BCC二代气候系统模式的季节预测评估和可预报性分析

本文利用国家气候中心(BCC)第二代季节预测模式系统历史回报数据,从确定性预报和概率预报两个方面系统地评估了该模式对气温、降水和大气环流的季节预报性能,并与BCC一代气候预测模式的结果进行了对比,重点分析了二代模式的季节可预报性问题。结果显示,BCC二代模式对全球气温、降水和环流的预报性能整体上优于一代模式,特别在热带中东太平洋、印度洋和海洋大陆地区的温度和降水的预报效果改进尤为明显。这些热带地区降水预报的改进,可以通过激发太平洋—北美型(PNA)、东亚—太平洋型(EAP)等遥相关波列提升该模式在中高纬地区的季节预报技巧。分析表明,厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)信号在热带和热带外地区均是模式季节可预报性的重要来源,BCC二代模式能够较好把握全球大气环流对ENSO信号的响应特征,从而通过对ENSO预报技巧的改进有效地提升了模式整体的预报性能。从概率预报来看,BCC二代模式对我国冬季气温和夏季降水具备一定的预报能力,特别是对我国东部大部分地区冬季气温正异常和负异常事件预报的可靠性和辨析度相对较高。因此,进一步提高模式对热带大尺度异常信号和大气主要模态的预报能力、加强概率预报产品释用对提高季节气候预测水平具有重要意义。

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。

次网格坡地辐射参数化对RegCM4.1模式模拟东亚夏季气候的影响

本研究将次网格坡地辐射参数化方案引入到区域气候模式(RegCM4. 1)中,并研究次网格坡地辐射参数化对RegCM4. 1模拟东亚夏季气候性能的影响。结果表明:RegCM4. 1高估了夏季青藏高原的热源作用,模拟低层偏强的西南季风导致了模拟的中国夏季降水量总体偏大。引入次网格坡地辐射参数化方案后,模式模拟的青藏高原夏季地表太阳辐射通量和长波辐射通量减小分别可达5%和12%以上,夏季减弱的青藏高原热源作用使得低层西南季风减弱,从而改善了模式对中国夏季降水的模拟;而且改善程度自东南向西北递减,在东南地区模拟夏季降水的相对均方根误差减小9%,空间相关系数和Taylor评分分别提高0. 14和0. 08。

华北地区夏季降水日变化的时空分布特征

利用2008~2014年间全国自动站观测降水和CMORPH[CPC(Climate Prediction Center)morphing technique]卫星反演降水资料融合而成的0.1°×0.1°小时降水产品揭示了华北夏季降水的日变化特征,发现华北多数地区夏季降水量和降水频率日变化呈现出明显的双峰特征且存在明显的区域性差异。在太行山以西地区,降水量和降水频率的日峰值出现在傍晚18:00左右(北京时),规律性最强;而在太行山以东的平原和沿海地区,日峰值一般出现在上午。研究不同持续时间降水对总降水的贡献发现短时降水对傍晚的降水日峰值贡献较大,而长时降水则对凌晨的峰值影响更大。分析不同强度降水对总降水量的贡献结果表明,0.1~10 mm h^(-1)强度降水较其它强度降水对夏季华北地区总降水量贡献更大,随着降水强度的增加降水量日变化的峰值个数增加。

青藏高原夏季降水日变化特征分析

利用2008—2014年逐小时空间分辨率为0.1°的全国自动站观测降水资料和CMORPH卫星反演降水融合资料,研究了青藏高原(下称高原)夏季降水日变化特征,并探讨了不同持续时间和等级降水对降水量日变化的影响。结果表明,整个高原地区夏季降水量和降水频率的日变化表现出明显的凌晨和傍晚的双峰结构,而降水强度的双峰结构却不太明显。进一步对各分区降水日变化特征的分析发现,高原中西部降水日变化特征与整个高原地区的一致,而高原北部(东部)地区降水量和频率的日峰值出现在傍晚(午夜-凌晨)。降水持续时间对降水量日变化有显著的影响,高原夏季降水量日变化的双峰特征是由短时(1~3 h)和长持续性(6 h以上)降水共同作用造成的,午夜-凌晨(傍晚)的降水日峰值主要是由于长持续性(短时)降水所引起。分析不同等级降水量日变化特征发现,高原北部地区小-大雨(暴雨)的降水量日峰值基本出现在下午(午夜),而高原中西部不同等级降水量的日变化基本都呈现出傍晚和午夜-凌晨的双峰结构,高原东部地区不同等级降水量的日变化形式较一致,日峰值出现在午夜-凌晨。

南亚高压的多模态特征及其与新疆夏季降水的联系

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料(ERA-Interim)和新疆88个观测站点降水资料,分析了1979—2013年夏季(7月和8月)南亚高压多模态特征及其与新疆夏季降水的关系。结果表明,南亚高压除了青藏高压型和伊朗高压型外,还存在双体型。伊朗高压型和双体型分布产生的降水占新疆夏季总降水的70%~90%,青藏高压型分布产生的降水相对较少,占10%~30%。南亚高压的多模态分布对新疆降水有不同影响,伊朗高压型时,北疆部分地区和东疆降水偏多,塔里木盆地降水偏少;青藏高压型时,除塔里木盆地西南部降水偏多外,新疆其余地方降水均偏少。南亚高压双体型对塔里木盆地夏季降水影响最为突出,当夏季南亚高压呈双体型分布时,塔里木盆地降水偏多。合成分析发现,南亚高压双体型中心位置变化对环流和水汽输送产生不同影响,因而对应的塔里木盆地夏季降水也存在一定差异。当两个中心位置同时偏西时,塔里木盆地中西部地区降水偏多,水汽分两步进入塔里木盆地。当两个中心位置同时偏北时,整个塔里木盆地降水增加,水汽沿着青藏高原东侧绕流进入塔里木盆地。

2008~2016年重庆地区降水时空分布特征

利用2008~2016年国家气象信息中心提供的0.1°分辨率的中国地面与CMORPH融合逐小时降水产品,分析了重庆地区的降水时空分布特征,尤其是小时强降水的时空分布特征。结果表明:(1)年均降水量总体呈西低东高分布,大值中心位于重庆东北和东南部,且存在一定的季节性差异,特别是夏季,西部降水明显增强,总降水呈两高(西部、东部)一低(中部)的分布;降水频次、降水强度与地形的相关性较高,海拔高度较高的山区(海拔高度>1000 m)降水频次多大于盆地和丘陵区(海拔高度<1000 m),降水强度与之相反,且小时强降水多发生在迎风坡前侧的过渡区域,说明高海拔区域易出现降水,但降水强度不强,而地形抬升则是触发强降水的重要原因,导致山前降水明显大于山峰。(2)重庆地区降水主要集中在5~9月,降水量、降水强度和小时强降水频次均呈单峰型分布,峰值出现在6~7月,降水频次呈双峰型分布,一个峰值出现在5~6月,另一个峰值出现在10月,7~8月为低频期,与副高控制下的连晴高温天气有关。(3)重庆地区降水存在明显的日变化特征,降水以夜雨为主,且降水峰值出现时间表现为向东延迟的特征,重庆西部日峰值出现在凌晨02:00(北京时,下同),中部出现在清晨05:00,东北部出现在早上08:00。从不同季节来看,春季、秋季和冬季降水日变化呈单峰型分布,主要集中在清晨,而夏季受午后局地对流性天气的影响,在下午17:00左右存在一个次峰值。(4)强降水的主要集中在夏季,在空间上存在三个大值中心,受西南涡及地形的相互作用,夏季在缙云山以西的盆地区域,小时强降水频次明显较高。

青藏高原不同海拔地表感热的年际和年代际变化特征及其成因分析

利用1961-2014年中国气象观测站逐日常规资料,分析了在不同季节和不同海拔上,青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响,并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征;最后定量研究了表面风速与地气温差在年际和年代际时间尺度上对地表感热变化的相对贡献。结果表明,使用实际密度和常热量拖曳系数的总体动力学公式计算的地表感热最为合理;总体来说高原地表感热随着高度上升而增加,春季最大,秋季与冬季最小;空间分布上,春季高原东南部大北部小,夏季南部小北部大。春季年际、年代际地表感热经验正交函数分解第一模态空间型分别具有高原南北反向分布和高原主体与其东北反向分布的特征,夏季与之相似。高原整体而言,20世纪60-70年代末(春季)或70年代初(夏季),地表感热增加,其后至21世纪00年代初地表感热下降,之后又上升。在显著下降的1979-2003年间,春夏两季地表感热变化趋势分布均呈一致性的减弱,其中南部减弱最为显著。平均而言,在年际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献与地气温差对地表感热的贡献大小相当;而在年代际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献大于地气温差对地表感热的贡献。

次季节波动对青藏高原及其下游东亚季风区降水的影响

影响青藏高原及其下游季风区的次季节波动对我国乃至亚洲地区的洪涝灾害起着不容忽视的作用。本文回顾了近40年来在青藏高原及下游东亚季风区的次季节降水方面取得的进展,主要从影响降水的次季节尺度波动的特征、来源和传播机制对研究成果进行了归纳。回顾表明,青藏高原及下游东亚季风区的降水主要受到来自欧亚大陆及孟加拉湾-南海地区30~60天及准双周次季节波动的强烈影响,同时高原次季节波动能够直接与间接地影响下游季风区降水。本文有助于系统理解高原及下游东亚季风区次季节大气振荡及降水,并基于现有研究提出了该领域值得进一步研究的重点和方向,具有一定的科学意义和参考价值。

北半球冬季极端低温事件变化及其与秋季海冰的联系

利用欧洲中期天气预报中心逐日的地面气温数据以及美国国家冰雪数据中心逐月的海冰密集度数据,并通过气候百分位法统计了逐月的极端低温事件日数,分析了1979-2016年冬季(12月至次年2月)北半球的极端低温事件与秋季(9-11月)北极海冰变化之间的关系,并挑选了典型年份探讨了秋季北极海冰对极端低温事件可能存在的影响机理。结果表明,北半球冬季极端低温事件与秋季关键海区(波弗特海、楚科奇海、巴伦支海和喀拉海)的海冰面积变化密切相关,其中亚洲北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著负相关关系,而青藏高原区域、非洲北部区域和北美东北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著正相关关系。通过对典型年份冬季北半球极端低温事件极度异常时的大气环流进行分析后发现,当秋季关键海区海冰异常偏少时,冬季西伯利亚高压偏强,其东部偏北风加强,使得欧亚大陆北部的气温偏低,极端低温事件偏多;冬季冰岛低压偏强,其南部的西南风加强,将低纬度温暖的空气带到了非洲北部区域,使其冬季气温偏高,极端低温事件偏少;高层异常反气旋主要位于格陵兰岛附近,其下沉气流不利于形成极端低温天气而导致北美东北部区域极端低温事件偏少。