海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSIM4), 形成新的耦合模式。在此基础上, 利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟, 来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用, 主要表现在:(1) 南北极海冰边缘碎冰区显著减少; (2) 南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善, 分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足: (1) 北大西洋海冰相对偏多, 北大西洋经圈翻转环流大大减弱, 这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的; (2) 南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外, 本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响, 结果表明, 相对于CCSM3短波辐射方案, Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷, 海冰厚度偏厚, 北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。     

气候模式中云的垂直重叠假定对模拟的地-气辐射的影响研究

本文将一种新的可以模拟云的多种垂直重叠假定的随机次网格云产生器 (SCG) 放入NCAR/CAM3气候模式中, 利用该产生器得到云的四种垂直重叠结构, 即最大重叠 (MO)、 随机重叠 (RO)、 最大-随机重叠 (MRO) 以及近年来发展的一般重叠 (GenO), 并以GenO为参照研究了这四种云的重叠结构对模拟的地-气辐射的影响, 为气候模式中云的次网格结构选择提供一定的依据。结果表明, MRO、 MO和RO总云量分别与GenO总云量 (全球平均0.64左右) 偏差约-0.012、 -0.034和0.026, 其中MRO最接近GenO。不同重叠假定对地面接收到的短波辐射通量 (DSR) 的改变显著, 在热带对流区达到16 W/m2以上, 相当于GenO下该地区相应量的8%～12%, 通过了95%信度检验; 在中高纬度低云量大的地区也达到4～8 W/m2。不同重叠假定对大气顶出射长波辐射 (OLR) 的改变比其对短波辐射通量的改变小得多, 在热带对流区有极大值3～4 W/m2。不同的云重叠结构的大气加热率垂直廓线不同, 从而影响大气热力结构, 其中长波加热率差值 (最大约0.1～0.26 K/d) 比短波加热率差值 (最大约0.01～0.025 K/d) 几乎大一个量级, 因此, 长波加热率的变化是影响大气热力层结的主要因素。云重叠假定影响地面和大气顶云辐射强迫, 并通过柱辐射强迫使得整层气柱的能量收支发生变化, 不同纬度变化趋势也不同, 从而系统性地改变地-气系统能量在各纬度地区的分配, 影响所模拟的气候系统的演变。     

Prediction of sea fog of Guangdong coastland using the variable factors output by GRAPES model

By analyzing the NCEP 1°×1° reanalysis (2004–2008), a number of predictors (factors of variables) are established with the output from the GRAPES model and with reference to the sea fog data from observational stations (2004–2008) and field observations (2006–2008). Based on the criteria and conditions for sea fog appearance at the stations of Zhanjiang, Zhuhai and Shantou, a Model Output Statistics (MOS) scheme for distinguishing and forecasting 24-h sea fog is established and put into use for three repres...     

IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟评估

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的模拟结果,评估了IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。分析结果表明IAP AGCM4.0模式可以在一定程度上模拟出热带大气季节内振荡的主要时空谱结构特征,在周期30~80天处存在明显的谱能量中心;模式模拟的季节内振荡东传的主要特征与观测基本一致,东移波的能量远大于西移波。基于RMM指数(All-season Real-time Multivariate MJO Index)的分析表明,模式模拟的850 h Pa和200 h Pa季节内尺度风场和对流活动在赤道地区的空间分布与观测基本一致。但与观测相比,模式模拟的热带大气季节内振荡的周期较短,东传速度快于观测,虚假的西传特征过强,对流活跃区域范围较小、强度较弱。就非绝热加热而言,模式模拟结果与再分析资料比较接近,但最大加热在印度洋和西太平洋地区出现的位相较晚。进一步分析表明,模式中影响对流触发的相对湿度阈值(RHc)的不同取值(RHc分别取为85%、90%、95%和100%),可以显著影响热带大气非绝热加热垂直廓线,从而影响模式对热带大气季节内振荡的模拟;当对流触发相对湿度阈值取为90%时,IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡模拟的能力相对最好,非绝热加热垂直廓线在不同位相的分布特征也与再分析资料最为接近。这说明模式对流参数化方案中不同参数的合适选取,可以改进模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。     

THE FORMULATION OF FIDELITY SCHEMES OF PHYSICAL CONSERVATION LAWS AND IMPROVEMENTS ON A TRADITIONAL SPECTRAL MODEL OF BAROCLINIC PRIMITIVE EQUATIONS FOR NUMERICAL PREDICTION

In this paper,two formulation theorems of time-difference fidelity schemes for generalquadratic and cubic physical conservation laws are respectively constructed and proved,with earliermajor conserving time-discretized schemes given as special cases.These two theorems can providenew mathematical basis for solving basic formulation problems of more types of conservative time-discrete fidelity schemes,and even for formulating conservative temporal-spatial discrete fidelityschemes by combining existing instantly conserving space-discretized schemes.Besides.the twotheorems can also solve two large categories of problems about linear and nonlinear computationalinstability.The traditional global spectral-vertical finite-difference semi-implicit model for baroclinicprimitive equations is currently used in many countries in the world for operational weatherforecast and numerical simulations of general circulation.The present work,however,based onTheorem 2 formulated in this paper,develops and realizes a high-order total energy conservingsemi-implicit time-difference fidelity scheme for global spectral-vertical finite-difference model ofbaroclinic primitive equations.Prior to this,such a basic formulation problem remains unsolved forlong,whether in terms of theory or practice.The total energy conserving semi-implicit schemeformulated here is applicable to real data long-term numerical integration.The experiment of thirteen FGGE data 30-day numerical integration indicates that the newtype of total energy conserving semi-implicit fidelity scheme can surely modify the systematicdeviation of energy and mass conserving of the traditional scheme.It should be particularly notedthat,under the experiment conditions of the present work,the systematic errors induced by theviolation of physical laws of conservation in the time-discretized process regarding the traditionalscheme designs(called type Z errors for short)can contribute up to one-third of the totalsystematic root-mean-square(RMS)error at the end of second week of the integration and exceedone half of the total amount four weeks afterwards.In contrast,by realizing a total energyconserving semi-implicit fidelity scheme and thereby eliminating corresponding type Z errors,roughly an average of one-fourth of the RMS errors in the traditional forecast cases can be reducedat the end of second week of the integration,and averagely more than one-third reduced at integraltime of four weeks afterwards.In addition,experiment results also reveal that,in a sense,theeffects of type Z errors are no less great than that of the real topographic forcing of the model.The prospects of the new type of total energy conserving fidelity schemes are very encouraging.     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅰ：MM4模式积云参数化方案的改进

将MM4模式应用于梅雨锋暴雨的中－β尺度系统模拟时，模式的水平分辨率必须提高，这使得模式中原有的Kuo-Anthes方案变得不适应。根据Fritsch-Chappell方案的基本原理和特点，它可以合理取代Kuo-Anthes方案来适应中－β尺度系统的模拟；同时，结合近年来人们对积云属性研究的新成果，对Fritsch-Chappell方案作了改进，最终得到一个适用于梅雨锋暴雨中－β尺度系统模拟的改进MM4模式。     

影响武汉市空气污染的地面环流形势及其与污染物浓度的关系

利用Lamb-Jenkinson客观环流分型法,分析2004—2013年影响武汉地区的主要地面环流型及其特点,并探讨环流型与污染物浓度之间的关系。结果表明,影响武汉地区的主要地面环流型有反气旋型(A)、气旋型(C)、偏东风型(E)、高压系统控制的偏东风型(AE)、偏东北风型(NE)及东南风型(SE)。秋、冬季以A、AE、E型为主,春季A、C、E型出现频率最高,夏季则C、E型出现次数最多。空气污染日出现的主要地面环流型有A、AE、E、SE、C及NE型,影响各季节出现污染的主要环流型不同,其中C型主要出现在春、夏季,表现为被弱低压控制;而中度及以上污染日的地面环流型主要为A、SE、E及AE型,受高压系统或偏东风影响时,高浓度污染较易出现。环流型对各种污染物浓度的影响程度存在差异。     

全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证

初步建立了以二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶等作为主要研究对象的全球环境大气输送模式(Global Environmental Atmospheric Transport Model,GEATM),其水平分辨率为1°×1°,垂直方向分为20层,采用地形追随坐标系,考虑了上述大气化学成分的地面源排放、平流与扩散、化学转化以及干沉降、湿清除等过程.利用NCEP/NCAR再分析资料作为驱动气象场,对2004年进行长期模拟,分析了二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶的浓度分布和输送态势.与观测的比较表明,模式对于大气化学成分分布状况具有较强的模拟能力,在欧洲的Jarczew和Leba观测站,二氧化硫日平均浓度的相关系数分别达到了0.69和0.66;在中国,有47个站点的二氧化硫日平均浓度相关系数高于0.50,其中北京、天津、上海等28个站点的浓度相关系数达到了0.60以上.同时,模拟的沙尘气溶胶总体柱浓度分布状况与卫星观测输出的气溶胶光学厚度具有很好的一致性,体现了气溶胶粒子的输送态势和分布特征.模拟结果显示二氧化硫、硫酸盐、黑碳的浓度高值区主要位于污染排放较大的欧洲、东亚和北美地区,二氧化硫地面最大年均浓度值为1500×10-12,硫酸盐为500×10-12,黑碳气溶胶为1000ng/m3.沙尘浓度与下垫面土壤类型以及地面气象条件关系密切,全球沙尘浓度主要分布在撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、中亚地区、澳大利亚西部以及拉丁美洲南部地区,并且呈现了较为显著的季节变化特征,撒哈拉沙漠输送最强时期是在6～8月,影响范围覆盖了整个赤道大西洋,最西端伸展到了北美的加勒比海地区;阿拉伯半岛沙尘输送最强时期是3～8月,影响范围包括阿拉伯海和孟加拉湾地区;亚洲在3～5月有非常强烈的沙尘东传过程,浓度输送带一直贯穿了整个北太平洋地区.     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

GRAPES新云量计算方案的引进和影响试验

在GRAPES模式中分别引进了 EC云量计算方案和WRF云量计算方案,并与GRAPES现用的云量计算方案和简单云方案进行了对比数值试验,结果表明:(1)这4种云量计算方案都能较准确地模拟云分布,相对而言,EC云方案和简单云方案模拟地更为准确.(2)简单云方案模拟的总云量较多,GRAPES云方案和WRF云方案模拟的总云量偏少,EC方案模拟的总云量较为接近观测值.(3)在中国东部地区模拟的地面温度与观测基本接近,但在中国西部地区则误差较大;采用EC云方案时模式模拟的地面温度更接近观测值.(4)综合分析模拟的效果,认为EC云量计算方案模拟的效果最佳,可以作为GRAPES新云量计算方案引进的参考.