,二种资料计算的指标具有显著的相关关系。对于东北高纬度地区,再分析资料可以代替探空观测资料进行环境参数分布和阈值的统计分析。     

A Numerical Simulation Study of Impacts of Historical Land-Use Changes on the Regional Climate in China Since 1700

By using the improved regional climate model (BCC_RegCM1.0), a series of modeling experiments are undertaken to investigate the impacts of historical land-use changes (LUCs) on the regional climate in China. Simulations are conducted for 2 years using estimated land-use for 1700, 1800, 1900, 1950, and 1990. The conversion of land cover in these periods was extensive over China, where large areas were altered from forests to either grass or crops, or from grasslands to crops. Results show that, since 1700, historical LUCs have significant effects on regional climate change, with rainfall increasing in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin, Northwest China, and Northeast China, but decreasing by different degrees in other regions. The air temperature shows significant warming over large areas in recent hundred years, especially from 1950 to 1990, which is consistent with the warming caused by increasing greenhouse gases. On the other hand, historical LUCs have obvious effects on mean circulation, with the East Asian winter and summer monsoonal flows becoming more intensive, which is mainly attributed to the amplifled temperature difference between ocean and land due to vegetation change. Thus, it would be given more attention to the impacts of LUCs on regional climate change.