CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

CMIP6全球气候模式对中国冬季寒潮频次模拟能力的评估北大核心CSCD

基于1961~2013年观测资料和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中32个气候模式的最低气温数据,评估了各模式及多模式集合平均方法对中国冬季寒潮频次的模拟能力,并筛选了中国不同区域的最优模式,为中国未来寒潮频次预估和气候模式改进提供理论支撑。结果表明,CMIP6全球气候模式可以很好地再现出中国冬季寒潮频次由北向南逐级递减的空间特征,EC-Earth3-Veg对中国寒潮频次模拟能力最好;绝大多数模式可以模拟出中国冬季寒潮频次下降的趋势,但对趋势变化幅度的模拟能力则相对有限。多模式等权重集合平均和多模式中位数集合平均较单一模式分别对中国北方地区和南方地区冬季寒潮频次空间格局的模拟效果改进显著,但是对趋势值的模拟普遍偏低。     

多种空间检验方法在不同分辨率模式降水预报评估中的应用

利用单一的客观评估方法并不能有效揭示预报误差来源。利用逐小时5 km格点融合降水产品,本研究使用了多种客观评估方法综合评估了南京大学2016年夏季汛期试验4 km与12 km WRF模式。整体上,两种分辨率都能成功地预报主雨带,4 km WRF在午后对流及复杂地形预报上更优。比较了各类客观评估方法,邻域法显示4 km WRF预报准确性更高,但对于强降水(≥13 mm·(6 h)^-1),两种模式预报的空间误差都较大。尺度分离法显示,对于小尺度系统,4 km WRF能较好再现对流但存在较大位置误差,而12 km WRF则漏报。MODE法(Method for Object-based Diagnostic Evaluation)显示4 km WRF在对象强度预报上更接近观测,但强度和范围偏大,导致华南偏强,而范围偏小造成江淮偏弱,12 km WRF低估主要是漏报。不同评估方法能清晰展示4 km WRF和12 km WRF预报误差的差异,为后续模式改进提供了重要参考。     

琼州海峡两次高压后部型海雾的对比分析和数值模拟

利用中尺度数值模式WRF和NCEP分析资料,对2018年2月17-20日和2019年2月4-6日春节期间发生在琼州海峡的两次持续性海雾过程进行数值模拟,结合中国气象局陆面数据同化系统的能见度格点数据、卫星、自动站等观测资料,对两次海雾天气的天气背景、发展演变过程、水汽条件、动力条件和云—雾辐射作用进行比较研究。结果表明：两次海雾过程均发生在入海变性冷高压后部,2018年海雾过程为偏东方向的水汽输送,低层湿层深厚,不断增长的湿度和强烈的水汽辐合使得平流雾持续时间超过10 h,最低能见度达100 m。同时海雾发展期间伴随云雾共存现象,中层云区的存在白天可减小地面接收的短波辐射,减弱增温效应,夜间起到保温作用,近地面较低的温度和逆温层稳定维持,对海雾的长时间发展和维持起到促进作用;2019年海雾过程东南方向的水汽输送偏弱,湿层浅薄,海雾由陆地发展延伸而来,发展面积小,日出后很快消散。     

红外高光谱IASI卫星资料同化对一次大风过程的影响研究

以2019年4月24日发生在辽宁省的一次大风天气过程为例,选取GFS(全球预报系统) 0.25°×0.25°再分析资料,基于WRF模式三维变分同化技术,进行一组IASI资料同化试验,和未同化任何资料的控制试验(CTNL)。通过对比两组试验结果考察IASI资料同化改进数值模式初始场的分析及其后续预报的机制。研究结果表明：经过IASI资料同化的模拟结果质量有很大改善,分析场与背景场相比更靠近观测场;经过云检测之后不同通道使用的观测数目多少不一,资料同化对模拟的改善效果在通道0~800最佳;IASI资料同化对地表10 m风场的预报技巧有显著的提高作用,相比控制试验可以更精准地预报大风天气的区域和强度;IASI同化试验的预报质量高于控制试验且随时间比较稳定。     

大气红外窗区(10.5-11.5μm和11.5-12.5μm)辐射传输的敏感性试验

大气窗区卫星红外遥感的辐射资料可应用于地表温度的确定,但必须考虑大气影响。为此,本文利用辐射传输模式和中纬度及青藏高原模式大气,用数值模拟的方法研究了大气和地表状态(大气温、湿廓线、地表温度与高度)的改变对大气顶红外窗区射出辐射的影响以及射出辐射对发射方向(天顶角)依赖关系。主要结论见正文小结。     

物理过程和分辨率对西南涡演变的中尺度模拟影响

本文运用PSU/NCAR中尺度模式第四改进型(MM_4),对“81.7”四川暴雨期西南涡的演变进行了一系列96和72小时数值模拟;其目的在于研究模式物理过程和空间分辨率以及行星边界层(PBL)参数化对西南涡生成和发展模拟的影响。96小时的控制试验(方案Ⅰ)结果表明:水平分辨率160km和总体PBL的10层MM_4对西南涡发展模拟得较好,但对其生成只有初步模拟的能力;各种物理过程主要影响西南涡演变的强度,而对其位置影响较小;去掉潜热释放会显著影响西南涡在后期的发展;没有地面通量将使西南涡的生成和发展强度明显减弱;于试验不能模拟出西南涡在整个暴雨期的发展,且使其移速略快,无摩擦试验指出,地面摩擦对西南涡的生成是不重要的。提高模式空间分辨率和采用高分辨PBL模式,能使西南涡生成和发展位置的模拟有明显改进,但其强度一般偏强于实况。事实表明,进一步完善模式物理过程、改进PBL参数化和提高模式空间分辨率将是十分必要的。     

国外中期数值预报业务模式的性能及发展趋势

作者简单介绍了国内预报员较为熟悉的欧洲中期天气预报中心，美国国家气象中心和日本气象厅三个中期预报模式的性能及预报效果，包括近几年颇为流行的半拉格朗日时间积分方案，物理过程参数化方案的完善和改进，中期数值预报业务模式的发展趋势等。     

4DSVD分析误差与样本选取方法和样本容量的关系初探

分析误差与样本选取方法和样本容量的关系是4DSVD同化方法一个亟需研究的重要问题。获得支撑大气模式空间和观测空间吸引子的基向量是4DSVD研究的关键部分,样本的好坏和样本容量的范围是决定4DSVD基向量和分析结果质量的一个重要前提条件。首先利用Lorenz28变量模式,用4DSVD方法做了一些简单三维同化试验,探讨了Lorenz28变量模式的分析误差与样本容量和样本选取方法的关系。数值试验结果表明,对一个具体的模式,有限的样本容量就能够获得较高精度的分析结果;在模式系统和观测系统不变情况下,用一定样本容量得到的支撑模式空间和观测空间的基向量具有很好的稳定性,即一旦获得一组较好的基向量,在观测系统和模式系统不变的情况下,对同化任何时刻的观测适用;分析结果对选取方法没有太大的依赖性,但具体的样本容量要视不同模式和样本选取方法而定。用WRF模式做的4DSVD四维观测系统模拟试验结果表明,若样本选取方法得当,所需要的样本容量要远远小于模式自由度。4DSVD要真正获得较高精度的分析结果,需要的条件是尽可能的在吸引子上取样并选取充足的样本容量;间隔取样可以一定程度上减少计算量。根据数值试验结果提出了4DSVD在实际同化时样本选取的一些初步的方法。     

数值模式预报性能的地域性特点初步分析

根据地理地貌,将全国分成东北、西北、东南、西南四个区域,对T639、T213、ECMWF、日本和德国数值预报模式2008年5—9月的预报分区域进行了客观检验分析。结果表明:模式的降水预报能力与地理的关系似乎比与地形的关系更为紧密一些;2008年,各模式在西南地区的降水预报能力随着降水级别的增加而减弱,到暴雨级别,西南区已成为各模式Ts评分最低区域;降水级别预报正确率高值区域在北方两区,正确率最低值出现在四川盆地;模式降水量预报平均误差显示,大误差并不出现在高原主体,而基本都与大的山脉对应,且都为负误差,但四川盆地除外,仍然是大误差所在地;2 m温度预报平均误差的量级是随海拔高度的增加而增加,误差由正转为负;各模式高空要素预报最大误差大都出现在西南区,其次是西北区。