RegCM3模式对青藏高原温度和降水的模拟及检验

为了检验RegCM3区域气候模式对青藏高原地区的模拟能力，利用NCEP再分析资料和观测站点资料，采用三种不同的对流参数化方案，对青藏高原地区2006年夏季进行了模拟分析，并重点对温度和降水进行了细致的检验。结果表明：模式能较好地再现青藏高原地区大尺度的环流特征，具有对青藏高原地区的温度和降水分布特征的模拟能力；对于量值的模拟，三种对流参数化方案均模拟出了与实况温度一致的变化趋势，但均存在5～6℃的冷偏差；GreII方案模拟的降水量均大于实况，Kuo—Anthes方案对于高原地区的降水量的模拟较为接近于实况，但模式对降水量的模拟能力仍有待进一步提高。

RegCM3模式在西北地区的应用研究I:对极端干旱事件的模拟

为了检验区域气候模式RegCM3在西北地区的模拟能力，对2001年夏季西北地区极端干旱事件进行了模拟．结果表明：模式能很好地再现西北地区主要的环流特征和温度及降水的变化情况，主要的偏差在于高原上低压中心的模拟偏低，对西北东部对流层低层位势高度的模拟偏高．区域平均的温度模拟存在着1～3℃的冷偏差，偏差产生的原因与地表净辐射的负偏差有关．月降水量模拟远远偏大，最小的百分比偏差也达到了30％．模拟结果同时表明，由于受模式初始场的影响，6月降水和气温的模拟效果最差．RegCM3的模拟中还存在着许多问题，必须开展进一步的工作来提高模式的模拟效果，减少偏差．

区域气候模式RegCM3初始和侧边界条件的敏感性分析

不同初始和侧边界条件的选取对区域气候模式的模拟结果有着直接影响。本文分别采用NNRP1和ERA40两套应用广泛的全球再分析资料作为区域气候模式RegCM3的初始场和侧边值,采用20km水平分辨率和An thes-Kuo积云对流参数化方案对海河流域1998年夏季(6—8月)降雨和温度进行了模拟。结果表明:两套资料驱动下模式都能够模拟出海河流域降雨和温度的大尺度空间分布特征。从降雨中心、高(低)温中心位置和分布范围上,使用ERA40资料要好于NNRP1资料;从不同时间(日、月、季)尺度站点降雨和温度模拟与观测值上,ERA40资料也好于NNRP1资料,但两套资料驱动下对降水极值过程模拟效果均不理想。就本次模拟而言,ERA40再分析资料的可信度更高,更适合海河流域气候变化的数值模拟研究。

RegCM3在青藏高原地区的应用研究：积云参数化方案的敏感性

为检验区域气候模式RegCM3在青藏高原地区的模拟能力,选择青藏高原地区的两个气候异常年(1997年少雨年和1998年多雨年)进行模拟,选取夏季(6-8月)分析RegCM3对青藏高原地区气候异常的模拟能力;积云参数化方案敏感性研究分别对1997年和1998年夏季选取不同的积云参数化方案进行对比分析.结果显示:RegCM3能够模拟出青藏高原1997年少雨年和1998年的多雨年气温基本特征,但在地形起伏较大地区模拟的温度偏低,对降水基本特征的模拟欠佳;两种积云参数化方案中,与Grell方案对比,Anthes-Kuo方案中总降水量的数量模拟更接近观测,但就温度和降水模拟的相关性上,Grell方案优于Anthes-Kuo方案.将RegCM3应用于青藏高原地区进行气候模拟时,选择Grell积云参数化方案比Anthes-Kuo方案更为适宜.

谱逼近方法对区域气候模式性能的改进:不同权重函数的影响

为减小区域气候模式环流模拟偏差,对RegCM3中的风场采用谱逼近方法,并以2003年江淮梅雨过程为例,检验了谱逼近方法对模拟效果的改进能力。结果表明,采用谱逼近方法后,模拟技巧得到显著提高,能明显改进模式对梅雨过程的模拟能力,校正了模式模拟的梅雨期环流和梅雨锋偏北导致降水偏北的偏差。针对谱逼近方法中权重函数及其强度系数的敏感性数值试验表明,谱逼近方法的改进效果主要决定于强度系数的选择。采用von Storch等2000年提出的权重函数且强度系数取为0.05时改进效果最显著。但谱逼近方法并不能完全解决区域气候模拟面临的问题,该方法能够保证大气环流更接近强迫场,也能较大程度地改进模式对梅雨期降水位置和强度的模拟,但对于与模式物理过程联系更紧密的低层大气温度及高温高湿中心的南北位置等的模拟,则仍有赖于模式物理过程的进一步改进。

基于区域气候模式的流域农业干旱成因分析

以湄公河流域为研究区,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,以根系层土壤含水量为代表性指标,对A1B情景下未来研究区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡原理,系统分析了降水、蒸发、地表温度和根系层土壤含水量等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了识别。预估结果表明:从年内各月地表净通量和地表温度变化来看,未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加明显,且土壤含水量减少也较为明显;同时,这两个时段蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致流域局部地区(尤其是非灌溉农业区)农业干旱的发生。

区域气候模式(RegCM3)中积云对流参数化方案在纵向岭谷区的适用性研究

为了检验RegCM3中积云对流参数化方案在纵向岭谷地区5月和夏季降水模拟能力,选取不同积云对流参数化方案,运用区域气候模式模拟了纵向岭谷地区1982~2001年共20年5月份和夏季的降水,并对模拟降水场与实测降水场的关系进行了定量的对比分析.结果表明,从RegCM3对纵向岭谷区20年模拟的总降水量来看,Fritsch-Chappell对流参数化方案对纵向岭谷区5月降水的模拟能力最好,Anthes-Kuo积云对流参数化方案次之;Anthes-Kuo积云对流参数化方案对纵向岭谷夏季降水的模拟能力最好,Fritsch-Chappell积云对流参数化方案次之,但模拟获得的总降水量比实际值稍微偏小.对纵向岭谷地区5月和夏季降水年际变化的模拟结果与对纵向岭谷区20年总降水量的模拟结果相一致.Anthes-Kuo和Fritsch-Chappell积云对流参数化方案比较适合描写纵向岭谷区5月和夏季的模拟积云对流物理过程.

中国有机碳气溶胶时空分布与辐射强迫的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3模拟研究2000年我国有机碳气溶胶的时空分布特征和辐射效应,得出以下结论:有机碳气溶胶主要分布在我国黄河以南、青藏高原以东的广大区域,且柱含量由南向北递减;柱含量最大值可达3 mg/m2以上,出现在华南、中南、云贵、四川和西藏东南部。另外,柱含量分布有着明显的季节性,冬季最大,春季次之,夏季最小。在此基础上,本文还对有机碳气溶胶的柱含量时空分布变化的原因进行了分析。有机碳气溶胶在大气顶和地表均产生负的辐射强迫,其分布特征与柱含量分布特征基本一致,而且大气顶和地表的辐射强迫都具有明显的季节变化。模拟的大气顶辐射强迫在-0.1～-0.5 W/m2之间,与IPCC估计的有机碳气溶胶的辐射强迫数值-0.41 W/m2相当,说明区域气候模式RegCM3中有关有机碳气溶胶的参数化方案是比较合理的。

郑州市空气质量统计预报方法探讨

根据2005年、2006年采暖期RegCM 3模式输出产品和郑州市环境监测中心逐日监测资料,利用逐步回归方法建立了PM10、SO2、NO2等污染物质量浓度预报方程。该方法在2007年采暖期的试报中效果不理想,预报准确率明显低于历史拟合率。为了提高预报准确率,针对目前采用的统计方法中存在的不足,即在选择预报因子时没有考虑预报因子之间的相关性,挑选的预报因子由于非正交,使回归计算的结果不稳定。将自然正交分解和多元回归分析结合起来,以采暖期各污染物的日均质量浓度为预报对象,建立预报模型。结果表明,采用新方法制作的空气质量预报准确率有一定程度提高。

近10年东亚沙尘气溶胶时空分布与起尘通量的数值研究

利用一个耦合了沙尘模型的区域气候模式RegCM3和NCEP再分析资料,对近10年(2000-2009年)东亚地区沙尘气溶胶(直径≤20μm)时空分布特征和起尘通量进行了数值模拟。结果表明,(1)耦合模式能较好地模拟东亚地区沙尘气溶胶的时空分布特点。东亚地区沙尘气溶胶光学厚度、柱含量高值区主要位于塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠。沙尘气溶胶柱含量的季节变化特征明显,春季最大,冬季次之,秋季最小。东亚地区110°E以东,沙尘主要以700hPa高度为中心向东传输。(2)东亚地区起沙源区主要位于塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、藏北沙漠化地区及蒙古国西南部,起沙强度存在明显的季节变化。2000-2009年东亚地区年平均起沙通量为1015.34mg.m-2.d-1,其中62.4%和2.3%分别通过干、湿过程重新沉降在东亚地区,其余35.3%被净释放进入大气或进行远距离传输。

黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟

利用区域气候模式RegCM3模拟研究了黑碳气溶胶对我国区域气候的影响。以2000年1、4、7、10月为代表,计算分析了黑碳气溶胶的辐射强迫作用、对大气温度和降水的影响及其季节变化特征。模拟结果显示:黑碳气溶胶在大气层顶产生正的辐射强迫,在地表产生负的辐射强迫;黑碳气溶胶的加入使中国大陆地区地面温度发生明显变化,并呈现显著的季节特征,即1月大部分地区的地面温度均有升高;7月北方增温、南方降温;4月和10月地面温度的变化不明显。模拟结果也表明,黑碳气溶胶的排放使我国长江中下游等南方地区夏季降水增加,而北方部分地区降水减少。

未来黑碳气溶胶排放对区域气候变化的影响模拟

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组分,其对从可见光到红外波段范围内的太阳辐射都具有强烈的吸收作用,对区域气候有较大影响。利用区域气候模式Reg CM3,加入自主编制的黑碳排放清单,以2013年为基准年,模拟研究了2030年基准排放情景(BB)、政策排放情景(EE)、政策能源排放情景(EB)和政策控制排放情景(BE)下排放的黑碳气溶胶对大气层顶太阳辐射量的影响,分析不同情景下黑碳气溶胶排放引起的气候效应。结果表明:4种情景黑碳排放量排序为BB>EB>BE>EE;BB下2030年全国的气温及降水量分布与2013年基本一致,变化不明显;EB和BE二者排放量基本一致,但是减排侧重点不同,引起的气候效应稍有差异,但差别不大;而EE下减排力度达到最大,排放量减至98万t,其引起的气温和降水量的变化相比于其他3种情景较为明显,在黑碳减排的同时,升温效应减少,降温效应突出。对比BE和EB下的排放量发现,工业部门在BE下的减排量较大,民用部门在EB下的减排量较大,表明排放控制措施在工业部门可以发挥较大的作用,民用部门的减排中能源结构调整措施较为重要。

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响。计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响。模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区。气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势。

典型行业黑碳气溶胶排放对区域气候的影响模拟

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分,其对太阳短波辐射和红外辐射均有强烈的吸收作用,对区域气候有较大影响。利用区域气候模式RegCM3,加入自主编制的黑碳排放清单,模拟研究了2013年工业、交通、民用3个典型行业黑碳气溶胶地表吸收太阳辐射量的变化,分析不同行业黑碳气溶胶排放的气候效应。结果表明:黑碳气溶胶主要分布在华北、中原、长三角、珠三角和成渝地区,其中又以山东省和河北省的排放量最大,呈现明显的季节变化,即冬春季高于夏季;3个典型行业排放量排序表现为民用源>工业源>交通源;黑碳气溶胶使地表吸收太阳辐射量增大,引起的气候效应表现在使华北、中原、长三角等地区气温升高,川渝、珠三角地区气温降低;但引起的降水量变化不大,可能与该模式对降水量的模拟效果较差有关。

湄公河流域农业干旱主要影响因素分析和预估

以湄公河流域作为模拟试验区域,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,单向嵌套全球海气耦合模式ECHAM5/MPI-OM当代(1980-2009年)和SRES A1B情景下未来(2010-2039年)的输出结果,以根系层土壤含水量为代表性指标,对试验区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡,系统分析了降水、蒸发、地表温度等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了初步识别。预估结果表明:未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加、土壤含水量减少较为明显;同时,在这个时段试验区蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致湄公河流域局部地区农业干旱的发生。

我国近海大风分布特征及成因

采用高分辨率卫星资料研究了我国近海6级以上大风的分布特征,并对台湾岛地形对四季的大风的影响进行了数值模拟研究。资料分析表明,冬季大风分布与冬季平均风速分布相似,高频区出现在台湾海峡、巴士海峡和越南东南沿海,黑潮锋暖侧的风频明显大于其冷侧的风频。春季大风频率显著下降,最大值依然出现在台湾海峡,巴士海峡、台湾岛东南角和黑潮锋暖侧也是春季近海风频较大的区域。夏季是近海大风出现最少的季节,风频最大值在10°N附近的南海西部,由西南向东北减少,台湾岛周围的风频呈现东南、西北大,西南、东北小的近似轴对称分布,大风方向为绕岛逆时针环流。秋季大风风频迅速增大,基本呈现出冬季的形态。数值模拟表明,不同季节地形对大风的影响程度不同,冬季台湾岛地形对其周围海区大风的形成有重要贡献,去除地形后,台湾海峡和岛屿东南角的大风消失,风速变为由南向北递减。夏季去除地形后,岛屿周围的大风几乎没有改变,本文将从大风产生的原因对其进行解释。

大规模城镇化对黄淮海地区气候及水资源影响的数值试验

黄淮海地区是我国传统的农耕区,也是经济快速发展、城镇化进程快速推进的区域之一,使得该地区植被覆盖发生了明显变化。为研究城镇化对气候与水资源的影响,应用RegCM3区域气候模式,通过控制试验和敏感性试验,在保证积分时间(2001—2005年)的情况下,输出降水、蒸发、温度、湿度、土壤水分、径流、整层水汽含量等资料,利用敏感性试验和控制试验输出量的差值,来分析黄淮海地区城镇化对气候和水资源要素的影响情况。结果表明,城镇化对研究地区气候及水资源造成的影响主要表现在使局地风场减弱、降水减少、地面气温增加、空气湿度减小、水资源总量减少、土壤含水量减少和地表径流增加等方面,从而对气候和水资源造成影响。

中国北方一次强沙尘暴爆发的数值模拟研究

利用意大利国际理论物理研究中心发展的耦合了沙尘模块的区域气候模式(RegCM3)对发生在中国北方2006年4月9～11日期间的一次强沙尘暴的爆发进行了数值模拟研究。与实际观测相比,RegCM3成功地模拟出了本次沙尘暴爆发区域、天气形势及相应的沙尘气溶胶光学厚度(AOD)分布。4月9日6时,沙尘暴首先爆发于塔里木和吐鲁番盆地。受蒙古气旋的影响,24 h后甘肃中部及内蒙古西部地区也开始爆发沙尘暴。源区地面起沙率大于3 mg.m-2.s-1,单位面积上的沙尘载荷量高于3 000 mg/m2。对流层中低层沙尘主要向东输送,可影响我国华北绝大部分地区,本次沙尘暴过程造成中国北方主要城市空气质量的下降。模拟的AOD分布特征与地面起沙率和载荷量分布特征相对应,并与TOMS卫星观测的气溶胶指数(AI)的区域和中心值具有较好的一致性。AOD分布由西向东呈递减的趋势,且有两个大于2的高值中心,一个位于新疆塔里木、吐鲁番盆地和古尔班通古特沙漠地区;另一个位于河西走廊和内蒙古交界地区。对比他人研究结果,RegCM3对沙尘的起沙、传输等过程以及AOD的时空分布模拟合理。

月和季节尺度区域气候模拟的对比分析

利用区域气候模式RegCM3分别进行了东亚夏季月尺度和季节尺度区域气候模拟试验,并将两种时间尺度试验的逐月模拟结果进行了对比分析。结果表明,不同初始场和不同时间尺度模拟降水量存在一定的不确定性,但模拟的降水分布格局和模拟时间尺度关系不大,其模拟结果主要取决于模式对区域内大气降水过程的描述能力。两种时间尺度模拟的月平均环流形势几乎一致,随着模拟时间延长,两种时间尺度模拟的月平均环流、温度和湿度之间的差别在模式内部区域有所增加。但两者没有出现本质差别,且两者之间的偏差不会随模拟时间尺度的延长而无限制增长,只在一定范围内波动。两种时间尺度模拟对7月份淮河流域降水集中期暴雨和高低空急流刻画差别不大,但两者对8月份东北降水集中期模拟差别稍明显一些,其差别主要表现在对低空急流的模拟上。

2007年海气热通量影响南海夏季风爆发数值试验

本文利用RegCM3区域气候模式对2007年季风爆发前后南海海气热通量进行了数值模拟试验,探讨海气热通量对南海地区季风爆发以及相应变量场的影响得出以下结论:(1)RegCM3对南海降水、地面气温、500hPa位势高度场以及850hPa风场模拟整体偏弱,但是对各变量场的空间分布形势具有较好的模拟能力。(2)潜热、感热通量的变化对季风的爆发以及相应的变量场有重要影响,当去除潜热、感热通量后,南海低层基本受较强偏东风控制,500hPa位势高度有所偏高,副高偏西偏强,季风爆发严重偏晚,不利于南海地区水汽辐合抬升,使得降水大幅减少,大片海域甚至无降水出现;当潜热、感热加倍后,南海低层120°E以西基本受偏西风控制,风速明显加大,同时500hPa位势高度明显偏低,副高偏东偏弱,季风爆发偏早,有利于水汽在南海地区辐合,造成降水显著增多。