Evaluation of cloud vertical structure simulated by recent BCC_AGCM versions through comparison with CALIPSO-GOCCP data

ABSTRACT The abilities of BCC-AGCM2.1 and BCC_AGCM2.2 to simulate the annual-mean cloud vertical structure （CVS） were evaluated through comparison with GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product （CALIPSO-GOCCP） data. BCC-AGCM2.2 has a dynamical core and physical processes that are consistent with BCC-AGCM2.1, but has a higher horizontal resolution. Results showed that both BCC-AGCM versions underestimated the global-mean total cloud cover （TCC）, middle cloud cover （MCC） and low cloud cover （LCC）, and that BCC_AGCM2.2 underestimated the global-mean high cloud cover （HCC）. The global-mean cloud cover shows a systematic decrease from BCCA-GCM2.1 to BCC_AGCM2.2, especially for HCC. Geographically, HCC is significantly overestimated in the tropics, particularly by BCC_AGCM2,1, while LCC is generally overestimated over extra-tropical lands, but significantly underestimated over most of the oceans, especially for subtropical marine stratocumulus clouds. The leading EOF modes of CVS were extracted. The BCC_AGCMs perform well in reproducing EOF1, but with a larger variance explained. The two models also capture the basic features of EOF3, except an obvious deficiency in eigen- vector peaks. EOF2 has the largest simulation biases in both position and strength of eigenvector peaks. Furthermore, we investigated the effects of CVS on relative shortwave and longwave cloud radiative forcing （RSCRF and RLCRF）. Both BCC_AGCM versions successfully reproduce the sign of regression coefficients, except for RLCRF in PC1. However, the RSCRF relative contributions from PC1 and PC2 are overestimated, while the relative contribution from PC3 is underes timated in both BCC_AGCM versions. The RLCRF relative contribution is underestimated for PC2 and overestimated for PC3.     

南方涛动(SO)与北大西洋涛动(NAO)百年变化特征的正交小波分析

利用“南海季风科学试验”（SCSMEX）所获得的可靠资料，对1998年区域海陆热力状况进行了分析与对比，并着重讨论了西太平洋和青藏高原地区热力作用对1998年季风爆发及发展的可能影响。结果发现：大气热源分布与海陆分布有密切联系，由于地形的阻挡使得在包含有南北海陆分布差异的地区，热源主要大值带较全海洋区域明显偏南。表面加热存在明显的季节变化和海陆差异。西太平洋地区与夏季风爆发之间的联系主要表现在海温和潜热加热的变化上。高原在亚洲夏季风爆发过程中的作用机制不同：在南海季风爆发期间以感热加热为主，印度季风爆发期间以水汽凝结释放潜热为主。     

一次冰雹天气过程分析

对奎玛流域一次冰雹天气的分析表明，在巴尔喀什湖低槽加强东移的环流背景下，低层水汽辐合、抬升启动和层结不稳定有利于该地区强对流的发生、发展，中尺度强对流云团的形成、发展是产生这次冰雹天气的主要原因。     

外强迫对热带季节内振荡影响的模拟研究

应用经过修改的NCAR CCM3模式和CAM2模式进行的数值实验结果以及NCEP的GFS模式的输出结果讨论了海温等外强迫作用对热带季节内振荡的影响.结果表明,热带季节内振荡是热带大气固有的内部变率.它是由大气内部过程的相互作用决定的.但外强迫对热带季节内振荡的强度、传播方向等有明显的影响.当外强迫没有变化时,模式可以模拟出与观测近似的低频振荡.当作为外强迫的海温和太阳辐射有年内季节变化时,模式模拟的季节内振荡则明显减弱.当海温与辐射不仅有季节变化而且有年际变化时,模式模拟的季节内振荡会进一步减弱.具有长周期的外强迫还会削弱季节内振荡中东移波动的能量而增加静止波的强度.在与海洋模式耦合的状态下,模式不受来自海洋的外强迫影响,而是与海洋构成一个耦合系统,可以产生最强的季节内振荡.     

由非季风区向季风区过渡过程中大气边界层结构的变化分析

利用中国西北中部具有代表性的非季风区、夏季风影响过渡区和季风区的7个高空站的2013年夏季晴天07时、13时、19时（北京时）的大气边界层资料,通过分析大气边界层位温、比湿、风速的垂直结构,发现大气边界层结构及厚度在不同区域的分布特征:稳定边界层厚度、残余层顶高度和对流边界层厚度从非季风区、夏季风影响过渡区至季风区出现阶梯性大幅降低,从非季风区至夏季风影响过渡区,以及从夏季风影响过渡区至季风区,对流边界层厚度降幅依次为25.6%和81.8%,稳定边界层厚度降幅依次为58.3%和41.8%;在稳定边界层条件下,可观察到低空急流的存在,非季风区低空急流出现高度明显高于夏季风影响过渡区和季风区,且非季风区的低空急流风速也明显大于夏季风影响过渡区和季风区。通过分析与大气边界层发展最为密切的陆面热力因素在不同气候区的分布,净辐射值、日地-气温差最大值以及感热通量值在非季风区大于夏季风影响过渡区和季风区,从陆面热力过程为非季风区大气边界层厚度大于夏季风影响过渡区和季风区提供了理论依据。     

外源强迫和初始值在短期气候预测中的作用

利用Lorenz系统,初步研究了外源强迫和初始值在短期气候变化中的作用.结果表明,外源强迫的大小,对气候系统的长期行为有着重要的影响.在短期气候预测中,应该根据外源强迫的大小及其持续时间的长短,采取不同的短期气候预测方法即在大气外源强迫较弱、持续时间短时,可以只考虑初值的影响;在大气外源强迫强、持续时间长时,可不考虑初始条件的影响,而只考虑外源强迫的作用;在大气外源较强、持续时间较长时,必须同时考虑初值和外源的作用.     

1981年7月9-14日四川持续性暴雨分析

1981年7月9—14日岷江、沱江、涪江和嘉陵江流域出现持续性暴雨,并在四川省造成了历史上最严重的洪涝灾害。该文利用逐日降水资料、NCEP/NCAR 2.5°×2.5°逐日再分析资料和日本GMS卫星资料反演的TBB资料进行诊断分析以探讨此次暴雨持续的原因。结果表明:由于对流层低层的暖平流和其他大尺度强迫,高空槽长时间维持在长江上游地区,有利于槽后冷空气下沉南伸,与来自孟加拉湾的暖湿气流在盆地交汇,致使西南涡东移甚慢,于7月11—14日活跃在四川盆地上空。当西南涡沿梅雨锋缓慢东移时,长生命史的中尺度对流系统(MCS)在岷江、沱江、涪江和嘉陵江流域连续多次生消,导致暴雨系统持续维持在这些地区。大尺度的强迫在暴雨区上空产生了大范围持续性的上升运动,而暴雨所需的强上升运动主要由大量局地对流有效位能释放提供。对流层低层持续的水汽辐合和位势不稳定能量的输送则为暴雨的持续提供了充足的水汽和能量。与2004年9月发生在四川盆地东部的严重致洪持续性暴雨比较发现,虽然两次持续性暴雨发生的环流背景不同,但暴雨发生的物理机理一致,暴雨过程中持续性的上升运动均主要由大尺度强迫等引起,而且两次持续性暴雨的发生均与来自孟加拉湾的强水汽输送有关。     

使用ECMWF集合预报数据集估计全球季节平均气候异常的潜在可预报性

利用ECMWF PROVOST项目产生的在给定海表温度强迫下的150(1979～1993)季节集合预报数据集，分析揭示了季节平均气候异常潜在可预报性的全球分布。首先，利用可再现的强迫模态重建集合资料场，在Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验的基础上定义潜在可预报性指数PU^k，然后，将重建场的PU^k与重建场贡献于集合平均的方差比结合，提出了定量估计局地潜在可预报性的指数PI。以全球850hPa温度季节平均异常场为例，对PI进行定量计算表明：不仅大部分热带地区，而且热带外一些地区的季节平均气候异常具有潜在可预报性，主要分布在北美、南非和亚洲部分季风区；全球大部分潜在可预报地区主要受ENSO型强迫控制，而部分温带地区如中国华北、中亚、北美南部主要受非ENSO型强迫控制；局地潜在可预报性具有季节性，夏季可预报性较强，冬季较弱。通过与其他几种估计季节潜在可预报性的方法进行比较表明，本文提出的PI方法能更好地把热带外地区受外强迫控制的可预报信号提取出来。     

夏季亚洲高空急流纬向非对称变异与北大西洋海温和欧亚陆面热力异常的可能联系

基于1979~2015年ERA-Interim再分析资料,分析了夏季亚洲高空急流纬向非对称变异特征及其可能的外强迫因子。研究发现夏季亚洲200 hPa纬向风异常EOF第二模态（方差贡献为16.4%）主要表现出了急流纬向非对称的空间异常形态,反映了西亚和东亚区域急流南北偏移的反位相变化。通过进一步的诊断分析,我们发现急流纬向非对称变异与北大西洋海表温度（简称海温）和欧亚陆面热力异常可能存在一定的联系。北大西洋三极型海温异常会激发出向下游传播的异常波列,夏季该波列在欧亚大陆上空的异常环流中心与急流纬向非对称相关的异常环流中心对应一致,其中东欧平原的异常反气旋和巴尔喀什湖附近的异常气旋对西亚急流变化存在影响,东亚地区急流的变化与贝加尔湖北部异常气旋和贝加尔湖南部的异常反气旋有关。对比欧亚土壤湿度关键区内垂直环流,陆面热力异常可能会改变局地环流进而影响急流变异,且这种影响存在区域差异。     

一次强沙尘暴的近地层气象要素及内部热力、动力结构特征

针对2009年4月23-24日出现在我国内蒙古中西部的一次强沙尘暴天气过程,利用专门组织观测实验得到的加密探空资料、地面自动观测站资料和其他常规观测资料,深入分析研究了此次沙尘暴发生前后及发生期间,近地层气象要素变化及其内部热力、动力结构特征变化.结果表明,1）沙尘暴发生前,大气的温度垂直递减率大,湿度较大,近地层风速小,风向偏东;在沙尘暴发生期间,大气中出现逆温现象,大气湿度很小,各层风速明显增强,风向偏西且稳定;之后,低层温度显著下降,大气湿度迅速增大,各层风速减小,沙尘暴天气结束.2）沙尘暴发生前,大气层结是条件不稳定的,在沙尘暴过境时,低层大气层结是稳定的,在800600 hPa之间大气层结是中性的,此时低层大气干燥,而在沙尘暴移出测站后,湿度明显增大,因此,“3θ”曲线可以为沙尘暴的监测和预报提供一个有价值的参考数据.3）沙尘暴爆发时的螺旋度是所有观测时次中的最大值,螺旋度与沙尘暴的强度在时间上具有良好的对应关系,即螺旋度越大,对应沙尘暴越强.4）此次强沙尘暴的形成与发展不仅受到环境风速的影响,沙尘暴内部的切向旋转速度和垂直运动速度也对其起到重要的作用.