对流允许尺度区域气候模拟的研究进展

与以往的区域气候模式相比,对流允许区域气候模式不再依赖于对流参数化方案,其精细的分辨率可以显式表示深对流过程,在夏季对流降水的日变化和极端降水事件模拟等方面具有明显增值能力,是区域气候模拟的发展方向。对现有的对流允许尺度区域气候模拟研究进行了较为详细的回顾和介绍,简述了对流允许尺度区域气候模式中比较重要的物理过程及外部驱动条件的影响,总结了以往对流允许尺度区域气候模拟的研究成果以及当下所面临的挑战和对未来的展望,以期对中国及东亚区域对流允许区域气候模拟的研究提供有益参考。诸多研究表明,对流允许区域气候模拟作为一种有前景的气候模式,可提供更加可靠的区域尺度的气候信息。     

2007年7月江淮流域降水过程云分辨尺度模拟研究——数值模拟及验证

利用美国Goddard中心的云分辨尺度模式,对2007年7月2—9日江淮流域的一次暴雨过程进行了高分辨率的模拟研究。首先利用NCAR/NCEP再分析资料、地面降水观测以及卫星云图等常规和非常规观测资料,对此次降水过程开展了天气尺度分析,对过程降水特点有了初步了解;进而利用NCAR/NCEP再分析资料形成云模式大尺度强迫场,对降水过程开展了长度约8天的高分辨率数值模拟。通过观测与模拟的地面雨强以及雷达反射率等的对比分析发现,模式很好地模拟出了此次强降水过程的时空分布和演变特征,以及主要的雷达回波结构特点,模拟结果可用于进一步针对江淮流域地面强降水过程细致的定量诊断分析研究。     

非绝热物理过程在模拟飑线系统中β尺度结构中的作用

利用经改进的中尺度模式，对一次飑线过程进行了多种对流参数化和显式水汽方案及地面加热过程的敏感性试验，结果表明中尺度对流性天气系统的成功预报，不仅取决于次网格尺度对流，而且取决于可分辨尺度相变过程及地面加热引起的边界层日变化。计入湿下沉的Ｆｒｉｔｓｃｈ－Ｃｈａｐｐｅｌｌ对流参数化方案和计入可分辨尺度凝结蒸发冻结融化等相变过程的预诊性显式方案的结合使用，对于真实模拟飑线等中尺度对流系统和减少或消除与中尺度涡旋及其降水过度加强相联系的类ＣＩＳＫ不稳定是十分必要和有效的。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响（I）：硫酸盐气溶胶的影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响。结果显示：中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 W/m²,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高。由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用。硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅰ):硫酸盐气溶胶的影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响.结果显示:中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 w/m2,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高.由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用.硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用.     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响（I）：硫酸盐气溶胶的影响

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响。结果显示：中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 W/m²,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高。由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用。硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用。     

中国地区极端事件预估研究

简要介绍了极端气候事件预估的基本方法,概述了东亚和中国地区关于气候和极端气候事件预估研究的进展。针对极端事件变化预估研究中的重要问题,如高分辨率、长时间尺度的区域气候变化模拟和预估,高时空分辨率的网格化观测资料,除温室效应外的土地利用和气溶胶的作用,使用合理方法进行多模式结果的集合,以及统计降尺度方法的应用等,进行了讨论。     

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究Ⅰ:方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟

文中在综合比较各类积云对流参数化方案优缺点的基础上 ,主要参考陈伯民等修正的ECMWF质量通量积云参数化方案 ,对其进行简化和修改 ,发展了一个质量通量积云对流参数化方案 ,文中表示为 MFS(Mass Flux Scheme)。MFS是一种综合型的方案 ,既考虑了大尺度水汽辐合的重要性 ,又考虑了积云中的上升运动、下沉运动、环境中的补偿下沉运动 ,以及卷入、卷出和蒸发等 ,用总体云模式来描述积云与环境的相互作用 ,同时考虑了深对流和浅对流。将 MFS植入 NCAR区域气候模式 Reg CM2中 ,对 1 991年 5～ 7月江淮地区特大降水过程的夏季风气候特征和变化进行了模拟 ,并与 NCAR Reg CM2选用 Kuo方案 ,在同样初、边值条件和其它物理过程选择下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明 ,植入 MFS后的模式能够模拟这次极端的降水气候事件。在某些方面 ,如地表气温 ,降水的模拟上 ,植入 MFS后的模式的模拟结果要比原模式的结果更合理     

RegCM4.4对中国夏季气候的回报和2014年预测

利用区域气候模式对全球气候模式季节预测产品进行动力降尺度,是获取未来高分辨率季节气候预测结果的重要途径。使用区域气候模式RegCM4.4单向嵌套国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m)输出结果,进行东亚19912013年逐年3月1日—9月1日的气候回报试验及2014年3月1日9月1日的气候预测试验。分析模式对中国地区夏季（6-8月）地面气温和降水的回报结果表明:RegCM4.4对夏季气候态的回报优于驱动场模式BCC_CSM1.1(m),并能提供更详细可靠的局地信息;RegCM4.4回报和观测的多年平均气温、降水的空间距平相关系数（ACCs）分别为-0.04和0.01,空间距平符号一致率（PCs）分别为51.1%和50.6%,趋势异常综合评分（PS）分别为64.2和70.3,均方差误差（MSE）分别为1.09 ℃和0.30 mm/d。RegCM4.4对中国地区2014年夏季气候预测结果表明,模式对夏季气温、降水距平整体分布的预测较好,但在次区域尺度上预测结果和观测存在差别。本研究只进行了一个区域气候模式RegCM4.4嵌套一个全球模式BCC_CSM1.1(m)单样本回报和预测试验的动力降尺度试验研究,未来在改进驱动场模式和区域气候模式模拟预测性能、订正驱动场模式输出系统误差及提高运算能力的基础上,进行多模式多样本的集合试验研究,有助于提高精细化短期气候预测产品的质量。     

T213L31全球模式云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨量级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析。发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多。可分辨尺度降水偏多的可能原因有：土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷。鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进。包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化方案的闭合由“动力型”改为对流有效位能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算。改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生。采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较。结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在。中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效上降水的TS评分增加,预报偏差降低。     

不同微物理方案对一次梅雨锋暴雨过程模拟的影响

中尺度模式中描述湿物理过程的方案主要有对流参数化方案和云微物理方案,当网格距达到可以分辨积云对流尺度时,云微物理方案对描述云和降水物理过程的作用将变得更为重要.利用GRAPES高分辨率中尺度数值模式对2007年7月7-9日中国梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,从降水量、雷达回波、水成物分布方面结合观测资料,分析了NCFP简...     

MM5模式对区域气候模拟的性能试验

利用1998年6月NCEP资料和6月2日00：00地表资料及美国NCAR／PENN州的MM5对1998年6月我国南方降雨过程进行了气候模拟的性能试验，模拟结果表明，MM5基本上可模拟出局地大气环流和区域尺度上的强对流过程造成的雨区，降雨强度和强降水中心位置，但模拟的雨量与实际值相差较大，模拟值再现了我国夏季降水异常的空间分布特点，模式可向区域气候模式发展，但该模式模拟的1998年6月副高强度比其实际值的强度更强，故导致更多的水汽进入降雨区，造成过多的降雨。     

T213L31全球模式的云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨最级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析.发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多.可分辨尺度降水偏多的可能原因有:土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷.鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进.包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化办案的闭合由"动力型"改为对流有效化能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算.改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生.采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较.结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在.中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效七降水的Ts评分增加,预报偏差降低.     

不同辐射传输方案对P-σ RCM9区域气候模式性能的影响

将NCAR CCM3辐射传输方案CRM(Column Radiation Model)引入到P-σRCM9区域气候模式中,并对两组辐射传输方案下P-σRCM9区域气候模式模拟的东亚冬、夏季气候特征差异进行对比分析,发现采用CRM辐射传输方案能够改善P-σRCM9区域气候模式对中国区域冬、夏季地面温度的模拟,且在夏季的改善比冬季更明显,还改善了P-σ RCM9区域气候模式对对流层高层(200～100 hPa)短波辐射加热率和长波辐射加热率的计算,然后改进了模式对200～300 hPa垂直平均经向温度梯度的模拟,进而使得模拟的冬、夏季东亚高空西风急流比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更加接近NCEP/NCAR再分析资料.同时还发现,采用CRM辐射传输方案后,P-σRCM9气候模式模拟的中国地区冬、夏季的降水率在强度和分布形势上均比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更接近观测,CRM辐射传输方案能够较明显地提高P-σRCM9气候模式对中国地区冬、夏季降水的模拟能力.     

气候模式过高估计南极变暖

NCAR的Andrew Monaghan等的研究认为,以前的全球气候模拟都过高估计了南极的变暖。该发现有助于改进气候模式,搞清楚南极大陆在本世纪是否会显著变暖这一有关全球海平面上升的热点问题。该文发表在2008年4月5日的Geophysical Research Letters杂志上。他们首次将过去50～100年的南极气候记录与模拟结果进行比较,发现在过去的100年中,南极大部分地区并未经历足以影响全球的变暖,并通过探测数据验证了气候模式对其他6个大陆气候的模拟。     

湖南资水流域切变线天气形势下中β尺度对流系统的数值模拟研究

本文对湖南资水流域700hPa层呈现相似切变线天气形势的两次天气过程进行了研究,其中一次是2001年6月19日08BST出现大暴雨,另一次是2001年8月13日08 BST至14日08 BST仅出现小雨,文中对这两个个例进行中尺度数值模拟,对比分析了这两个个例演变过程的差异,并对6月19日中β尺度对流系统在暴雨强盛期的动力结构特征和热力结构特征作了详细分析。研究结果表明6月19日在演变过程中生产的中β尺度对流系统引发了这次暴雨,而8月13日虽然有类似于6月19日的切变线,但是没有形成中β尺度对流系统,也就没有引发暴雨。由此表明,相似的700hPa形势可以有根本不一样的演变,而暴雨的发生与中β尺度对流系统的生产和发展有十分密切的关系。     

启动对流的初始扰动对热带飑线模拟的影响

在中尺度数值模拟及数值预报中,正确的对流启动是模拟或预报是否取得成功的关键。作者针对一次热带海洋飑线过程,利用一个风暴尺度云分辨数值模式进行数值模拟,采用不同的初始扰动触发与启动对流发展,重点讨论这些不同启动对流的初始扰动对飑线演变、生命史及其成熟结构等模拟的影响。结果表明,初始扰动的结构、形态分布及其与环境场的不同配置对具有深对流的飑线生命史存在重要影响,而对飑线的成熟结构影响较小。     

热岛与海风相互作用对珠三角午后强降水影响的观测和模拟研究

通过地面风场加密观测及雷达回波分析表明,2011年6月21日午后海风引发对流首先出现在珠江口,之后随着海风向内陆深入并与珠三角地区热岛环流相互作用,引起对流发展强度增强,为广州市带来了一次雨强达60 mm/h的强降水过程。在对观测资料进行分析的基础上,应用具有云分辨尺度的CR-WRF模式并耦合城市冠层模式,模拟研究了珠三角城市地表对海风发展及其与城市热岛相互作用对强降水过程的影响。与观测结果相对比,尽管模拟最大降水与观测比较仍有一定差距,但模拟结果反映出了海风发展与热岛相互作用对强降水的影响过程。对比模拟试验结果表明城市地表的影响可在城市区形成更高的温度,热岛与海风相互作用可导致广州城区南部降水增多15 mm以上,接近总降雨量的30%。无城市地表影响时,模拟的海风可更早影响到城市区并到达更北位置,造成降水落区偏北。对其影响物理机制的分析表明,受城市热岛影响,边界层中可形成干暖“盖”对流稳定层,抑制不稳定能量过早释放,使对流系统一旦发展起来后表现更激烈,并在边界层形成更强的外流。强降水对流系统在边界层形成的外流与热岛入流一起共同对海风形成阻挡作用,是导致广州城区南部降水增强的重要影响因子。      

全球模式NCAR CESM和CAS ESM对亚洲东部夏季气候的模拟性能评估:气候平均态和降水日变化分析

主要评估了美国国家大气研究中心的NCAR CESM（Community Earth System Model,NCAR）和中国科学院的CAS ESM（Earth System Model,Chinese Academy of Sciences）两个地球系统模式对亚洲东部夏季气候态的模拟性能。使用NCAR CESM和CAS ESM各两种不同的水平分辨率,一共进行了4组长达19年（1998~2016年）的数值积分试验,并通过对2 m气温、降水强度和降水日变化等的分析,比较了这两个模式在亚洲东部的模拟性能。结果表明,CAS ESM和NCAR CESM均能模拟出夏季2 m气温和降水强度的大尺度分布特征,但整体上模拟得到的地表面气温偏暖、降水强度偏弱。对于降水日变化而言,观测的日降水峰值在陆地上主要发生在下午到傍晚时段,在海洋上则出现在午夜到凌晨时段。两组低分辨率试验模拟的陆地降水峰值出现过早,且无法模拟出四川盆地的夜间降水峰值和部分海洋地区凌晨或上午的降水峰值。提高分辨率对模式的模拟性能有显著的提升作用。高分辨率下,NCAR CESM和CAS ESM对陆地和海洋的降水日变化模拟性能都明显提高。对降水日变化的定量化分析表明,高分辨率CAS ESM模式对整个亚洲东部降水日变化的模拟最优。目前模式对海陆风的模拟还不太理想,未来要进一步提高模式模拟性能,需要重点完善与气温、降水过程相关的物理参数化方案。     

梅雨锋上中尺度涡旋与高低层流型演变的关系

利用PSU/NCAR中尺度非静力数值预报模式MM5,对2002年7月22日08时到23日08时的一次强梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟研究,模拟结果很好地描述了暴雨的时空分布及相伴随的中-β尺度系统的发生发展过程.进一步分析得出中-β尺度系统的发生发展条件及各生命史阶段高低层流型特征及其配置情况.