变网格模式LMDZ对1998年夏季东亚季节内振荡的模拟

本文利用法国国家科研中心（CNRS）动力气象实验室（LMD）发展的变网格大气环流模式LMDZ4,对1998年夏季东亚季节内振荡（ISO）现象进行了模拟研究。分析表明,该模式能准确模拟出1998年夏季东亚地区ISO的准周期信号,并能较好地再现30~60天振荡经向上北传、纬向上西传的传播特征,对ISO动能强度的模拟在低纬地区稍强,中纬地区较弱。模式能再现降水季节内振荡的主周期,但仍存在一定的偏差。观测资料表明,东亚降水30~60天振荡在北传过程中,大约在15°N、27°N以及37°N附近会出现明显的高值中心,分别对应我国东部地区三条雨带。模式能再现其北传特征,但30°N以南地区模拟偏弱,30°N以北地区偏强,导致ISO高值中心分布在30°N以北。这可能是由于对降水强度和雨带位置的模拟偏北有关。

变网格模式LMDZ对东亚夏季气候平均态的模拟能力评估

将可变网格大气环流模式LMDZ的模拟中心移动至中国地理中心附近(37°N,112.5°E),在东亚地区进行加密,使用其对应全球模式同步输出资料进行环流强迫,以观测海表温度SST和海冰SIC资料对下边界强迫,对1979—2008年各年5—9月对500 hPa高度场,850 hPa温度场和地面要素等进行了模拟,并利用同期的NCEP/NCAR再分析资料和由中国气象台站资料生成的格点资料,评估该模式对东亚地区高空环流场、西太平洋副热带高压及地面温度、降水等的夏季气候平均态的模拟能力。结果表明:LMDZ可以较好的模拟平均环流场,其模拟结果能够反映实际的500 hPa高度场和850 hPa温度场的分布特征和趋势,但总体模拟值较观测值偏低;对副高强度的模拟能力偏弱、模拟的副高位置偏东,但准确的表现了副高随时间变化的移动特性;模式较好的再现了中国区域夏季地面气温和降水的空间分布特征;但从数值吻合度看,温度模拟主要呈区域性偏冷距平,在东南沿海地区偏低1～3℃,在西部青藏高原地区偏低3～4℃及以上,中部和东北大部基本无偏差;降水的模拟在中国西北地区与实际观测较为一致,其误差主要表现为在中国东南部沿海模拟的降水偏多;对7个子区域,模式对850 hPa温度场和地面日均气温的再现能力优于对500 hPa高度场的模拟,且子区域间模拟偏差结果相差大,其中华北区地面气温模拟偏差最小,西北区降水值模拟偏差最小。

基于LMDZ模型的西南地区水汽来源及水汽再循环率的分析

研究基于LMDZ模型对我国西南地区9个站点的同位素数据进行空间插值,利用同位素混合模型对不同来源水汽对降水的贡献率进行时空分析。结果表明,我国西南地区外来水汽对降水的贡献率除部分站点外,均在90%以上;其次为植物蒸腾水汽,占比为0.3%~21.3%,地表蒸发水汽对降水贡献率最小,介于0.1%~8.1%之间,同时外来水汽对降水贡献率夏季大于冬季,而地表蒸发水汽和植物蒸腾水汽对降水的贡献率冬季略大于夏季。水汽再循环率呈现空间差异,四川盆地及周围山地地表蒸发水汽与植物蒸腾水汽略高于青藏高原及云贵高原一带。结合美国国家大气研究中心所提供的气象资料,采用MeteoInfo软件对我国西南地区各站点进行近10年(1998~2007)的后向轨迹追踪,并对其进行聚类分析得出四川省两站点和重庆站点在夏季近源局地蒸发水汽占比高达50%,贵阳夏季有28.95%的水汽为近源局地蒸发形成,其余站点夏季水汽来源大部分来自于阿拉伯海、孟加拉湾和印度洋水汽,还有一部分来自于西风带的水汽和东南季风带来的西太平洋的水汽,然而冬季水汽均来自于西风带水汽。

基于LMDZ模型的蒙古高原降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源分析

基于LMDZ(Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom)模型的模拟数据、NCEP/NCAR格点气象数据和北极涛动指数(Arctic Oscillation Index,AOI),验证了LMDZ模型在蒙古高原的适用性,分析了局地大气水线(Local Meteoric Water Line,LMWL)、降水中δ^(18)O与环境因子的关系,探索了降水中δ^(18)O、氘盈余(d-excess)的时空变化,并结合HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型对蒙古高原气团运输轨迹进行了模拟。结果表明:在LMDZ模型的2种结果中,LMDZ-nudged模拟蒙古高原降水稳定同位素效果较好;计算得到的蒙古高原LMWL为δD=7.78δ^(18)O+3.31(R^(2)=0.995),其斜率和截距均小于全球大气水线(Global Meteoric Water Line,GMWL)斜率和截距,表明该区域雨滴下落中受云下二次蒸发影响较大;降水中δ^(18)O夏高冬低,与温度、北极涛动指数呈正相关,而与相对湿度呈负相关。降水中d-excess呈现夏低冬高的特点;对蒙古高原后向轨迹追踪并对其进行聚类分析发现,研究区主要有3条水汽路径:西风带水汽(约88.39%)、东亚季风水汽(约5.73%)与极地水汽(约5.88%),其中西风带水汽为主控水汽。

基于LMDZ模型的西北干旱区水汽再循环率分析

局地水汽再循环是陆地水循环过程的重要环节。在我国西北干旱区水汽再循环的绝对量虽然有限,但对区域降水的贡献(即水汽再循环率)却不容忽视。本文基于嵌套同位素模块的LMDZ模式模拟数据,运用同位素混合模型,对西北干旱区1979-2007年水汽再循环率的时空特征及其作用机制进行了分析。结果表明:研究时段内,外来水汽对降水的月尺度和年尺度贡献率都明显高于再循环水汽,季节上呈夏高冬低,年际上呈逐渐上升的态势;而再循环水汽的贡献率较低,呈夏季低冬季高且逐年下降(冬半年植物蒸腾水汽的贡献率在年际上呈上升趋势)的特点。外来水汽对降水的贡献率存在空间差异,山区附近的值往往较高,荒漠平原区的值则较低。就地表蒸发与植物蒸腾而言,地表蒸发对降水的贡献率整体低于植物蒸腾,但在小范围地区也有相反的规律。外来水汽和地表蒸发水汽的贡献量与其贡献率的空间分布特征基本一致,而植物蒸腾水汽在山区的贡献量高于荒漠平原区。

白令海和鄂霍次克海的海冰偶极子及其对大气环流的影响

基于海冰历史资料的分析表明,白令海和鄂霍次克海的海冰密集度分布在某些年份表现出反位相变化的特征,尤其以冬季最为明显。合成分析的结果表明这种偶极子型海冰异常可能对大气环流(气温和位势高度)产生一定的影响。利用大气环流模式,在给定理想化的白令海、鄂霍次克海偶极子型海冰异常的情况下,通过20个冬季(1-2月)大气环流模式的集合强迫试验,研究了大气环流对这种偶极子型海冰异常的响应特征,数值试验结果与基于观测资料的合成分析比较一致:低空气温对于偶极子型海冰强迫表现为比较明显的对称性响应,气温变化具有垂直斜压的结构,气温变化主要集中在低空;高空大气温度和各层的位势高度的变化均具有显著的非对称性特征,位势高度的变化具有垂直正压结构。参考已有的理论和模拟研究结果,指出高纬地区低空大气的温度变化受直接热力学调整过程的影响明显,对称性响应分量明显,而高层大气温度和各层的大气位势高度变化是由直接热力学调整和间接动力过程响应所共同控制,非对称分量占主导。

变网格大气模式对1998年东亚夏季风异常的模拟研究

本文利用法国国家科研中心(CNRS)动力气象实验室(LMD)发展的可变网格的格点大气环流模式LMDZ4,对1998年东亚夏季降水进行了模拟,考查了变网格模式对东亚夏季降水的模拟性能.结果表明,模式在一定程度上能模拟出东亚夏季降水的极大值中心、夏季风雨带以及降水由东南向西北递减的空间分布特征.模式基本再现了1998年夏季两次雨带的进退特征,包括降水强度、雨带范围等,从而合理再现了1998年夏季江淮地区的"二度梅"现象.与观测相比,模拟的不足在于:在陡峭地形区附近存在虚假降水;江淮和华北地区以及四川盆地存在水汽输送的气旋式辐合偏差,同时高层环流辐散偏强,使得下层暖湿空气辐合上升、降水偏多;在东南地区存在反气旋式的水汽输送偏差,30°N以南地区降水偏少.对于1998年的"二度梅"现象,模拟偏差主要表现为长江中下游地区两次(特别是第二次)较强降水持续时间偏短,强降水范围偏小,而黄淮和华南地区却降水偏多.分析表明,模式对两次梅雨期降水的模拟偏差直接受环流形势模拟偏差的影响.LMDZ4区域模式版本的特点一是区域加密,二是加密区内预报场每10天向再分析资料恢复一次.敏感试验结果表明,LMDZ4加密区向强迫场的10天尺度恢复总体上有利于提高模式对华北降水的模拟能力,而对长江流域和华南降水的模拟具有不利影响.较之均匀网格模拟试验,加密试验由于在东亚的分辨率大大提高,对东亚夏季降水模拟效果更好.

多模式动力降尺度对中国中东部地区极端气温指数的模拟评估

利用LMDZ4变网格大气环流模式分别嵌套于BCC-csm1.1-m、CNRM-CM5、FGOALS-g2、IPSL-CM5A-MR和MPIESM-MR等5个全球模式,进行中国中东部地区1961—2005年动力降尺度模拟试验,对比分析降尺度前后各模式对中国中东部极端气温指数的模拟能力。结果表明,相较全球模式,LMDZ4模式较好地刻画了青藏高原、四川盆地等复杂地形的变化,能更好地表现出中国中东部地区极端气温的空间分布。但降尺度改善效果具有明显的区域性差异,对于最高气温、最低气温和霜冻日数,降尺度之后主要在东北、西北、青藏高原以及西南地区改善明显,与观测场的空间相关系数提高至0.95以上,均方根误差低于0.5℃(0.5 d),且降尺度后模式对最低气温和最高气温空间相关系数的改善程度随地形升高而增大;对于热浪指数,降尺度后在东北、华南以及西南地区热浪分布大值区改善效果明显,但模式间的一致性不高。降尺度在一定程度上模拟出与观测一致的最高、最低气温的线性趋势空间分布,在东北、华北、青藏高原和西南地区最低气温和霜冻日数趋势误差较全球模式小。降尺度模式集合(RMME)对极端气温气候平均场和线性趋势均有较高的模拟能力。多模式动力降尺度能够提高全球模式对中国区域极端气温的模拟能力,为提高未来预估能力提供了基础。

中国内陆水体氮沉降数据集(1990s−2010s)

全球大气氮沉降急剧增加对内陆水生态系统产生不良影响。中国是全球三大氮沉降热点地区之一,为了充分了解氮沉降对中国内陆水体的影响,制定合理的水污染治理方案,需要清楚地量化内陆水体的氮沉降通量。为此,本文利用LMDZ-OR-INCA模型结合内陆水体面积数据,获得了近三十年中国内陆水体氮沉降数据集,为进一步了解中国内陆水体氮沉降的时空格局及其影响机制奠定了基础。同时,我们公开共享该数据集(https://ecodb.scidb.cn/detail?dataSetId=892431070195089408),并提供在线访问和下载服务。