动态植被模型对青藏高原植被的模拟检验

动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被（Dynamic Vegetation, DV）和碳氮（Carbon and Nitrogen, CN）模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原（以下简称高原）植被的模拟性能进行了评估,获得了定量化的偏差信息,并对高原植被和气候变化因子的关系进行了初步探讨。结果表明：模型能大致再现叶面积指数（Leaf area index, LAI）在历史时期的季节循环、长期变化趋势和空间分布,但空间变率较遥感资料大。模拟的乔木覆盖度偏大,草地覆盖度偏小,因此严重高估了植被高原南部和东部的LAI。与遥感观测相比,模拟的LAI呈现了1～2个月的滞后,这与模式本身的植被动力机制不完善和模式的降水驱动偏差有关。高原植被变化趋势的时空分布与表层土壤水和降水等气象因子的趋势变化显示出较好的一致性,表明在该研究时段,地表水循环的变化（主要是降水和土壤水含量）对高原植被生长可能起主导作用。     

中国东部夏季三个雨带降水的年代际变化及其与中高纬环流和海温的关系

根据1998年南海夏季风试验期间GAME／HUBEX一天4次同化资料,着重分析了1998年南海夏季风爆发前后大尺度水汽输送的主要特征,结果表明大尺度水汽条件与季风活动密切相关。南海夏季风爆发前后,南海地区主要的水汽输送带发生了较大变化。季风爆发前,南海地区水汽主要来自西太平洋;季风爆发后,水汽主要来自热带东印度洋和盂加拉湾。降水过程与水汽辐合的极大值密切相关,而主要水汽辐合带位置的移动及强度的变化则和南海夏季风相联系。随着南海夏季风的建立、加强,南海地区的水汽辐合带相应地建立和加强,并伴有降水发生。季风爆发后南海地区大气的可降水量较季风爆发前显著增加。季风爆发前大气的水汽汇中心主要出现在中南半岛及我国华南沿海地区,南海夏季风爆发后,从孟加拉湾到南海水汽输送加强,南海大部、孟加拉湾北部和菲律宾以东的洋面上均转为水汽汇区,从而对南海、日本及其以南的降水产生重要影响。     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.     

动态植被模型模拟的植被季节变化及其评估

利用MODIS卫星观测资料,对一个考虑了生态系统碳氮循环过程的动态植被模型ICM的模拟性能进行了评估.重点对反映植被动力学的关键参数--叶面积指数(LAI)的模拟结果与观测进行了对比分析,评估了ICM对LAI季节变化特征的模拟能力.结果表明,ICM基本能够模拟出植被的季节变化特征.总体而言,模拟值在低纬度和高纬度地区大...     

CMIP6模式对亚洲中高纬区极端温度变化的模拟及预估

利用观测的亚洲中高纬区逐日最高、最低气温和CMIP6计划中28个全球气候模式资料,系统评估了CMIP6模式对亚洲中高纬区日最高温(TXx)和日最低温(TNn)的模拟性能,并对其未来演变趋势进行了科学预估.主要结论如下:1)CMIP6大部分模式能合理地模拟亚洲中高纬区TXx和TNn自南向北、自西到东逐渐降低的空间分布特征...     

多层城市冠层模型参数优化及对京津冀城市群的高温模拟

针对京津冀高温模拟,综合运用卫星和地面气象观测数据、参数敏感性试验等技术方法,确定了耦合了多层城市冠层模型的中尺度数值模式（WRF/BEP/BEM）的地表反照率、比辐射率和人为热等参数的本地化配置。数值对比试验表明,参照试验中优化地表反照率、比辐射率和人为热（通过本地优化BEM输入参数来实现）等参数后,模式对京津冀高温模拟的效果均有显著提高,65%及以上的城市站点,参照试验比敏感性试验模拟误差降低0.5℃以上。经参数优化的WRF/BEP/BEM,较好地模拟了2010年以来京津冀地区5次极端高温过程,模拟结果与观测的标准差分别为1.4°C、0.8°C、0.9°C、1.0°C和0.7°C,分别较ERA5与观测的标准差减小26.3%、61.9%、40.0%、41.2%和36.3%。参数本地优化的WRF/BEP/BEM,可进一步应用于京津冀极端高温的相关研究,特别是城市化对极端高温作用机理的研究。     

中国东部季风区植被物候季节变化对气候响应的大尺度特征：年际比较

利用1982～1993年NOAA/NASA PathfinderAVHRR陆地数据集中的NDVI数据集,在中国东部植被生长的不同阶段(全年、植被生长季、植被生长季的增长阶段和衰退阶段),对植被季节生长对气候响应的年际变化进行了分析,发现：(1)无论在多年平均意义上还是逐年来看,中国东部季风区植被季节性生长状况对温度的响应在各个生长阶段都是近于同步的,温度对于植被生长季节变化的驱动关系非常稳定;(2)逐年来看,植被季节性生长对降水的响应也是存在的,但相关关系和相关的滞后关系具有年际差异。通过定量化地分析中国东部植被季节生长对季风气候响应的年际变化,有助于对陆面过程模式中的有关部分进行改进,从而提高对中国东部区域年际气候变化的模拟能力。     

玉米冠层对降水的截留模型构建

降水资源是农作物的主要水分来源,农作物通过吸收土壤中的水分维持正常的生长发育,但由于未考虑农作物冠层对降水截留作用,在水资源评估和农田水分平衡研究中往往高估降水作用。该文通过2018年玉米生长季在辽宁锦州农业气象试验站开展的降水模拟试验系统分析了玉米冠层对降水的截留效应,结果表明：在降水量一定条件下,玉米冠层截留量与叶面积指数的二次多项式拟合相关最佳;在叶面积指数一定条件下,玉米冠层截留量与降水量的幂函数拟合相关最佳。综合叶面积指数和降水量分析表明：玉米冠层截留量与叶面积指数平方及降水量对数函数拟合呈正相关。根据我国玉米传统种植方式,高产玉米的叶面积指数最大一般为5~6,因此,对一次降水的最大截留量通常约为1.5~2.3 mm,当叶面积指数小于1时,对降水的截留可忽略不计。     

棉花冠层阴阳叶空间分布的日变化及其对光合作用的影响

在2007年7—8月棉花生长旺季,将冠层按高度分多层,通过简单的试验方法确定了棉冠内叶片丛聚指数(clumping index,Ω),以此区分计算出田间各层逐时阳叶(受光叶)和阴叶(被遮荫叶)叶面积指数的动态值。在8月23日用LI-6400R便携式光合测量系统分多层分别测定阴、阳叶单张叶片净光合作用的日变化,结合阴、阳叶面积权重,探讨利用Ω区分阴阳叶之后对整个冠层日总光合作用的影响。试验结果表明:(1)花铃期棉花冠层内Ω约为0.68;(2)利用Ω计算得到8月23日冠层日间(09:00—18:00)总净光合作用日平均值大约为20.3μmol·m-2·s-1,其中阳叶贡献约占总量的72%,阴叶约占总量的28%;(3)上层叶片贡献约占总量的75%,中层叶片约占总量的22%,下层叶片约占总量的3%。     

北太平洋涛动的季节演变及其与我国冬春气候异常的联系

本文利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站的观测资料,首先定义了季节平均的北太平洋涛动(NPO)指数,在此基础上分析了不同季节中NPO的时空变化特征,特别对冬季和春季NPO与我国气温、降水异常的关系作了研究.结果表明,作为北太平洋地区海平面气压(SLP)年际变化的第二模态,NPO具有相当正压的结构,在地面表现为...     

区域耦合模式FROALS模拟的西北太平洋热带气旋潜势分布与年际变率:耦合与非耦合试验比较

热带气旋潜势指数可以合理刻画热带气旋生成的位置与范围, 被广泛应用于评估气候系统模式对热带气旋的模拟。本文使用区域海—气耦合模式FROALS对西北太平洋地区1982～2007年的积分结果, 检验了该模式对热带气旋潜势指数的气候态和年际变率模拟能力, 并从决定热带气旋潜势的五个变量角度, 分析了造成模式模拟偏差的原因。结果表明, 模式可以合理再现西北太平洋地区热带气旋潜势指数的分布, 但由于西北太平洋季风槽模拟偏弱且耦合后模拟海温偏冷, 使得耦合试验模拟的热带气旋潜势指数分布偏弱, 尽管较之单独大气模式, 其模拟的空间分布有改善。在年际变率方面, 模式可以合理再现年际变率中热带气旋潜势指数对ENSO的响应, 且耦合模式优于单独大气模式, 分析表明其原因在于耦合模式模拟的850 hPa季风槽强度与年际变率优于单独大气模式。因此区域耦合模式在模拟热带气旋指数年际变率方面相较大气模式有优势。     

Seasonal and Intraseasonal Variations of East Asian Summer Monsoon Precipitation Simulated by a Regional Air-Sea Coupled Model

The performance of a regional air-sea coupled model, comprising the Regional Integrated Environment Model System (RIEMS) and the Princeton Ocean Model (POM), in simulating the seasonal and intraseasonal variations of East Asian summer monsoon (EASM) rainfall was investigated. Through comparisons of the model results among the coupled model, the uncoupled RIEMS, and observations, the impact of air-sea coupling on simulating the EASM was also evaluated. Results showed that the regional air-sea coupled climate model performed better in simulating the spatial pattern of the precipitation climatology and produced more realistic variations of the EASM rainfall in terms of its amplitude and principal EOF modes. The coupled model also showed greater skill than the uncoupled RIEMS in reproducing the principal features of climatological intraseasonal oscillation (CISO) of EASM rainfall, including its dominant period, intensity, and northward propagation. Further analysis indicated that the improvements in the simulation of the EASM rainfall climatology and its seasonal variation in the coupled model were due to better simulation of the western North Pacific Subtropical High, while the improvements of CISO simulation were owing to the realistic phase relationship between the intraseasonal convection and the underlying SST resulting from the air-sea coupling.     

季风湿润区冬季水汽收支年际及年代际变化特征

采用1958—2007年NCEP/NCAR再分析资料和我国160站降水资料,对东亚大陆季风湿润区冬季的水汽收支变化与大气环流和我国降水异常特征的关系进行研究。结果表明:冬季水汽收支时间序列表现出明显的长期气候变化趋势。挑选的水汽收支高、低值年不仅能够指示季风湿润区经向风的异常变化,还能够指示东亚冬季风的强弱和降水的异常变化。高值年,蒙古冷高压和阿留申低压偏弱,对流层低层为异常偏南风,整层为异常逆时针环流,30°N以南的辐合和上升运动强,大气水分收入增多,降水增加;低值年则相反。差值合成的异常降水量中心值可达40 mm以上,差值合成的水汽异常输入主要集中在600~900 hPa。合成的经向水汽收支占净收支变化的91.3%,纬向上相差较小。季风湿润区南、北区域的水汽收支及降水的差异明显,纬向的收入支出对此差异贡献较大。水汽收支的年代际特征,不仅能够指示水汽输送的强弱及从海洋输入水汽的多少,还能够指示季风湿润区降水的变化,且差值合成的异常降水量最大可达30 mm以上。     

植被对季节内振荡影响的数值模拟

The influences of vegetation on intraseasonal oscillation (ISO) were examined using the Community Atmosphere Model version 3 (CAM3).Two 15-year numerical experiments were completed:the first was performed with a realistic vegetation distribution (VEG run),and the second was identical to the VEG run except without land vegetation (NOVEG run).Generally speaking,CAM3 was able to reproduce the spatial distribution of the ISO,but the ISO intensity in the simulation was much weaker than that observed in nature:the ISO has a relatively much stronger signal.A comparison of the VEG run with the NOVEG run revealed that the presence of vegetation usually produces a weak ISO.The vegetation effects on ISO intensity were significant over West Africa and South Asia,especially in the summer half-year.Vegetation also plays an important role in modulating ISO propagation.The eastward propagation of the ISO in the VEG run was clearer than that in the NOVEG run over the West African and Maritime Continent regions.The northward propagation of the ISO in the VEG run was more consistent with observation than that in the NOVEG run.     

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.     

耦合模式FGOALS-s2模拟的大西洋经圈翻转环流（AMOC）的年代际变率

利用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（LASG/IAP）发展的耦合的气候系统模式FGOALS-s2工业革命前控制试验结果研究了大西洋经向翻转流（Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC）的年代际变率及其物理机制。传统AMOC是利用深度坐标下的质量流函数来表征,本文通过对密度坐标下49.5°N的AMOC指数与其余纬度的AMOC指数作相关分析,发现AMOC的变化有从深水形成区向南传播的过程,且密度坐标下的AMOC变率在北大西洋高纬度明显大于低纬度。分析进一步表明,模式模拟的AMOC具有年代际振荡,周期约为70年。这个低频振荡主要是由与AMOC变化相关的温度和盐度的变化与海表风场之间的相互作用引起,具体机制如下:格陵兰-冰岛-挪威海有异常强的海表风场,导致蒸发增强,继而使海表盐度增加,深水形成增多,从而使AMOC增强。AMOC加强后,会使得向北的热量和盐度输送增加,减弱此处的经向温度梯度,风场随之减弱,从而完成位相的反转。     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

MRI模式对华南春雨气候态及年际变率的模拟：不同模式分辨率的比较

本文利用日本气象研究所（MRI）参加第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的大气环流模式在高、中、低三种分辨率下的AMIP试验结果,评估了其对华南春雨气候态和年际变率的模拟能力,比较了不同分辨率的模拟结果。结果表明,三种不同水平分辨率（120 km、60 km和20 km）的模式均能再现北半球春季位于中国东南部的降水中心。相较于120 km模式,20 km模式能够更为合理地模拟出华南春雨位于南岭—武夷山脉的降水中心。水汽收支分析表明,60 km、20 km模式高估了水汽辐合,使得华南春雨的降水强度被高估。在年际变率方面,在三种分辨率下,模式均能较好地再现观测中El Ni?o衰减年春季的西北太平洋反气旋以及华南春雨降水正异常。较之120 km模式,60 km、20 km模式模拟的降水正异常的空间分布和强度更接近观测,原因是后者模拟的El Ni?o衰减年春季华南地区的水平水汽平流异常更接近观测。本研究表明,发展高分辨率气候模式是提高华南春雨的气候态和年际变率模拟水平的有效途径之一。