分位数调整法在北京动力降尺度模拟订正中的适用性评估

基于分位数调整法对变网格模式LMDZ4在中国区域进行动力降尺度模拟的北京日平均气温和降水结果进行了统计误差订正。订正后的日平均气温在年循环、平均值和频率等方面均十分接近观测值,全年平均气温偏差由-1.2℃降至-0.4℃。降水的订正过程较气温更加复杂,首先对降水日数进行订正,以消除模式产生的虚假微量降水,订正后降水日数误差由61.5%降至3.7%。此外,分位数调整法可有效订正中小型与极端降水的频率和强度,订正后全年降水误差由0.28 mm/d降至0.07 mm/d。订正后最大降水月为7月,与观测一致,消除了冬季的虚假极端降水。分位数调整法无论是对气温还是降水,其订正效果都存在明显的季节性差异。日平均气温的订正在冬、夏季要优于春、秋季,对极端高、低气温的订正更加显著。该统计误差订正方法不仅有效消除了气候平均值的漂移,同时对极值也有一定改善,是一种相对完善的订正方案。分位数调整法也存在一定的不确定性,订正效果受观测资料和模式模拟能力影响较大。

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。

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示 ,在ElNi no期间 ,伴随着赤道中东太平洋表层海温 (SST)的升高 ,热带印度洋SST出现正距平。作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应 ,并进而讨论了其物理机制。所用模式为法国国家科研中心Pierre Simon Laplace全球环境科学联合实验室 (IPSL)发展的全球海气耦合模式。该模式成功地控制了气候漂移 ,能够合理再现印度洋的基本气候态。观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化 ,表现为全海盆一致的正距平 ,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度 ,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应 ,模式结果也支持这一机制 ,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了 ,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移 ,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平 (而不是正距平 )所控制。研究表明 ,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化。赤道东太平洋ElNi no事件的发展 ,导致印度洋上空风场异常自东而西传播 ;伴随着风场的变化 ,潜热发生相应变化 ,并最终导致SST异常的发生。非洲东海岸受索马里急流控制的海域 ,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释。证据显示 ,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号。

一个变网格大气环流模式对中国东部春季的区域气候模拟

将法国动力气象实验室发展的变网格全球大气环流模式LMDZ4在东亚地区进行加密,并使用ERA-40再分析资料进行环流强迫,对1958—2000年每年春季开展区域气候模拟,将模拟的4—5月气候平均态、年际和年代际变率与观测进行了对比。模式能够较为真实地模拟出4—5月东亚地区气候平均大气环流、降水和气温的空间分布,对对流层中、高层环流的模拟比对低层环流的模拟更接近于观测;模式对中国东部地区地面气候的模拟偏差主要表现为:中国中东部和华南地区偏暖偏湿,而华北则为偏冷偏湿。中东部地区的降水量比观测偏多约1.6mm/d;模拟的地表气温在华北偏低约1.4℃,在中东部和华南均偏高超过0.5℃。模式对降水的模拟偏差与其模拟的低层南支西南气流和北部西北气流均偏强有关。模式对中国东部对流层,尤其是对流层中上层大气环流的年际变化具有很好的再现能力,各物理量与观测值的相关系数都在0.6以上。模式也能很好地模拟出中国东部降水和气温的年际变率,在华北、中东部和华南,观测和模拟值在1958—2000年的相关系数均在0.7以上。模式还能够模拟出20世纪70年代末出现的中东部干旱和东北地区降水增多的年代际变化特征,也能够再现黄淮流域年代际增温的现象。因此,该模式对东亚区域气候的模拟不仅对东亚春季气候平均态具有较好的再现能力,而且对中国东部春季气候的年际变率和年代际变化也具有一定的模拟能力。

变网格模式LMDZ4对东亚夏季气候的模拟检验

对法国动力气象实验室发展的变网格全球大气环流模式LMDZ4在东亚地区的模拟性能进行评估。LMDZ4作为海气耦合模式IPSL-CM5A的大气模块,本文局地格点加密区域位于东亚上空,加密区外使用ERA-interim再分析资料进行驱动,积分时段为1979—2009年。通过对模式在东亚东部区域夏季气候的模拟能力评估,发现模式整体上能够真实地模拟出南亚高压、西风急流、西太副高、水汽输送以及夏季风等环流系统的气候平均态,地面雨带和气温的分布及极值中心都得到较好再现。同时模式仍显现一定的偏差,具体表现为,华南沿海的模拟偏冷偏湿,江淮流域偏暖偏干,而东北地区则偏暖偏湿,导致这种地面要素场偏差的原因来自于中上层环流场的系统性模拟偏差。例如,高层南亚高压、西风急流模拟偏弱,而印度季风和来自印度洋的水汽输送偏强,导致华南沿海降水偏多。西太平洋副高偏东偏弱,低纬东风带强度偏弱,西太平洋区域比湿偏小,使得东南风带来的水汽无法到达江淮流域。上述偏差的产生可能由于LMDZ4模式中的云参数化方案尚存在不足之处,使得云量的模拟偏少,并且该版本模式的垂直分辨率不足,限制了它对高层环流系统的模拟能力,增加了模式的系统误差。

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。