BCC_AVIM陆面模式不同土壤垂直离散化方案对土壤水热输送的数值模拟

陆面模式中的土壤如何分层至关重要,一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分,土壤越往深层,土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明:在不同天气和气候积分条件下,土壤厚度在根带以下,其对模拟结果有不同的影响。这表示根据不同的研究要求,应当改变土壤的分层方式。然而什么是陆面模式中的最优土壤分层方式仍不确定。因此本文主要利用BCC_AVIM陆面模式探究不同土壤垂直离散化方案对于土壤水热属性,表面辐射通量与感热、潜热通量模拟的敏感性,从而达到提升模式模拟效果的目的。BCC_AVIM陆面模式中原土壤分层方案为10层,将土壤各层的节点深度,土壤层厚度以及土壤各层的界面深度进行插值,由原来的10层土壤层插值到20层,在本文中称为方案一;参考模式CLM5.0中的土壤垂直离散化方案并改进到BCC_AVIM陆面模式中,原土壤层次也由10层增加到20层,为本文的方案二。将改进后的方案一和方案二与原方案结果对比分析发现:(1)方案一和方案二对土壤温度的模拟与实测数据更吻合,对于各层土壤温度的数值大小与变化趋势的模拟效果有所提升,其中方案一对浅层土壤温度的模拟效果更好。(2)在土壤湿度的模拟上,三种方案对浅层土壤湿度的模拟效果较好,对深层土壤湿度的模拟效果相对较差,其中方案一对土壤各层湿度曲线变化趋势与数值大小的模拟更加贴近实测数据。(3)方案一对土壤各层是否发生冻结或消融的时间判定更合理,更加接近实测数据。整体上,方案一的模拟效果最佳。由此,得出结论:方案一相较于原方案对土壤温、湿度的模拟效果有所改善,这表明在同样的土壤深度下,更密集更细致的土壤分层有利于提升模式对土壤水热输送的模拟能力。同时,方案一的模拟效果总体优于方案二,这也表明,在相同的土壤层次下,浅中层拥有更密集的土壤分层,对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一定的积极影响。

CLM5.0陆面模式不同土壤分层方案对黄河源区玛多站土壤温湿的数值模拟

选取2015年6月—2018年8月玛多站观测资料作为驱动CLM5.0(Community Land Model)模式的强迫场数据,应用CLM5.0模式中不同土壤分层方案,对这一时段玛多站土壤温湿变化特征进行模拟,并检验了模拟效果。结果表明:(1)对于土壤温度,CLM5.0模式的4种土壤分层方案均能很好地模拟出一年中玛多站不同深度土壤温度的季节变化趋势,浅层土壤温度模拟值与观测值相关性更高,深层土壤温度模拟值的变化幅度相对较小且曲线较光滑。4种分层方案中,20层方案对土壤温度的模拟效果最好,平均相关系数为0.942。(2)对于土壤湿度,4种土壤分层方案均能较好地模拟出各层土壤湿度的季节变化和日变化趋势,但较观测值都有不同程度的偏差。20层方案对土壤湿度的模拟效果更好,平均相关系数为0.730。

基于SHAW模型的祁连山高寒草甸土壤水分储量及通量的模拟研究

高寒草甸是祁连山国家公园青海片区的重要植被类型之一,量化该下垫面土壤水分储量及交换过程是评估区域水源涵养功能的关键科学基础。基于2017年8月1日至2018年7月31日的祁连山南麓高寒草甸生态系统水热特征的连续观测数据,对SHAW(simultaneous heat and water)模型进行了参数优化,分析了0~100 cm土壤水分储量及通量的变化特征及环境影响。结果表明:SHAW模型可以相对准确地模拟高寒草甸土壤温、湿的季节变化特征,土壤水分的模拟效果略好于土壤温度的模拟效果。日均0~100 cm土壤水分储量(SWS0-100)为(274.99±19.57,平均值±标准差)mm,5—10月植被生长季的平均SWS0-100较非生长季低21.92 mm。SWS0-100的季节变异主要受控于群落叶面积指数的正效应和蒸散发的负效应,二者通过调控浅层(0~20 cm)和中层(20~60 cm)土壤水分储量间接影响SWS0-100。日均0~100 cm土壤水分通量(SWF0-100)为(0.16±9.52)mm·d^(-1),表现为向下传输。生长季和非生长季的SWF0-100均值分别为3.27和−3.23 mm·d^(-1)。降水和土壤温度梯度通过驱动浅层、中层土壤水分通量和深层(60~100 cm)土壤水分通量间接影响SWF0-100。研究结果可为科学评估祁连山高寒草甸水源涵养功能提供数据支撑和理论依据。

WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式的误差传递特征——以漳河流域径流预报为例

在中小流域,有效的洪水预见期对调度决策、防洪减灾尤其重要。以漳河流域为研究区域,基于WRF模式和WRF-Hydro水文模型建立WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合模式,探讨不同预见期WRF模式预报降雨对径流预报效果的影响,以及气象-水文模型之间的误差传递特征。(1)不同预见期下WRF模式预报的降雨峰值随预见期增长偏差越大。预见期为06 h和12 h时较预见期较长时(24 h、48 h),降雨量和峰值出现时间预报误差较小,降雨落区预报明显较好。(2)基于WRF/WRF-Hydro气象-水文耦合的径流预报结果表明,预见期越长洪峰流量及径流总量偏差越大。06 h和12 h预见期下的径流预报结果都较好,平均相关系数、平均纳什系数分别提高0.15、0.69。(3)模式之间的误差传递会因预见期长短和降雨预报效果有一定的差异。预见期为06 h和12 h时,数值天气预报误差传递给水文模型后有放大、有缩小。预见期较长时(24 h、48 h)随预见期加长,水文模型放大数值天气预报误差的程度越大,但是通过定量分析发现降雨误差和径流误差之间没有明显的线性关系。

CMA-GFS模式对东北半球环流形势预报能力的检验评估

基于CMA全球模式(CMA-GFS)2019年10月至2020年12月逐日20:00(北京时)起报的数据,对东北半球高空气象要素预报进行检验评估,检验的要素包括500 hPa位势高度场和风场、850 hPa温度场和700 hPa相对湿度场。结果表明:(1)从模式预报效果的时间变化来看,预报效果有明显的季节变化,500 hPa位势高度和850 hPa温度的预报场和分析场的相似度在夏季最低,700 hPa相对湿度场的相似度在冬季最低;随着预报时效的增加,各要素的误差幅度在夏季最小。(2)从模式预报效果的空间变化来看,500 hPa位势高度场在东北半球大部分地区预报场与分析场具有较高相似度,且中高纬地区相对低纬地区更相似,预报误差的幅度则在低纬地区相对较小高纬地区相对较大,且预报偏差以大范围负偏差为主。相比而言,模式对东亚地区的位势高度及其梯度具有更高预报技巧。850 hPa温度场预报相似度和误差幅度与500 hPa位势高度场分布相似,预报偏差则主要表现为中高纬地区温度预报整体偏低,中低纬地区偏高。在预报前期(24~48 h),20°N以北的中高纬地区温度预报场与分析场相似度较高,均方根误差基本在2℃以内,预报效果较好。500 hPa纬向风场和经向风场预报相似度和误差幅度也具有随纬度增加而增大的特点,但对于纬向风场,模式在20°N-30°N存在一个明显的预报技巧高值带,对于经向风场,模式在20°N以南大部分地区预报效果较差。模式对700 hPa相对湿度场在24 h时效下具有一定预报效果,随着预报时效增加,对湿度场的预报只在北非至南亚一带存在一些参考价值。

土壤砾石参数化对高原涡形成发展作用的敏感性分析

采用耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4对一次高原涡进行了模拟分析,并做了3组敏感性试验,结合欧洲中心ERA5再分析资料进行验证分析,使用了高空、低空及土壤水热属性参数等资料,分析了砾石参数化对高原涡初生、发展、消亡等影响。结果表明:在500 hPa形势场中,特别是在高原涡发生和发展的阶段,砾石含量越接近实际,模拟效果越好,RegCM4对青藏高原降水量的模拟能力随砾石含量接近实际而提升;在高原涡区及其东北移动路径上,2 m温度的模拟结果随砾石含量的增加而升高,为高原涡的生成和发展提供条件;砾石参数化方案明显提升了土壤导热率和土壤导水率,在高原涡初生和发展过程中,砾石含量接近实际,模拟土壤温度和土壤体积含水量也接近实际,在高原涡消亡阶段,土壤含砾石较高使浅层温度明显降低,加速了高原涡的消亡,并且随着土壤深度的增加,砾石对土壤升温作用明显减弱,在高原涡生成和发展阶段,砾石对模式的提升作用明显,但在高原涡减弱和消亡阶段,砾石对模式的提升作用逐渐降低。

青藏高原土壤冻融参数化改进及其在BCC_CSM气候模式中的效果对比

考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、土壤温度、高原近地面风场和降水这几个气象要素。结果表明,对于浅层和深层的土壤温度,四个冻融阶段新方案的模拟都有良好的改进效果,尤其是在高原中部模拟更加准确。优化后的冻融参数化方案对土壤湿度的模拟效果改善是十分显著的,在这四个冻融时段,新方案的均方根误差和偏差在青藏高原全域都有明显的降低,主要表现在青藏高原中部地区。青藏高原上整体呈现为西风,冻结过程阶段新方案模拟结果在高原北部以及中部地区风速偏差有所减小,与对比资料更为接近;完全冻结阶段、消融过程阶段以及完全消融阶段新方案在高原北部的风速偏差减小较为明显;在冻融过程的四个阶段的降水模拟,新方案的均方根误差比原方案减小,相关系数都有提升。研究结果显示改进之后的土壤冻融参数化方案相比与原方案BCC_CSM中的模拟效果有提升,对于主要环流系统的模拟有改善。

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型,尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明,WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p>0.05),气压和比湿的R2在0.80以上(p>0.05),降雨和风速的模拟性能不稳定,但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据.CLM模拟的地表温度、感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明,虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内,但模拟与观测值还是有较大偏差,潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p>0.05),表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此,在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上，利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟，并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明，模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力，基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面，如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上，ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。

陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。

PRECIS模式对宁夏气候模拟能力的初步验证

本文获得了受权使用英国Hadley气候中心的区域气候模式系统PRECIS已模拟好的中国境内的数据,取其宁夏区域内的模拟值与同期实际观测资料进行对比,分析验证PRECIS模式对宁夏区域气候的模拟能力。结果表明:PRECIS能够模拟宁夏年平均和夏季平均气温的空间分布特征;与观测值相比,模拟的最高气温平均偏差仅为0.5℃;PRECIS能够模拟出15a月平均气温逐渐升高的趋势以及逐日平均、最高和最低气温发生频率的分布特征。PRECIS能够模拟出宁夏年平均和夏季降水基本的空间差异和季节分布特征,但对月平均降水的模拟值整体偏高。

ECMWF模式对东北半球气象要素场预报能力的检验

利用ECMWF模式逐日分析场(0场)序列和7d预报场序列,使用气候学方法客观检验ECMWF模式对东北半球的预报能力,主要结果如下:1)模式对不同要素场的预报能力呈现出明显的季节性差异,夏季特别是7月预报能力最弱。2)总体来说,850hPa温度场、500hPa高度场与0场相关最好,850hPa湿度场与0场相关最弱;随着预报时效的增加,预报能力总体减弱。3)大陆上温度场预报总体较0场偏高,而在赤道低纬地区偏低,模式对赤道附近温度场变率预报能力弱于中高纬地区,这一特征在其它要素预报中也有不同程度的体现。4)500hPa位势高度预报场与0场的差值表现出清楚的起源于里海并向东北传播经贝加尔湖、鄂霍次克海转向东南至日本东部海域的波列,这一现象在500hPa风场差值图中也有清楚的表现。5)纬向风预报能力强于经向风,30°N附近存在纬向风与0场相关系数高值带。6)总体来说,模式对高层的预报能力优于低层,但模式对700hPa风场的预报存在显著差异。

1998年“二度梅”期间武汉—黄石突发性暴雨的模拟研究

采用较高水平分辨率的非静力中尺度模式 ,利用收集到的较完全的资料作为初值 ,对 1 998年“二度梅”期间武汉—黄石突发性暴雨进行了模拟。模拟结果分别复制出在 7月 2 0日 1 8时至 2 1日 0 6时及 2 1日 1 8时至 2 2日 0 6时 (世界时 )期间 ,武汉和黄石附近中尺度系统发生、发展和消亡的过程。其生命史约为 1 2小时 ,水平尺度为 1 0 0～ 2 0 0km ,为典型的 β中尺度系统。对 β中尺度系统的流场和物理量的剖面分析表明 ,在武汉和黄石强降水期间 ,两地对流层中低层的水平辐合、上升运动、正涡度值均有明显的加强和减弱的过程 ,而经向方向的强度比纬向方向这些物理量要强 ,水平尺度比纬向方向小。分析还表明 ,对流层中低层的风场扰动对 β中尺度系统 (如武汉暴雨过程 )的发生可能有触发作用。这些中尺度系统的强度 ,尤其是垂直运动与已有的我国梅雨锋个例和日本梅雨锋个例中较大的中尺度系统相比较要强得多。通过收支分析 ,讨论了β中尺度天气系统在发生、发展和消亡各阶段的水汽和正涡度来源 ;通过物理过程试验 ,分析了潜热释放和行星边界层参数化过程在 β中尺度系统发生、发展中的作用。此外 ,在地形试验中 ,探讨了长江中游 ,尤其是湖北省局地中尺度地形对武汉和黄石突发性强降水过程的影响。最后给出?

NCAR RegCM2对东亚区域气候的模拟试验

利用垂直、水平高分辨率的区域气候模式ＮＣＡＲＲｅｇＣＭ２（１９９６年５月最新版本）进行了１９９１年夏季（５～８月）东亚洪涝个例的区域气候数值模拟．与观测事实的比较表明，该模式能够较好地再现出该个例我国江淮流域—日本季风降水的主要时空特征和环流形势异常等．

2002年7月沈阳一次降水过程的催化数值模拟研究

应用三维对流云模式和探空资料,对沈阳地区2002年7月12日发生的一次东北冷涡降水过程进行了数值模拟研究。结果表明,这次降水主要是由积层混合云引起的,其中冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。催化模拟试验表明,当云体处于成熟稳定的积层混合云阶段,在0℃层高度以上播撒AgI能起到显著的增雨效果。积层混合云具有巨大的人工增雨潜力。

热带气旋科学观测试验及研究进展概况

由于缺少针对热带气旋背景下的观测资料,使得目前对热带气旋发展演变机理的认识还很有限,这也是当前热带气旋机理研究及数值模式中物理过程参数化方案改进的主要瓶颈。在回顾国内外有关热带气旋的科学试验计划基础上,围绕以提升热带气旋路径和强度预报水平为主线,阐述了不断丰富和发展的热带气旋观测试验的科学目标。从大气观测和海洋观测两个方面,总结了包括飞机探测、下投式探空观测、海上观测平台、地面移动观测、浮标探测等针对热带气旋的观测技术发展概况。基于对热带气旋的观测资料分析,从热带气旋背景下海气相互作用及其对热带气旋的影响、热带气旋边界层结构特征、下投式探空资料在热带气旋研究中的应用等几个方面概述了当前最新的观测研究进展。最后,简要指出了热带气旋观测试验中存在的主要问题及未来发展方向。

基于全球模式对中国21世纪夏季高温的变化预估

根据12个全球气候系统模式(GCM)3种排放情景(A2,A1B和B1)下对中国地区21世纪近100 a的夏季平均气温的模拟值,以1971—2000年为基准,计算并分析了该区域未来夏季高温的变化趋势.不同排放情景下各模式的模拟结果不同,且各模式对夏季高温模拟的差异大于对异常高温的模拟.就模式平均而言,A2情景下高温日数最多,A1B次之,B1情景下最少.增长趋势也是A2情景下最快为6.0 d.(100 a)-1,A1B和B1情景分别为5.4和3.4 d.(100 a)-1.对异常高温频次的模拟,B1情景下异常高温频次最多,为8.8 d.a-1,A1B和A2情景下均为8.7 d.a-1,三者之间差距很小.A2情景下异常高温频次增长最快,增长趋势为2.6 d.(100 a)-1,A1B情景下增长略慢,为1.9 d.(100 a)-1,B1情景下增长最慢,仅为1.5 d.(100 a)-1.对3种情景下各模式对高温日数的模拟能力进行了分析,从多方面比较了各模式的模拟能力.

数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法

简要回顾了数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法,包括用于研究第一类可预报性问题的线性奇异向量(LSV)和条件非线性最优初始扰动(CNOP-I)方法,以及Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数方法。前两种方法用于研究预报或预测的预报误差问题,可以用于估计天气预报和气候预测的最大预报误差,而且根据导致最大预报误差的初始误差结构的信息,这两种方法可以用于确定预报或预测的初值敏感区。应该指出的是,LSV是基于线性化模式,对于描述非线性大气和海洋的运动具有局限性。因而,对于非线性模式,应该选择使用CNOP-I估计最大预报误差。Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数可以用于研究第一类可预报性问题中的预报时限问题,前者是基于线性模式,不能解释非线性对预报时限的影响,而非线性局部Lyapunov指数方法则考虑了非线性的影响,能够较好地估计实际天气和气候的预报时限。第二类可预报性问题的研究方法相对较少,本文仅介绍了由我国科学家提出的关于模式参数扰动的条件非线性最优参数扰动(CNOP-P)方法,该方法可以用于寻找到对预报有最大影响的参数扰动,并可以进一步确定哪些参数最应该利用观测资料进行校准。另一方面,通过对比CNOP-I和CNOP-P对预报误差的影响,可以判断导致预报不确定性的主要误差因子,进而指导人们着力改进模式或者初始场。

我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅰ)区域模式建立及模拟检验

用一个耦合了VXM水文模型的区域气候模式RegCM3，采用了较高的水平分辨率（40km），对我国华东地区进行月尺度短期气候模拟及评估。本文主要介绍系统建立和使用1981-2000年共20d的月尺度资料进行的气候模拟试验和检验研究，使用国家气候中心提出的计算评估方法，针对近地层温度和降水做了评估。结果表明，本系统在“消除”系统模拟偏差后，可以较稳定地对我国华东地区的温度和降水进行月尺度短期模拟，评分结果较高。总之，由对此区域气候模式的模拟能力的初步检验与评估看来，可进一步研究此模式，以作为业务预报模式投入实际应用。