对基于RegCM4降尺度的中国区域性暴雨事件模拟评估

基于区域气候模式RegCM4对4个全球气候模式动力降尺度模拟（分别记为CdR、EdR、HdR、MdR）以及高分辨率格点观测数据CN05.1的日降水数据,利用“追踪式”客观识别方法,对1981—2005年中国区域性暴雨事件进行了识别,并评估了模式对其气候特征的模拟性能。结果表明：4个动力降尺度模拟以及多模式集合能较好地模拟区域性暴雨事件发生频次、平均持续时间、平均降水量、平均影响范围和综合强度的年内分布特征以及气候平均值。观测的区域性暴雨事件持续时间、平均降水量、平均影响范围和综合强度在不同区间的频率分布特征以及区域性暴雨事件的累计频次、累计持续时间和累计降水量的空间分布特征也能得到很好地再现。模拟值与观测的空间相关系数都在0.9以上,且均方根误差不超过0.4。不过,相对而言,模式模拟的区域性暴雨事件频次略少,主要由对中度区域性暴雨事件低估所致;模拟的平均持续时间和平均降水量略偏高,而平均影响范围略偏小。综合强度方面,除HdR外,其余模拟均有所高估,尤其是MdR。在频率分布特征和空间分布方面,CdR的模拟性能低于其他模拟。多模式集合模拟的平均持续时间、平均降水量、平均影响范围和综合强度的相对误差分别为13%、2%、-11%和3%。     

区域风能资源评价分析的动力降尺度研究

不同于以往的统计风能评估方法,本研究将动力降尺度方法应用到江苏省的风能评价分析中。利用NCEP/NCAR再分析资料与江苏省65个地面气象观测站1971～2000年的观测资料,建立了动力降尺度区域气候模式MM5V3的初始场和边界条件,用较高分辨率（水平分辨率为5 km）评估了江苏省60 m高度的风能分布,分析了动力降尺度方法在区域风能资源评估中的有效应用。结果表明,江苏省风能资源由东部沿海向西部内陆递减,以西连岛为代表的东部沿海风能资源最丰富,其次为长江三角洲地区,太湖、洪泽湖及高邮湖地区的风能资源也比较丰富,徐州市与南京市的风能资源最贫乏。分析表明,动力降尺度方法能够用较高分辨率模拟局地环流和地面风的主要分布特征,可以作为区域风能资源评价分析的有效手段。     

华东地区极端降水动力降尺度模拟及未来预估

利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）数据集中的全球模式IPSL-CM5A-LR及其嵌套的区域气候模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分别评估了模式对1981~2000中国华东区域极端降水指标的模拟能力,并讨论了RCP8.5排放情景下21世纪中期（2041~2060年）中国华东极端降水指标的变化特征。相比驱动场全球气候模式,WRF模式更好地再现了各个极端指数空间分布及各子区域降水年周期变化。在模拟区域气候特点方面,WRF模拟结果有所改进,并在弥补全球模式对小雨日过多模拟的缺陷起到了明显的作用。21世纪中期,华东区域的降水将呈现明显的极端化趋势。WRF模拟结果显示年总降雨量、年大雨日数、平均日降雨强度在华东大部分区域的增幅在20%以上;年极端降雨天数、连续5 d最大降水量的增幅在华东北部部分区域分别超过了50%和35%,同时最长续干旱日在华东区域全面增加;且变化显著的格点主要位于增加幅度较大的区域。未来华东区域会出现强降水事件和干旱事件同时增加的情况,降水呈现明显的极端化趋势,且华东北部极端化强于华东南部。     

广东省群发性高温事件的气候特征研究

基于1961—2020年广东省86个国家自动气象站的日最高气温数据,采用一种客观识别方法,对广东省群发性高温事件进行回算识别,结果得到广东省群发性高温事件呈显著增长趋势,且在1990年代发生一次年代际突变,群发性高温事件主要发生在4—10月,其频次、强度、持续时间和空间影响范围等特征参数均呈现以7月为最盛期的类单峰式分布。值得关注的是,近60年来广东群发性短历时高温事件呈略微减少趋势,而长历时(≥6天)的事件数呈现显著增加趋势,这给政府的防灾减灾造成更大的难度。     

降尺度CMIP6模式对新疆降水模拟评估

基于6个CMIP6模式的日降水量数据,采用降尺度方法将其统一分辨率到0.25°×0.25°,选取5个极端降水指数从降水气候态、极端性、季节性三个角度对新疆区域1961—2014年历史期降水模拟效果评估。结果表明,降尺度CMIP6模式能较好再现新疆区域降水的空间分布特征,最大年均降水量误差小于30 mm,夏季降水模拟效果最佳相关系数均高于0.8。模式在春秋季对降水的模拟效果差异较小,标准差比值均在1.00 ~ 1.25之间,ACCESS-CM2模拟效果最佳。模式集合均值能模拟出观测降水增多趋势,但低估了降水的年际变率,模拟结果提示新疆80年代的降水转折可能与人类活动有关。在降水极端性和季节性方面,降尺度数据对新疆的极端降水和季节性降水均有较好的模拟性能,降尺度数据对季节性降水的模拟能力（与观测均值误差小于0.001）比原始分辨率的数据（与观测误差大于0.005）效果更好。     

重庆地区极端高温事件的模拟研究

该文使用了中国科学院大气物理研究所大气环流模式IAP AGCM4.1和中尺度数值模式WRF3.2建立的耦合模式(IWRF),利用该耦合模式对1982—2014年重庆夏季气候进行了试验,将模拟结果与NCEP/DOE再分析资料驱动WRF3.2(NWRF)的模拟结果进行了比较,并利用观测资料评估了这2个试验对于重庆极端高温事件的模拟能力。结果表明:(1)2个试验均能较为合理地再现重庆夏季地表气温的气候态特征,IWRF的模拟偏差较大,尤其对于高海拔地区。它们对极端高温事件的模拟存在较大偏差,对日最高气温最大值(TXx),两者的距平分布相似,对暖昼指数(TX90p)和热浪持续指数(HWDI),IWRF的表现好于NWRF。在西部和东南部地区,2个试验对暖昼指数都具有一定的模拟能力;(2)NWRF能够模拟出极端高温指数的年际变化特征,而IWRF表现欠佳;(3)它们都不能模拟出TXx的变化趋势,但是,NWRF能够模拟出HWDI和TX90p的增加趋势。该文的结论可为重庆短期气候预测系统用于极端高温的预测提供一定参考。     

WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

采用NCEP的FNL再分析资料驱动WRF模式,对中国10 a(2000—2009年)夏季降水进行双重动力降尺度(双重嵌套)模拟,将子、母区域模拟结果和观测进行对比,以检验双重动力降尺度对中国夏季降水模拟的"增值"能力。结果表明:单重动力降尺度(单重嵌套)方法能较好模拟出中国10 a夏季平均降水的空间分布,对季风雨带"北跳"特征模拟较好,但模拟降水具有系统性正偏差。在母区域的强迫下,双重动力降尺度模拟的降水分布与单重动力降尺度相比,没有发生根本性变化。但由于子区域的分辨率要高于母区域,双重动力降尺度比单重动力降尺度能提供更多有价值的降水细节。双重动力降尺度的这种"增值"能力存在地域依赖性,在华南地区和江淮地区,双重动力降尺度模拟出的降水分布、量值和逐日演变都要好于单重动力降尺度。但在华北地区,双重动力降尺度没有表现出明显的"增值"。     

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。     

多模式动力降尺度对中国中东部地区极端气温指数的模拟评估

利用LMDZ4变网格大气环流模式分别嵌套于BCC-csm1.1-m、CNRM-CM5、FGOALS-g2、IPSL-CM5A-MR和MPI-ESM-MR等5个全球模式,进行中国中东部地区1961-2005年动力降尺度模拟试验,对比分析降尺度前后各模式对中国中东部极端气温指数的模拟能力。结果表明,相较全球模式,LMDZ4模式较好地刻画了青藏高原、四川盆地等复杂地形的变化,能更好地表现出中国中东部地区极端气温的空间分布。但降尺度改善效果具有明显的区域性差异,对于最高气温、最低气温和霜冻日数,降尺度之后主要在东北、西北、青藏高原以及西南地区改善明显,与观测场的空间相关系数提高至0.95以上,均方根误差低于0.5℃（0.5 d）,且降尺度后模式对最低气温和最高气温空间相关系数的改善程度随地形升高而增大;对于热浪指数,降尺度后在东北、华南以及西南地区热浪分布大值区改善效果明显,但模式间的一致性不高。降尺度在一定程度上模拟出与观测一致的最高、最低气温的线性趋势空间分布,在东北、华北、青藏高原和西南地区最低气温和霜冻日数趋势误差较全球模式小。降尺度模式集合（RMME）对极端气温气候平均场和线性趋势均有较高的模拟能力。多模式动力降尺度能够提高全球模式对中国区域极端气温的模拟能力,为提高未来预估能力提供了基础。     

WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

为了解国家气候中心第二代季节预测模式系统（BCCv2）预测产品在重庆地区的动力降尺度效果,利用WRF模式对BCCv2的2016年汛期预测数据进行动力降尺度试验,对比了动力降尺度前后预测的重庆地区汛期平均降水的差异及采用不同边界层参数化方案对降水预测的影响。试验结果表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对重庆地区汛期降水预测整体偏少的情况,且在降水空间分布特征上与观测更加接近。对比采用不同边界层参数化方案（MYJ、MYNN2、YSU和ACM2）后的降水预测结果可知,YSU方案偏差较小;但从整体看,各方案间差异并不明显。对环流场的偏差分析以及进一步利用松弛逼近法进行的试验表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对青藏高原以南和中国南部地区位势高度预测的正偏差,并能改善降尺度前其对高原南部偏西风水汽输送预测的偏弱,但对两广一带向北水汽输送预测依然较弱;边界场在环流形势预测中的偏差可能与动力降尺度预测的重庆地区汛期降水整体偏少存在联系。

     

高分辨率区域气候变化降尺度数据对京津冀地区高温GDP和人口暴露度的集合预估

基于RCP4.5（中等温室气体排放）情景下5个全球模式模拟结果的降尺度数据,及SSP2社会经济路径下的GDP和人口密度数据,对21世纪京津冀地区（北京、天津和河北的统称）未来2021—2040年（近期)、2046—2065年（中期)、2080—2099年（末期）的高温GDP和人口暴露度进行多模式集合预估。结果表明：未来京津冀地区热事件将增加,21世纪末期京津冀东南部平原和沿海地区的闷热事件、中部平原地区的高温事件出现频率明显增加。GDP和人口暴露度大值区主要分布在北京、天津、保定、石家庄和邯郸等经济发达、交通便利、人口聚集的城市及其周边地区。21世纪京津冀地区的GDP暴露度区域平均值持续增加,21世纪末期多年平均值约为参照时段的58.9倍;各城市的区域平均值也表现出一致增加。京津冀地区人口暴露度区域平均值在21世纪中期达到最大,为参照时段的2.3倍;北京、秦皇岛、张家口、承德和唐山人口暴露度区域平均值将持续增长,其他城市人口暴露度区域平均值在21世纪中期达到最大。GDP暴露度的变化主要取决于非线性因子,且其贡献率随时间逐渐增加,到21世纪末期可达70.9%。21世纪近期和中期人口暴露度的变化主要取决于非线性因子,气候因子在末期占主导地位。     

Comparison of a very-fine-resolution GCM with RCM dynamical downscaling in simulating climate in China

Regional climate simulation can generally be improved by using an RCM nested within a coarser-resolution GCM. However, whether or not it can also be improved by the direct use of a state-of-the-art GCM with very fine resolution, close to that of an RCM, and, if so, which is the better approach, are open questions. These questions are important for understanding and using these two kinds of simulation approaches, but have not yet been investigated. Accordingly, the present reported work compared simulation results over China from a very-fine-resolution GCM (VFRGCM) and from RCM dynamical downscaling. The results showed that: (1) The VFRGCM reproduces the climatologies and trends of both air temperature and precipitation, as well as inter-monthly variations of air temperature in terms of spatial pattern and amount, closer to observations than the coarse-resolution version of the GCM. This is not the case, however, for the inter-monthly variations of precipitation. (2) The VFRGCM captures the climatology, trend, and inter-monthly variation of air temperature, as well as the trend in precipitation, more reasonably than the RCM dynamical downscaling method. (3) The RCM dynamical downscaling method performs better than the VFRGCM in terms of the climatology and inter-monthly variation of precipitation. Overall, the results suggest that VFRGCMs possess great potential with regard to their application in climate simulation in the future, and the RCM dynamical downscaling method is still dominant in terms of regional precipitation simulation.     

东海区风场降尺度模拟影响因子研究

基于中尺度WRF模式,采用NCEP FNL最终分析资料作为初始场和侧边界条件,以2009年为例,对中国东海区风场进行了动力降尺度研究,旨在检验WRF模式长期积分的动力降尺度能力,并考察动力降尺度方法在东海区的适用情况,为东海区多年时间尺度的风场降尺度研究提供参考。结果表明,3种不同积分方式模拟的风场均能较好地描述东海区风场的季节变化,且整体在冬季的模拟,要优于夏季的模拟。5DAY试验模拟效果最优,其他两组试验稍差。说明每5 d更新一次初始场的积分方式能够最好地描述东海区风场。每10 d更新一次初始场比起1 a连续积分模拟效果并无优势,连续长期积分模拟虽会导致系统误差累积,但定期更新初始场的方法并不一定能有效改善东海区风场的模拟效果。对于加入谱逼近方案的3种积分方式模拟的风场,每10 d更新一次初始场的试验对加入谱逼近方案响应最为明显。但就总体试验效果,5DAYS试验模拟效果仍然是最好的。加入谱逼近方案使得1 a连续积分这种积分方式模拟效果变差。由此说明,加入谱逼近方案后,采用5 d更新一次初始场的方式驱动,每次积分时间较短,初始场的作用还较强,故其改善效果不如10 d更新一次初始场;对于1 a连续积分,谱逼近方案使得初始场的改变导致了连续积分的误差积累增大。     

变网格模式LMDZ对东亚夏季气候平均态的模拟能力评估

将可变网格大气环流模式LMDZ的模拟中心移动至中国地理中心附近(37°N,112.5°E),在东亚地区进行加密,使用其对应全球模式同步输出资料进行环流强迫,以观测海表温度SST和海冰SIC资料对下边界强迫,对1979-2008年各年5-9月对500 hPa高度场,850 hPa温度场和地面要素等进行了模拟,并利用同期的NCEP/NCAR再分析资料和由中国气象台站资料生成的格点资料,评估该模式对东亚地区高空环流场、西太平洋副热带高压及地面温度、降水等的夏季气候平均态的模拟能力.结果表明:LMDZ可以较好的模拟平均环流场,其模拟结果能够反映实际的500 hPa高度场和850 hPa温度场的分布特征和趋势,但总体模拟值较观测值偏低;对副高强度的模拟能力偏弱、模拟的副高位置偏东,但准确的表现了副高随时间变化的移动特性;模式较好的再现了中国区域夏季地面气温和降水的空间分布特征;但从数值吻合度看,温度模拟主要呈区域性偏冷距平,在东南沿海地区偏低1～3℃,在西部青藏高原地区偏低3～4℃及以上,中部和东北大部基本无偏差;降水的模拟在中国西北地区与实际观测较为一致,其误差主要表现为在中国东南部沿海模拟的降水偏多;对7个子区域,模式对850 hPa温度场和地面日均气温的再现能力优于对500 hPa高度场的模拟,且子区域间模拟偏差结果相差大,其中华北区地面气温模拟偏差最小,西北区降水值模拟偏差最小.     

针对江苏省气温和降水的高分辨率降尺度模拟及预估北大核心

本文利用WRF模式,以25 km分辨率数值模拟结果作为驱动场,对江苏省现代和未来15 a的气候进行5 km高分辨率降尺度模拟及预估。结果显示,高分辨率降尺度模拟对其驱动场具有显著的提高,降水的负偏差和气温冷偏差均有所降低,其模拟的降水与气温概率分布与观测更为接近;对于极端指数,WRF模式能够模拟出其基本分布,除连续湿润日数CWD和极端高温TXx之外,高分辨率模拟对其他指数的模拟均有显著的提升。在RCP8.5排放情景下对未来气候变化的预估表明,江苏降水在夏季以减少为主,在春季则以增加为主,全年平均降水存在减少趋势;未来0~1 mm·d^(-1)的微弱降水发生概率将增加,小雨、中到大雨以及暴雨发生的概率均降低,而暴雨强度的增强导致极端强降水R95显著增加;气温25℃以上高温发生的概率在未来有所增加,而0℃以下的低温发生概率减小,从而导致暖持续日数显著增加,而冷持续日数减小,另外,极端高温和极端低温都有显著的升高。     

Statistical downscaling of summer temperature extremes in northern China

Two approaches of statistical downscaling were applied to indices of temperature extremes based on percentiles of daily maximum and minimum temperature observations at Beijing station in summer during 1960-2008. One was to downscale daily maximum and minimum temperatures by using EOF analysis and stepwise linear regression at first, then to calculate the indices of extremes; the other was to directly downscale the percentile-based indices by using seasonal large-scale temperature and geo-potential height records. The cross-validation results showed that the latter approach has a better performance than the former. Then, the latter approach was applied to 48 meteorological stations in northern China. The cross-validation results for all 48 stations showed close correlation between the percentile-based indices and the seasonal large-scale variables. Finally, future scenarios of indices of temperature extremes in northern China were projected by applying the statistical downscaling to Hadley Centre Coupled Model Version 3 (HadCM3) simulations under the Representative Concentration Pathways 4.5 (RCP 4.5) scenario of the Fifth Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP5). The results showed that the 90th percentile of daily maximum temperatures will increase by about 1.5℃, and the 10th of daily minimum temperatures will increase by about 2℃ during the period 2011-35 relative to 1980-99.