四维EOF分析检验数值模式模拟气候及其变化能力研究

文章提出了一个四维经验正交函数(4D-EOF)方法,原理是三维经验正交函数(3D-EOF)与扩展经验正交函数(EEOF)简单的组合,此方法不仅提供空间水平分布特征场及其对应的月际变化特征和年际变化特征,而且还提供空间垂直结构特征。利用这个新方法分析东亚季风国际区域模式比较计划(RMIP)MM5V3模拟的1989—1998年10a积分结果———包括中国大部分区域(4941个格点,格距60km)月平均100,500,700,1000hPa4个位势高度场(模拟场)及其距平场;同时分析对应的NCAR/NCEP再分析资料(观测场),进而对比两者检验模式模拟东亚季风气候及其变化能力。对比分析结果表明:对于月平均高度场的第一特征向量场,模式能比较准确地模拟出平均气候场的分布及其垂直相当正压性的结构特征;对于月平均高度距平场第一、二特征向量场,模式对于距平场的模拟也较成功,垂直方向有明显的相当正压性特征;月平均高度场及其距平场相应的月际变化和年际变化特征也在模拟中得到较好的反映。本研究表明:4D-EOF具有综合检验数值模式模拟气候及其变化的能力,而MM5V3模拟20世纪90年代东亚气候及其变化能力是令人满意的。     

Testing the Ability of Numerical Model to Simulate Climate and Its Change With 4D-EOF Analysis

The four-dimensional empirical orthogonal function (4D-EOF), which in reality is a simple combination of three-dimensional EOF (3D-EOF) and extended EOF (EEOF), is put forward in this paper to test the ability of numerical model to simulate climate and its change. The 4D-E0F analysis is able to reveal not only the horizontal characteristic pattern of analyzed variable, and its corresponding annual and inter-annual variations, but also the vertical structural characteristics. The method suggested is then used to analyze the monthly mean 100-, 500-, 70G-, and 1000-hPa geopotential height fields (4941 grids and grid spacing 60 km) and their anomaly fields in 1989-1998 simulated by the MM5V3 from the RMIP (Regional Climate Model Inter-comparison Project for East Asia)-II, as well as their counterparts (used as the observed fields) from the NCEP/NCAR re-analysis dataset in the same period. The ability of MM5V3 in simulating East Asian climate and its change is tested by comparing the 4D-EOF analysis results of the simulated and observed datasets. The comparative analyzed results show that the horizontal pattern of the first eigenvector of the observed monthly mean geopotential height fields and its vertical equivalent barotropic feature were well simulated; the simulations of the first two eigenvectors of the observed monthly mean geopotential height anomaly fields were also successful for their horizontal abnormal distributions and significant equivalent barotropic features in the vertical were well reproduced; and furthermore, the observed characteristics, such as the variation with height, the annual and inter-annual variations of the monthly mean geopotential height/anomaly fields were also well reflected in the simulation. Therefore, the 4D-EOF is able to comprehensively test numerical model's ability of simulating the climate and its change, and the simulation ability of MM5V3 for the climate and its change in East Asia in the 1990s was satisfactory.     

区域环境系统集成模式对1997/1998年夏季中国两个极端气候事件模拟能力分析

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力,利用降水和气温(2 m)观测资料检验RIESM2.0不同物理过程和初始条件集合模拟1997/1998年夏季中国华北地区高温干旱和长江流域洪涝两个连续极端气候事件的能力(连续积分时间(1997年3月1日—1998年8月31日)共18个月),比较模拟和观测的1997/1998年夏季降水和气温。集合模拟结果表明RIEMS2.0能很好模拟1997/1998年夏季降水和气温及其两年差值分布;模拟和观测的日降水和平均气温结果有很好的相关性,但是降水模拟总体高估,干旱和江淮及江南区气温模拟偏高而半干旱和湿润区气温模拟偏低。在不同物理过程集合模拟中,虽然集合平均距平相关系数(ACC)和均方根误差(RMSE)并不是优于所有集合成员值,但集合模拟能减小模式的不确定性,在一定程度上提高模拟精度。不同显式水汽方案和积云参数化方案对降水、气温模拟效果表现出很好的一致性,湿润区一致性最好。因此,RIEMS2.0模拟能揭示1997/1998年两个连续极端气候事件夏季降水和气温空间分布,反映不同子区域降水和气温分布特征,各集合成员的模拟结果存在差异的同时也保持了很好的稳定性,选择合适的物理过程可以提高模式对区域气候的模拟能力。     

CMIP5全球气候模式对中国上空空气静稳日数模拟能力评估

空气静稳日数变化与污染物浓度变化密切相关,评估气候模式对空气静稳日数的模拟能力是进行未来预估的基础.本文利用15个CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project phase 5)全球模式的模拟结果与观测数据,分别计算了1961-2005年逐年中国上空空气静稳日数,并利用统计方法分析了中国上空空气静稳日数的标准差、相对均方根误差、区域平均的时间序列、趋势分布和EOF(Empirical Orthogonal Function)主要模态变化特征,评估了CMIP5模式对中国上空空气静稳日数的模拟能力.结果表明:多模式集合平均结果可以模拟出空气静稳日数由沿海向内陆逐渐增加的分布特征,单个模式对空气静稳日数空间分布的模拟能力相差较大.多模式集合平均可以较好地再现夏、冬季的空气静稳日数.15个模式中,CanESM2和:IPSL-CM5B-LR对中国大部分区域的模拟效果较好,多模式集合平均的模拟能力优于单个模式.与观测相比,多模式集合平均的1961-2005年空气静稳日数年际变化波动较小,多数区域的多模式集合平均的空气静稳日数高于观测值.对于逐年的冬季空气静稳日数,大多数区域的多模式集合平均存在高估.在中国东部和新疆大部,多模式集合平均可以较好的模拟出空气静稳日数变化趋势的空间分布特征,但是数值偏小.多模式集合平均也能较好的模拟出空气静稳日数的EOF1和EOF2特征向量分布型,但对前三个EOF的时间系数序列模拟能力差.     

CMIP3与CMIP5模式对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较

通过对15组CMIP3和CMIP5两代模式集合平均对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较,发现CMIP5模式对气温和降水的模拟更接近观测值。CMIP5模式模拟年、春季、夏季、秋季平均气温的相关系数比CMIP3模式分别提升了0.15、0.13、0.24和0.02,冬季下降了0.07。CMIP5模式对西北干旱区的平均气温变化趋势的模拟效果比CMIP3有所提高,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3分别减少了0.03℃/10a、0.10℃/10a、0.01℃/10a、0.06℃/10a、0.14℃/10a。对西北干旱区平均气温年、季的模拟偏差分布上,CMIP5模式的偏差均比CMIP3低1~2℃。但是天山区年、季节平均气温的模拟与整体模拟偏低情况相反,CMIP3和CMIP5分别偏高3~6℃和1~4℃,对夏季的模拟偏高最严重,分别达到6℃和4℃。CMIP5模式整体对西北干旱区降水量的模拟结果与观测值的平均相关系数与CMIP3相差不大,均不超过0.1,而且偏差仍然较大。CMIP5模式对西北干旱区的降水量的变化趋势模拟效果比CMIP3有所降低,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3增加了0.67 mm/10a、0.23 mm/10a、0.51 mm/10a、0.11 mm/10a、0.14 mm/10a。CMIP5模式对年、春季、夏季、秋季和冬季的降水量模拟的均方根误差相比CMIP3分别减少77.6 mm、25.5 mm、25.0 mm、18.8 mm和13.9 mm。在空间上,CMIP5模式对年、季节降水模拟仍然偏高,但是比CMIP3有明显缓解;CMIP3和CMIP5模式对夏季天山区年降水量和夏季降水量的模拟也与大部分区域偏高的趋势明显相反,两代模式对夏季天山区的降水模拟均偏低50 mm左右。     

ACCMIP全球模式对中国地面PM2.5浓度模拟能力评估

本文利用MODIS和MISR卫星反演的地面PM2.5浓度和来自大气化学和气候模式比较计划（ACCMIP）的4个耦合了大气化学模块的气候模式（GFDL-AM3、NCAR-CAM3.5、GISS-E2-R和MIROC-CHEM）模拟的PM2.5浓度数据,评估分析了4个全球模式对中国地区地面PM2.5浓度时空变化特征的模拟能力。结果表明：4个模式集合模拟的PM2.5浓度在中国东部模拟效果较好。对比单个模式,GFDL-AM3模式对中国PM2.5浓度的空间分布型模拟效果最好。模式结果之间的一致性差异显著的地区主要出现在新疆中部和内蒙古西部地区。从整个中国地区的区域平均的时间序列来看,4个模式集合平均结果与观测结果相差不大,基本能够反映出东北、华中、华东沿海、新疆西部地区的PM2.5浓度的变化趋势。     

夏季风影响过渡区陆面蒸散发对夏季风活跃度的响应北大核心CSCD

在东亚夏季风影响过渡区,陆面蒸散发(Evapotranspiration,ET)时空变化对夏季风活动响应规律的研究对理解陆地水热循环过程至关重要。本研究利用夏季风过渡区及邻近区域14个陆面观测站点的蒸散发观测数据评估了6种常用蒸散发全球产品的适用性,并对它们在过渡区的年际变化进行了比较。评估表明,JRA-55(Japanese 55-Year Reanalysis)可以较好模拟站点尺度的蒸散发,而且能够合理刻画过渡区平均蒸散发的长期年际变化,因此将JRA-55作为蒸散发参考数据集。在理解过渡区蒸散发时空变化的基础上,考察了陆面蒸散发对夏季风活动的响应特征。为识别东亚夏季风在影响过渡区的活跃度和活动规律,引入夏季风持续时间,该指数较常用的夏季风强度指标能更合理地反映过渡区夏季降水和夏季风活动的年际变化特征。本研究发现陆面蒸散发在年际时间尺度上与夏季风持续时间的散点呈现近似对数/幂函数曲线。在弱夏季风年,蒸散发年际变化对夏季风持续时间更为敏感。对蒸散发和夏季风持续时间进行集合经验模态分解,结果显示出夏季风活动在3年、年代际和长期趋势上显著影响蒸散发。未来气候情景下,东亚夏季风系统的活跃度很可能将增强,这会加速陆面蒸散发等水循环过程,同时对流域水资源和生态系统的稳定性将会产生重大影响。     

Impacts of cumulus momentum transport on MJO simulation

Vertical cumulus momentum transport is an important physical process in the tropical atmosphere and plays a key role in the evolution of the tropical atmospheric system. This paper focuses on the impact of the vertical cumulus momentum transport on Madden-Julian Oscillation (MJO) simulation in two global climate models (GCMs). The Tiedtke cumulus parameterization scheme is applied to both GCMs [CAM2 and Spectral Atmospheric general circulation Model of LASG/IAP (SAMIL)]. It is found that the MJO simulation ability might be influenced by the vertical cumulus momentum transport through the cumulus parameterization scheme. However, the use of vertical momentum transport in different models provides different results. In order to improve model's MJO simulation ability, we must introduce vertical cumulus momentum transport in a more reasonable way into models. Furthermore, the coherence of the parameterization and the underlying model also need to be considered.     

区域气候模式REMO对中国气温和降水模拟能力的评估

采用泰勒图和偏差分析等统计方法,评估分析了德国区域气候模式（REMO）对中国1989-2008年气温和降水的模拟能力。结果表明：REMO气温模拟值与观测值空间相关系数为0.94,降水空间相关系数较低（0.42）,气温模拟结果明显优于降水;从空间偏差上看,在中国大部分地区,REMO模拟的气温高于观测值,偏差在±4℃以内,青藏高原整体有明显的-4～-2℃的冷偏差;模拟的降水值则高于观测值,空间偏差分布较均匀,中国大部分地区偏差在±300 mm之内;除青藏高原、华南和西南地区外,REMO能较准确地反映出中国气温和降水的空间分布特征,其中华北和东北地区模拟效果最好;REMO对夏季气温和冬季降水的模拟能力相对较好;REMO在地形起伏较大地区的模拟能力有待提高。     

MM5V3对东亚区域大气环流模拟能力的检测

为了检验参加亚洲区域气候模式国际比较计划(RMIP)的数值模式MM5V3模拟气候及其变化的能力,对利用该模式完成的东亚区域(包括大部分亚洲大陆、西太平洋、孟加拉湾和南海地区)1989～1998年10年模拟试验积分结果,用奇异值分解(SVD)分析了模式模拟和观测(NCEP/NCAR再分析资料)的500 hPa月平均高度场之间的关系,得到检验数值模式模拟气候及其变化能力的两种有效指标:模态相关系数和异性相关系数.对500 hPa月平均高度场及其距平场和冬、夏季的月平均高度距平场进行SVD分析,由North检验显著的前两对模态都有很高的模态相关系数和异性相关系数分布.结果表明: MM5V3对500 hPa月平均高度场气候态及其异常变化有一定的模拟能力,模拟的冬季比模拟的夏季情况要更好.