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。

不同水平分辨率区域气候模式对青藏高原气候特征模拟

青藏高原地区气候特殊、地形复杂,气象观测站点稀少,对其区域气候和水循环过程的观测和模拟存在很大的困难。本文基于RegCM模式和WRF模式,探究不同水平分辨率10km、25km、50km下区域气候模式对该地区1989—2008年气候时空分布规律的模拟能力。研究结果表明:在10 km水平分辨率下,RegCM模式模拟多年平均气温绝对误差为0.33℃,WRF模式模拟绝对误差为1.77℃,比25 km和50 km水平分辨率下绝对误差减少1.60~2.12℃,且四季气温模拟值与实测值的相关性有所提高;随着水平分辨率的提高,WRF模式对青藏高原东南部和南部的降水量高估有所改善,RegCM模式模拟值逐渐接近实测值(模拟年降水量相对误差由169%降至75%)且对高原北部降水量的模拟有所改善,但整体上模式对降雨的高估依然存在;两个模式随水平分辨率的提高对地形起伏最大的雅鲁藏布江源区降水量的误差减少最为明显。本研究可为揭示气候变化下青藏高原水文响应机理奠定基础。

RegCM4.1对中国区域气候模拟能力评估

利用中国气象局提供的1985—2004年756个台站的逐日降水和气温观测数据评估了区域气候模式(Reg CM4.1)对中国地区不同季节的降水和气温的模拟性能,并结合中国的区域气候特征和气候带分布进行分区讨论。结果表明Reg CM4.1能够较好地再现中国地区四季降水占全年百分比、降水率的空间分布特点以及降水带南北摆动的季节变化特征。Reg CM4.1对平均气温分布模拟较好,强度和高低中心与观测事实接近,但对青藏高原地区的气温分布模拟值一致偏低。同时发现Reg CM4.1能够合理再现内陆地区气温日较差明显大于沿海地区的总体分布特征,不过模拟值在新疆和沿海地区比观测结果均偏低。

RegCM3模式对中国东部夏季降水的模拟试验

利用最新发布的区域气候模式RegCM3对1998年5—8月中国东部降水进行了模拟试验,考察了模式对降水和大尺度环流系统的模拟能力。结果表明:不同对流性降水方案对不同月份、不同区域的降水模拟效果差别较大,采用Kuo方案和Grell方案时模拟的降水效果要好于BM方案;RegCM3能较成功地再现异常降水的月际尺度变化和空间分布等基本特征;模式还较好地模拟了西太平洋副高脊线的演变过程和两次向北传播的季节内振荡。该模式可应用于中国东部夏季风降水的研究。

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．

RegCM4模式对雄安及周边区域气候变化的集合预估

基于CSIRO-Mk3-6-0、EC-EARTH、Had GEM2-ES和MPI-ESM-MR共4个全球气候模式,分别驱动区域气候模式Reg CM4,所进行的RCP4.5(典型浓度路径)中等排放情景下25 km较高水平分辨率东亚区域21世纪气候变化模拟结果,针对雄安新区及周边区域,在对当代(1986~2005)气候进行检验的基础上,进行了该区域未来气候变化的多模拟集合预估,并给出了模拟间的差别。结果表明:Reg CM4可以较好地模拟出分析区域当代平均气温和降水的分布及年内月循环变化特征;对与气温相关的极端气候事件指数,日最高气温最高值(TXx)和日最低气温最低值(TNn),以及和降水相关的指数日最大降水量(RX1day)也有较好的模拟能力。雄安及周边区域未来平均气温、TXx和TNn将不断上升,高温热浪事件在增加的同时,低温事件将减少。未来分析区域平均降水量有所增加;而RX1day的增加更明显,且模拟间的一致性较好,不确定性相对较低,暴雨和洪涝事件的频率和强度均将增大。同时由于气温升高导致的潜在蒸发量相对于降水更大的增加,将使得区域水资源相对不足的现象加重。

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。

水文模式DHSVM与区域气候模式RegCM2/China嵌套模拟试验

本研究在改进水文 -土壤 -植被模式DHSVM ,用气候观测资料驱动DHSVM进行模拟试验的基础上 ,建立了区域气候模式RegCM2 /China与水文模式DHSVM的嵌套系统 ,将区域气候模式对中国和东亚地区控制试验 (目前气候情景 )和敏感性试验 (未来 2×CO2 气候情景 )结果用双线性插值方法降尺度 (downscaling)到滦河、桑干河流域的 8个气象站点 ,然后再用数字高程模式DEM插值到DHSVM的细网格点 ,驱动水文模式进行嵌套模拟试验。试验结果表明 ,滦河、桑干河流域在未来大气中CO2 浓度加倍情况下 ,地面气温呈一致的增加趋势 ,年平均气温增加2 .8℃ ;两流域未来降水也呈增加趋势 ,滦河、桑干河流域年降水量分别增加 6mm和 4 6mm ;两流域未来蒸发量有所增加 ,年均蒸发量增加 2 9mm ;未来滦河流域年径流深减少 2 7mm ,流量减少 14 .72× 10 8m3 ,桑干河流域径流深增加 2 6mm ,流量增加 12 .2 2× 10 8m3 ,两流域合计 ,流量减少 2 .5× 10 8m3 ;未来滦河、桑干河流域径流深趋向一致 ,分别为 74和 71mm ,约为全国目前平均径流深 2 84mm的 1/ 4。可见 ,两流域未来总体上仍呈现暖干化趋势。本研究发展的嵌套模式系统具有一定的预测能力 ,而且通过参数移植 。

区域气候模式RegCM3在海河流域的初步应用

使用区域气候模式RegCM3,对海河流域1998年夏季（6-8月）的温度和降水场进行模拟,利用NCEP的温度、CMAP的降水再分析资料及国家气候中心发布的气象站实测数据进行验证分析,结果表明：RegCM3能够较好地再现海河流域温度和降水分布的主要特征,但在量值上还存在一定程度的偏差,对温度的模拟效果好于降水。温度场模拟结果能较好地反映研究区温度的空间分布和随时间的变化趋势,在数值上存在1-3℃的＂冷偏差＂;降水场模拟结果能较好地再现研究区的降水特征、主要降水中心的分布。总体上看,8月降水总量的模拟效果好于7月,但在山丘区等下垫面情况复杂地区模拟偏差较大。

区域气候模式RegCM2对标量粗糙度的敏感性试验

在地气通量的计算中 ,一般没有考虑温度、水汽、动量的相应粗糙度之间的不同 ,本文将标量粗糙度 Z0 T和 Z0 q引入区域气候模式 Reg CM2的陆面过程BATS中 ,用 1991年 6月与 7月的观测资料作了三组敏感性试验 ,并同实况进行了比较。结果表明 :在区域气候模式 Reg CM2中引入标量粗糙度后 ,提高了地气间感热通量与潜热通量的计算精度 ,改善了地表温度和地面比湿的模拟 ,进而改变了降水的模拟 ,表明区域气候模式对标量粗糙度是敏感的 ,并且在晴天状况下更为敏感。

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。

利用区域气候模式预估未来登陆中国热带气旋活动

鉴于热带气旋(TC)对我国沿海地区的影响,研究全球变暖背景下未来登陆我国TC活动的变化,对于我国沿海地区的防灾减灾具有重要意义。基于CMIP5中全球气候模式HadGEM2-ES数据,文中利用区域气候模式RegCM4开展了历史时期和3种情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下未来东亚区域气候的动力降尺度模拟,检验了模式对历史登陆我国TC活动及其相关大尺度环境场的模拟能力,并预估了3种情景下2030—2039年、2050—2059年和2089—2098年,登陆我国TC的路径、强度和频率的变化特征。结果表明:模式能合理地再现东亚区域历史时期(1986—2005年)大气环流场的空间结构以及登陆我国TC的特征;在3种情景下未来登陆我国TC的平均强度和数量均有不同程度的增加,尤其是台风及以上级别TC的总数明显增加,其中RCP8.5情景最突出,到21世纪末期(2089—2098年)登陆我国TC的平均强度、台风及以上级别TC总数的年平均值较历史时期将分别增加7.56%和1.05个;不同情景下未来登陆我国TC的路径均有不同程度的北移趋势,且全球升温的幅度越大,北移趋势越明显,这可能与未来中国近海显著变暖和垂直风切变减弱有关。未来我国沿海地区尤其是中高纬度很可能将面临日益严峻的TC灾害风险,亟需尽快开展防灾减灾及对策研究。

基于区域气候模式RegCM4的长江流域降水预报效果分析

为更好地开展长江流域气候预测业务工作,进一步提高气候模式预测水平,采用距平符号一致率、空间距平相关系数、均方根误差及趋势检验等评分方法对区域气候模式RegCM4在长江流域的预报效果进行检验。评估检验区域气候模式RegCM4对长江流域2016年主汛期6～8月、秋汛期9～10月及2017年主汛期6～8月的降水预报效果。结果表明:主汛期6～8月,clm 3. 5陆面方案的预报效果最好,clm 4. 5的陆面方案预报效果次之,但均明显优于bat陆面方案的预报效果。bat陆面方案对长江中游的预报效果较好。clm 3. 5及clm 4. 5陆面方案对长江上中游、汉江的预报效果较好。按预报起始时间来看,中、下旬的预报效果优于上旬的预报效果。秋汛期9～10月,对长江上游的预报,bat陆面方案的预报效果要优于clm 3. 5及clm 4. 5陆面方案;对汉江流域的预报,这3种陆面方案的效果均较差。

PRECIS和RegCM3对中国区域气候的长期模拟比较

以欧洲中期天气预报中心的再分析资料(ERA40)为侧边界及初始条件,在相同模拟区域和分辨率设置下,完成了PRECIS和RegCM3两个区域气候模式对中国区域近44a(1958年12月-2001年11月)的气候模拟,并分析比较两个模式对中国区域温度和降水的气候态和年际变率的模拟能力。结果表明,PRECIS和RegCM3均能较好地模拟出中国区域多年平均气温的空间分布特征,但PRECIS比观测气温平均偏暖1.5℃左右,而RegCM3则以冷偏差为主,平均偏低0.8℃左右,PRECIS整体上比RegCM3偏高2～3℃;两个模式均可基本再现气温年际变率的分布特征,但变率中心的位置和强度与观测值存在一定偏差;对于中国区域降水量的平均态及其年际变率而言,PRECIS和RegCM3均具有较好的模拟能力,但PRECIS模拟的降水高值中心、变率较大区域的位置和强度比RegCM3更接近实际。

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。

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.

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。

区域气候模式水平分辨率对黄淮海流域当代气候模拟的影响

区域气候模式是进行流域尺度气候变化研究的重要工具,其中水平分辨率对流域模拟结果的影响亟待评估。本文使用区域气候模式RegCM4,在ERA-Interim再分析资料驱动下,进行2种水平分辨率(50 km和25 km)1990—2010年东亚区域的长时间连续积分模拟。通过与观测资料的对比,评估RegCM4对黄淮海流域的模拟性能,同时分析水平分辨率对模拟结果的影响。结果表明:①2组模拟均可以较好地再现黄淮海流域冬季、夏季平均气温和降水的空间分布,以及气温和降水的年循环变化;对极端气候事件指数的分布模拟效果也较好,且对与气温有关的极端气候事件指数模拟效果优于与降水有关的极端气候事件指数。②与观测相比,也存在一定的偏差,如模拟的冬季气温存在冷偏差,夏季气温存在暖偏差,冬季、夏季降水在大部分地区偏多等。③2组模拟对比来看,对冬季、夏季平均气温的量级和空间分布,25 km模拟与观测更加接近;对冬季、夏季平均降水,50 km模拟与观测的空间相关系数分别为0.86和0.44,较25 km模拟有较大提高;对极端事件,2组模拟差别不大。模拟结果可为后续此版本模式在黄淮海流域气候变化研究中的应用提供参考。

RegCM3_IAP9L-AGCM对中国跨季度短期气候预测的回报试验研究

将区域气候模式RegCM3与中国科学院大气物理研究所全球大气环流模式IAP9L-AGCM进行单向嵌套,建立嵌套区域气候模式RegCM3_IAP9L-AGCM,并利用该嵌套模式对1982—2001年中国夏季短期气候进行了跨季度集合回报试验。结果表明,RegCM3_IAP9L-AGCM对高空气候变量(500hPa位势高度场、200和850hPa纬向风场)的回报结果与实况距平相关系数(ACC)基本为正,其回报效果好于单独使用IAP9L-AGCM的结果。除850hPa纬向风场外,其他两个变量场回报与实况正相关的区域基本呈纬向带状分布且通过90%信度检验。在中国大部分地区(除长江下游、东北北部和西北北部外),嵌套区域气候模式回报的降水距平百分率与实况基本为正相关。RegCM3_IAP9L-AGCM和IAP9L-AGCM对中国不同区域的夏季降水回报效果不同,前者对华南降水的回报效果明显好于后者。

中国干湿变化的高分辨率区域气候模式预估

本文使用三个全球气候模式驱动下的高分辨率区域气候模式RegCM4的试验数据,首先评估了RegCM4对参考时段(1986~2005年)中国干燥度指数(AI)的模拟能力,而后根据典型浓度路径中等排放(RCP4.5)情景下RegCM4试验对中国未来干湿变化进行了预估研究。结果表明,RegCM4能够合理模拟中国区域AI的空间分布。两种潜在蒸散发计算方法得到的参考时段AI在空间分布和数值上存在一定差异,尤其是在中国西部高海拔地区和北方地区。在三个全球气候模式驱动场作用下的RegCM4预估试验中,21世纪中期(2046~2065年)和末期(2081~2098年)中国区域平均AI较参考时段分别减小2%~4%和2%~5%,其中西北中部变湿,其他地区均变干。不同地区未来干湿变化的主要影响因素存在差异,西北中部降水变化为主导因素,其他地区主要受控于升温所引起的潜在蒸散发变化。