两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

陆面过程模式LPM—ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究，模拟结果表明，模式ＬＰＭ－ＺＤ比较地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温，湿变量以及陆气间能量交换的日变化特征，能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点。     

陆面特征非均一作用参数化及其对区域气候影响的数值模拟试验

本文首先改进了陆地下垫面特征非均一性的次网格尺度参数化方法，然后利用三维地气耦合的区域气候模式，设计一系列值试验，研究了下垫面特征改变对区域气候环境变化的影响，主要分析了陆地表面特征变化对我国苏南附近地区夏季温度化的影响，结果表明采用地下垫面特征非均一作用的次网格尺度参数化方法对于改进数值模拟结果的质量有一定效果。     

陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。     

陆面过程模式的敏感性试验

本文对文献[1]中提出的陆面过程模式(简称LPM)进行了下列敏感性试验:1)植被的覆盖度,2)土壤湿润程度,3)不同植被类型(半荒漠、草原、混交林、森林和作物地五种)和4)不同气候带(半干旱、半湿润和湿润带三类)。试验结果与相应的观测和气候状况进行了比较,表明了模式对上述参数或参数组变化的敏感程度。模拟的不同植被和气候带的温湿状况和能量平衡关系是合理的。因此可以用于气候模拟的研究。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

NCAR RegCM2对东亚区域气候的模拟试验

利用垂直、水平高分辨率的区域气候模式ＮＣＡＲＲｅｇＣＭ２（１９９６年５月最新版本）进行了１９９１年夏季（５～８月）东亚洪涝个例的区域气候数值模拟．与观测事实的比较表明，该模式能够较好地再现出该个例我国江淮流域—日本季风降水的主要时空特征和环流形势异常等．也指出了模拟结果的一些不足之处和今后的改进方向     

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料, 发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived from vegetation map, 简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 陆面覆盖资料相比有较大不同: 其中裸土比例减少了14.5%, 森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%, 冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MODIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1 km土地利用图的土地利用资料比较表明, CLCV与两者较为接近。最后, 利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟, 结果显示, 使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7 mm/a; 地表反照率、 感热和径流分别减小了约0.7%、 0.3 W/m2和7.6 mm/a; 与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC (Global Runoff Data Centre) 径流资料比较表明, 利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进, 并能基本模拟出径流分布趋势。     

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。     

次网格坡地辐射参数化对RegCM4.1模式模拟东亚夏季气候的影响

本研究将次网格坡地辐射参数化方案引入到区域气候模式(RegCM4. 1)中,并研究次网格坡地辐射参数化对RegCM4. 1模拟东亚夏季气候性能的影响。结果表明:RegCM4. 1高估了夏季青藏高原的热源作用,模拟低层偏强的西南季风导致了模拟的中国夏季降水量总体偏大。引入次网格坡地辐射参数化方案后,模式模拟的青藏高原夏季地表太阳辐射通量和长波辐射通量减小分别可达5%和12%以上,夏季减弱的青藏高原热源作用使得低层西南季风减弱,从而改善了模式对中国夏季降水的模拟;而且改善程度自东南向西北递减,在东南地区模拟夏季降水的相对均方根误差减小9%,空间相关系数和Taylor评分分别提高0. 14和0. 08。     

A regional climate model simulation over West Africa: parameterization tests and analysis of land-surface fields

The West African Monsoon has been simulated with the regional climate model PROMES, coupled to the land-surface model ORCHIDEE and nested in ECMWF analysis, within AMMA-EU project. Three different runs are presented to address the influence of changes in two parameterizations (moist convection and radiation) on the simulated West African Monsoon. Another aim of the study is to get an insight into the relationship of simulated precipitation and 2-m temperature with land-surface fluxes. To this effect, data from the AMMA land-surface model intercomparison project (ALMIP) have been used. In ALMIP, offline simulations have been made using the same land-surface model than in the coupled simulation presented here, which makes ALMIP data particularly relevant for the present study, as it enables us to analyse the simulated soil and land-surface fields. The simulation of the monsoon depends clearly on the two analysed parameterizations. The inclusion of shallow convection parametrization affects the intensity of the simulated monsoon precipitation and modifies some dynamical aspects of the monsoon. The use of a fractional cloud-cover parameterization and a more complex radiation scheme is important for better reproducing the amplitude of the latitudinal displacement of the precipitation band. This is associated to an improved simulation of the surface temperature field and the easterly jets. However, the parameterization changes do not affect the timing of the main rainy and break periods of the monsoon. A better representation of downward solar radiation is associated with a smaller bias in the surface heat fluxes. The comparison with ALMIP land-surface and soil fields shows that precipitation and temperature biases in the regional climate model simulation are associated to certain biases in land-surface fluxes. The biases in soil moisture seem to be driven by atmospheric biases as they are strongly affected by the parameterization changes in atmospheric processes.     

A regional climate change simulation over East Asia

In this study, regional climate changes for seventy years (1980–2049) over East Asia and the Korean Peninsula are investigated using the Special Reports on Emission Scenarios (SRES) B1 scenario via a high-resolution regional climate model, and the impact of global warming on extreme climate events over the study area is investigated. According to future climate predictions for East Asia, the annual mean surface air temperature increases by 1.8°C and precipitation decreases by 0.2 mm day^?1 (2030–2049). The maximum wind intensity of tropical cyclones increases in the high wind categories, and the intra-seasonal variation of tropical cyclone occurrence changes in the western North Pacific. The predicted increase in surface air temperature results from increased longwave radiations at the surface. The predicted decrease in precipitation is caused primarily by northward shift of the monsoon rain-band due to the intensified subtropical high. In the nested higher-resolution (20 km) simulation over the Korean Peninsula, annual mean surface air temperature increases by 1.5°C and annual mean precipitation decreases by 0.2 mm day^?1. Future surface air temperature over the Korean Peninsula increases in all seasons due to surface temperature warming, which leads to changes in the length of the four seasons. Future total precipitation over the Korean Peninsula is decreased, but the intensity and occurrence of heavy precipitation events increases. The regional climate changes information from this study can be used as a fruitful reference in climate change studies over East Asia and the Korean peninsula.     

The effects of land-surface characteristics on the East Asian summer monsoon

 The Community Climate Model version 2 (CCM2) of the National Center for Atmospheric Research (NCAR) was used to investigate the effects of the land-surface characteristics on the East Asian summer monsoon. Four numerical experiments were performed in this study. They include the control run, the biosphere–atmosphere transfer scheme (BATS) run, the heavy snow run, and the light snow run. The results show that CCM2 can reasonably simulate many characteristics of the East Asian summer monsoon, such as the 850-hPa southwesterlies, 200-hPa easterlies, high precipitation rate, two monsoon subsystems, the low-level subtropical high, and the upper level South Asian anticyclone. Nevertheless, the model still exhibits some systematic errors, including oversimulation of the temperature over the Eurasian continent, which in turn intensifies the monsoon circulations. In the BATS run, the model can significantly relieve the temperature bias over the continent in spring and early summer. However, the effect of BATS decreases in the summer due to excessive incoming solar radiation. The Eurasian continent is still occupied by an oversimulated thermal low in summer. In the heavy snow case, the high albedo of snow and larger soil moisture suppress the warming rate of the surface and atmosphere in the early summer and hence the cooler troposphere results in a weaker monsoon circulation. Moreover, anomalous cyclonic flows are found in the leeside of Tibetan Plateau (i.e. the southwest vortex in China) in the heavy snow case. This may shed a light on the precipitation anomalies (floods) over Yangtze River Valley (Central China) and eastern Asia due to intensified baroclinic disturbances. Received: 8 September 1999 / Accepted: 5 June 2000     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

WRF模式不同云微物理参数化方案对东亚夏季风模拟影响的研究

利用WRF v3.2.1模式,采用其中5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究,结果显示:5种方案均能较好地模拟出我国东部地区夏季降水的基本分布,但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显的差异,总体来看,WDM6方案模拟的东亚夏季降水强度明显比其他4种方案大,而Morrison方案对降水的模拟总体效果好于其他4种方案。从云微物理角度来看,5种云微物理参数化方案均能比较合理地描述云水、雨水及冰相粒子的空间分布状态。其中,WSM3方案计算的云水、雨水质量混合比明显比其它方案大,WDM6方案计算的云水质量混合比则较小,而Morrison方案计算的雨水质量混合比较小,再者该方案冷云中霰粒子浓度偏小,因而Morrison方案在粤闽两省的夏季日降水量模拟比其他方案小,从而与TRMM观测结果更为接近。采用5种云微物理参数化方案均能较好地模拟出春、夏季西太平洋副高、雨带和大气水凝物在东亚地区的季节进退过程。5种方案模拟的雨水粒子浓度分布和中纬度雨带在南北进退过程中的位置较为吻合,两者均跟随西太平洋副高北进、南退。对于中低纬度存在的大降水中心来说,其位置少动,并且与该地区存在的的冰晶、雪晶粒子的高值中心具有较好的对应关系,说明在中低纬度地区,与热带对流相伴随的较高层次的冰相粒子数的浓度是决定降水强弱的关键因素。     

Assessing future climate changes and extreme indicators in east and south Asia using the RegCM4 regional climate model

This paper assesses future climate changes over East and South Asia using a regional climate model (RegCM4) with a 50?km spatial resolution. To evaluate the model performance, RegCM4 is driven with ??perfect boundary forcing?? from the reanalysis data during 1970?C1999 to simulate the present day climate. The model performs well in reproducing not only the mean climate and seasonality but also most of the chosen indicators of climate extremes. Future climate changes are evaluated based on two experiments driven with boundary forcing from the European-Hamburg general climate model (ECHAM5), one for the present (1970?C1999) and one for the SRES A1B future scenario (2070?C2099). The model predicts an annual temperature increase of about 3°?C5° (smaller over the ocean and larger over the land), and an increase of annual precipitation over most of China north of 30°N and a decrease or little change in the rest of China, India and Indochina. For temperature-related extreme indicators in the future, the model predicts a generally longer growing season, more hot days in summer, and less frost days in winter. For precipitation-related extremes, the number of days with more than 10?mm of rainfall is predicted to increase north of 30°N and decrease in the south, and the maximum five-day rainfall amount and daily intensity will increase across the whole model domain. In addition, the maximum number of consecutive dry days is predicted to increase over most of the model domain, south of 40°N. Most of the Yangtze River Basin in China stands out as ??hotspots?? of extreme precipitation changes, with the strongest increases of daily rain intensity, maximum five-day rain amount, and the number of consecutive dry days, suggesting increased risks of both floods and droughts.     

CAM3.0模式中黑碳及硫酸盐气溶胶浓度变化对东亚春季气候的影响研究

本文采用CAM3.0模式研究东亚地区各种气溶胶浓度增加后对于东亚春季各气候要素,尤其是对降水和春季风场的影响。在模式中通过分别对区域(20～50°N,100～150°E)内黑碳气溶胶浓度单独加倍、硫酸盐气溶胶浓度单独加倍、两种气溶胶浓度同时加倍的实验方法,探讨不同气溶胶浓度变化在东亚春季气候变化中的具体作用。结果表明:在春季,3种气溶胶浓度增加方式都使得东亚地区表现出降水中南部减少北部增加,低层大气西南风异常以及地面温度南部增加北部减少。通过对110～120°E的断面分析发现,硫酸盐与黑碳气溶胶在春季首先影响约800 hPa以上大气的温度并通过不同的动力机制影响东亚地区的风场,风场的改变进而导致了云量和降水在东亚北方地区增多而中南部地区减少,并最终使得地面温度表现出东亚中南部地区增温而北方地区相对降温的特征。     

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。     

ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响

基于1901-2000年多种海-气资料,分析了厄尔尼诺成熟年冬季-初夏西北太平洋异常反气旋（WNPAC）的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明,无论是厄尔尼诺事件成熟期的冬季还是次年的春季和初夏,WNPAC的年际变化主要存在两个空间变化型,即反映其强度变化的经验正交函数分解第1模态和反映其位置变化的第2模态。厄尔尼诺成熟年冬季WNPAC强度不仅与赤道中东太平洋海温异常有关,而且与太平洋西部（WP）型遥相关的强度有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常以及北极涛动（AO）有关;次年春季,WNPAC的强度除了与赤道中东太平洋海温异常和太平洋西部型遥相关存在显著相关外,还与赤道大西洋海温异常有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常和太平洋西部型遥相关有关;次年初夏,WNPAC强度主要与西北印度洋和西南印度洋的海温异常以及东亚-太平洋（EAP）型遥相关的强度有关。进一步分析表明,成熟年冬季-初夏WNPAC的强度和位置的变化均可对东亚地区降水异常分布产生影响,这对预测厄尔尼诺事件发生后冬季及后期春、夏季节东亚地区降水异常分布具有一定的指示意义。此外,次年初夏,WNPAC强度变化与西北太平洋台风发生频数存在显著负相关,即WNPAC越强,台风发生的频数越少,反之亦然。