区域气候模式中地表径流方案的数值试验

建立了不均匀的地表径流算法,修改了RegCM2中径流方案,这一算法适用于疏松土壤和紧密土壤.设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式.模拟了1998年夏季大暴雨期间6、7、8月降水的空间分布,分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响,结果表明：①本文提出的方案在模拟1998年长江流域夏季大暴雨期间降水的空间分布上有一定的合理性,在一定程度上改善了降水量的模拟,其影响大致是总降水量的10%左右.②地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量,这种作用随时间发生变化,这种变化与地表水分的再分配有关.③本方案计算的土壤渗透能力较强.在暴雨的初期,产生径流较少,而在暴雨后期土壤湿度增大,产生的地表径流较大,这一点更符合洪水形成的特点.     

一种区域气候模式地表产流方案的改进及数值试验

本文针对陆面过程模式BATS中没有水文非均匀描述的这一缺陷,将更符合物理过程实际的考虑入渗非均匀和降水非均匀的水文模型VXM并入BATS,并将此改进后的陆面过程参数化方案与MM5V3耦合。利用该区域水文气候模式模拟1990、1991和1998年夏季风气候,对模拟结果分析得知,总体上该模式的模拟能力对入渗非均匀和降水非均匀的响应是敏感的,而且考虑入渗非均匀和降水非均匀后模式的模拟能力得到了一定的提高。     

MM5BATS对东亚夏季气候及其变化的模拟试验

将陆面过程模式BATS耦合到中尺度模式MM5V3中与另一区域气候模式RegCM2一起对1995—2000年夏季东亚的区域气候作了模拟试验,并与实际资料作了比较。模拟试验结果表明：(1)两个模式均能较合理地模拟出6年夏季平均的环流、温度和海平面气压等的变化,MM5BATS的模拟结果要略优于RegCM2的结果;(2)MM5BATS模式较合理地模拟出了6年夏季平均的降水分布,而RegCM2模式的模拟结果偏强;(3)MM5BATS模式较好地模拟出了1997年和1998年夏季环流场的变化,对降水的模拟也比较合理。RegCM2对1997年和1998年降水的模拟基本上都偏强。模拟试验结果还表明,在区域气候模拟中有必要采用更新的模式。     

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上,利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟,并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明,模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力,基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面,如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上,ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

区域气候模拟研究

区域气候模拟是近几年发展起来的研究有限区域气候及气候变化的方法。由于区域气候模式较好地表示了地形和地表状况,同时包含较详细的陆地过程方案,因而能捕获许多大气环流模式难以分辨的区域尺度温度、降水分布和土壤水分变化特征。此外,区域气候模拟对于了解温室气体强迫可能导致的全球增暖在区域尺度上的特征及生态、环境效应也具有重要的意义。该文总结区域气候模式和模拟试验结果,并指出存在问题及今后研究的重点。     

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究

在陆面过程方案中考虑精细的水模型有助于改善对区域水及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入诊空间非均匀性的水模型，并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验，得到如下主要结论：陆面水的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感；考虑入渗非均匀性后，提高了径流系数，这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致；入渗非均匀参数化方案的引入对区域水及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大；不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。     

陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用

针对陆面过程模式CLASS(Canadian Land Surface Scheme)产流模拟方面的不足,提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。利用淮河流域能量和水分循环试验(HUBEX)资料,在史灌河流域对改进前后的模型进行了对比试验。结果表明,产流模拟改进方案大大提高了CLASS的径流模拟能力,同时改善了模式对土壤含水量的模拟。     

RegCM4区域气候模式对新疆地区冬季地表状态的模拟分析

利用区域气候模式Reg CM4.3(Regional Climate Mode version 4.3)对新疆地区冬季的地表状态进行了模拟分析,通过与ERA40再分析资料的对比分析发现,温度分布形势模拟较好,地面热力状态受地形影响显著,陡峭地形附近由于热性质差异大和非均匀性强会导致较大模拟误差;模式较好模拟出降水和潜热通量北疆多南疆少,山区多盆地少的分布特征,模拟出通过反照率影响,地表吸收的短波辐射呈现出沙漠腹地吸收多而天山地区吸收少的分布,对北疆呈感热通量汇而南疆呈感热通量源的感热分布形势也模拟较好;模拟的雪水当量与降水分布有较好的一致性,春季融雪径流与冬季雪水当量分布及降水均有较好的对应关系。通过模拟分析也发现,现有方案实际感热通量计算中以地面温度代替地面位温,造成感热通量偏小,因此会低估南疆感热源效应和高估北疆感热汇效应。此外,积雪量和地面温度模拟偏高可能是春季北疆主要积雪区径流偏强的原因。     

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。     

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

采用生物-大气传输模式（BATS模型）模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地-大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明：对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气-水文之间关系与作用的不同特征。     

区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验

建立不均匀的地表径流算法，修改RegCM2的径流方案，设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式，模拟了1998年6、7、8月降水的空间分布，分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响。结果表明：（1）该方案在模拟1998年长江流域降水空间分布上有一定的合理性，在一定程度上改善了降水量的模拟，其影响大致是总降水量的10％；（2）地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量，这种作用随时间发生变化，这种变化与地表水分的再分配有关；（3）本方案计算的土壤渗透率较强，在暴雨初期，产生径流较少，而在暴雨后期土壤湿度增大，产生的地表径流较大，这一点更符合洪水形成的特点；（4）水文一气候耦合模式模拟了两个长江水文站的流量，模拟值基本反映了实测值的变化趋势，也表明耦合模式基本能反映1998年夏季长江流域大暴雨期间的地表水文过程。     

RegCM3.0与RegCM4.0对中国区域多雨年夏季气候模拟的对比分析

采用RegCM3.0和RegCM4.0模式,利用NCEP/DOE Reanalysis II数据、NOAA的周平均海温资料以及BATS、CLM3.5两种陆面过程方案,对我国4个典型多雨年(1998、2003、2007、2010年)的夏季气候进行模拟试验。结果表明,RegCM4-BATS1e模拟的降水量和雨带位置都与观测事实更为接近,尤其是对东南沿海地区强降水带的模拟,模式两个版本对湿润区的降水模拟均偏少,对干旱半干旱、湿润半湿润区的降水模拟则偏多;对于气温的模拟,其模拟结果均存在负偏差,但都能够模拟出位于东南沿海及新疆沙漠地带的温度高值区,RegCM4-CLM3.5模拟温度的量值更准确,而RegCM4-BATS1e模拟的温度空间分布型态与实际最为接近。     

RegCM3模式对中国东部夏季降水的模拟试验

利用最新发布的区域气候模式RegCM3对1998年5—8月中国东部降水进行了模拟试验，考察了模式对降水和大尺度环流系统的模拟能力。结果表明：不同对流性降水方案对不同月份、不同区域的降水模拟效果差别较大，采用Kuo方案和Grell方案时模拟的降水效果要好于BM方案；RegCM3能较成功地再现异常降水的月际尺度变化和空间分布等基本特征；模式还较好地模拟了西太平洋副高脊线的演变过程和两次向北传播的季节内振荡。该模式可应用于中国东部夏季风降水的研究。     

An evaluation of RegCM3_CERES for regional climate modeling in China

A 20-year simulation of regional climate over East Asia by the regional climate model RegCM3_CERES (Regional Climate Model version 3 coupled with the Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) was carried out and compared with observations and the original RegCM3 model to comprehensively evaluate its performance in simulating the regional climate over continental China. The results showed that RegCM3_CERES reproduced the regional climate at a resolution of 60 km over China by using ERA40 data as the boundary conditions, albeit with some limitations. The model captured the basic characteristics of the East Asian circulation, the spatial distribution of mean precipitation and temperature, and the daily characteristics of precipitation and temperature. However, it underestimated both the intensity of the monsoon in the monsoonal area and precipitation in southern China, overestimated precipitation in northern China, and produced a systematic cold temperature bias over most of continental China. Despite these limitations, it was concluded that the RegCM3_CERES model is able to simulate the regional climate over continental China reasonably well.