末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的模拟研究

利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果,分析了末次间冰期亚洲中部干旱区的干湿变化及机制。多模式集合平均结果表明,末次间冰期亚洲中部干旱区年降水减少0.7%,其中中亚地区的年降水减少2.8%,新疆地区年降水增加1.8%。水汽收支方程表明,末次间冰期中亚地区在雨季(冬春季)的降水变化主要与垂直动力项有关,新疆地区在雨季(夏季)的降水变化主要与垂直动力与热力项有关。此外,基于Penman-Montieth方法计算的亚洲中部干旱区的干旱指数在末次间冰期减小约10.2%,表明末次间冰期亚洲中部干旱区气候明显变干且存在旱区扩张的现象,这主要受到潜在蒸散变化的调控。潜在蒸散的增加进一步受到有效能量增加与地面风速增大的调控。本研究从模拟的角度揭示了末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的可能特征及机制,在一定程度上有助于理解旱区气候在增暖情景下对轨道参数的响应特征。     

BCC_CSM气候模式对中国区域气候变化模拟能力的检验

为了科学评价BCC_CSM气候模式的模拟效果,并为改进和完善此模式提供科学依据,以NCEP/NCAR 1948—2005年逐月再分析资料作为检验模式对应的实况场,利用距平标准化均方根误差、相关系数等方法对国家气候中心发展的BCC_CSM气候模式模拟中国气候变化的能力进行了检验,检验要素包括:对流层高、中、低层各季节的温度场、风场、相对湿度场和加热场等。结果表明,除春季外,其他3个季节实况场与模拟场的距平标准化均方根误差都较小;全年相关性都比较好,全国绝大部分地区均通过了α=0.05显著性水平检验;不同气象要素场的距平标准化均方根误差与相关系数呈现出季节性和区域性特征;模式模拟出了中国不同区域各个气象要素的年变化;与IPCC AR4中的13种模式相比较,BCC_CSM气候模式对中国区域地面温度场的模拟效果较好。     

亚洲中部干旱半干旱区近100年来的气温变化研究

利用亚洲中部干旱半干旱区1961—2003年共计69个站的气温实测资料,并通过EOF展开的延长插补方法,将研究区的气温序列延长到1901年,进而分析了这一区域近100年来的气温变化。研究表明,该区域气温的一致性变化占主导地位,同时存在东部季风区、中亚、蒙古高原和塔里木干旱区等4个主要温度变化分区,均表现出显著的增暖趋势,其代表站近100年来线性拟合的增温率分别为0.19,0.16,0.23和0.15℃/10a,研究区平均增温率为0.18℃/10a,冬季达0.21℃/10a,远高于北半球、全球和我国的增温率,但与青藏高原增温率相近。除20世纪10年代和50年代外,研究区气温变化主要取决于冬季温度的变化。研究区近100年来的气温变化经历了70年代以前的相对缓慢升温和以后的显著升温过程,且增温率越来越大。亚洲中部干旱半干旱区的气温变化过程与我国东部地区显著不同,没有出现明显的20~40年代暖期,整个升温过程由6次明显的锯齿状的升温-降温变化过程(即20,40,60,80,90年代和本世纪初气温变化过程)构成,升温阶段持续时间较长,幅度较大,而降温阶段时间短,幅度小,但不论升温还是降温过程,其变化幅度均大于我国东部和全球平均。     

CAM3模式模拟厄尔尼诺事件对大气环流异常的影响

采用CAM3（Community Atmosphere Model Version3）模式中海气湍流通量参数化原方案和改进方案,利用观测海温驱动CAM3模式进行气候模拟,以分析模式对厄尔尼诺事件影响气候变化的模拟能力。结果表明,采用CAM3模式海气湍流通量参数化改进方案,模式能够更好地模拟出由厄尔尼诺事件引起的北太平洋和北美地区大气环流的变化,尤其是对厄尔尼诺年冬季阿留申低压强度和与PNA遥相关型有关的500hPa位势高度异常的模拟。     

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...     

NCAR CAM3模式大气环流对日本东部附近海域海温异常的响应

使用NCAR CAM3.0大气环流模式,设计多组数值试验,研究了模式大气环流对初夏日本东部附近海域海温异常的响应。首先,在北太平洋中纬度选择异常海温区域,构造了假想的负海温异常,在5、6月份模式气候海温场上叠加该海温异常设计了敏感性试验。其次,在该试验的基础上,沿顺时针方向移动海温异常区域一个格点位置,其他条件不变,设计海温敏感区域变动后的系列试验;另外,通过改变加入模式中的海温异常强度,设计海温异常强度变化后的系列试验。最后,在把加入的海温异常变为正异常后,设计另一组试验。试验结果表明,模式能够较好地表现出初夏日本东部附近海域负海温异常引起的大气环流异常,欧亚中高纬纬向呈“＋、-”相间的波列结构。改变加入的负海温异常位置后,试验结果与对应的NCEP合成分析结果有较好的一致性,但是试验得到的大气环流异常分布并未随着加入的海温异常位置的有规律变化而发生同样的位置变动。模式中加入正的海温异常后,模式的试验结果不好。无论正负,模式中加入的海温异常增强后,试验得到的大气环流异常强度并未随着海温异常强度的增强而线性增强。     

全球模式NCAR CESM和CAS ESM对亚洲东部夏季气候的模拟性能评估:气候平均态和降水日变化分析

主要评估了美国国家大气研究中心的NCAR CESM（Community Earth System Model,NCAR）和中国科学院的CAS ESM（Earth System Model,Chinese Academy of Sciences）两个地球系统模式对亚洲东部夏季气候态的模拟性能。使用NCAR CESM和CAS ESM各两种不同的水平分辨率,一共进行了4组长达19年（1998~2016年）的数值积分试验,并通过对2 m气温、降水强度和降水日变化等的分析,比较了这两个模式在亚洲东部的模拟性能。结果表明,CAS ESM和NCAR CESM均能模拟出夏季2 m气温和降水强度的大尺度分布特征,但整体上模拟得到的地表面气温偏暖、降水强度偏弱。对于降水日变化而言,观测的日降水峰值在陆地上主要发生在下午到傍晚时段,在海洋上则出现在午夜到凌晨时段。两组低分辨率试验模拟的陆地降水峰值出现过早,且无法模拟出四川盆地的夜间降水峰值和部分海洋地区凌晨或上午的降水峰值。提高分辨率对模式的模拟性能有显著的提升作用。高分辨率下,NCAR CESM和CAS ESM对陆地和海洋的降水日变化模拟性能都明显提高。对降水日变化的定量化分析表明,高分辨率CAS ESM模式对整个亚洲东部降水日变化的模拟最优。目前模式对海陆风的模拟还不太理想,未来要进一步提高模式模拟性能,需要重点完善与气温、降水过程相关的物理参数化方案。     

CMIP5气候模式对亚洲升温幅度的模拟与预估

基于新的全球表面温度数据集CMST(China merged surface temperature),全面评估了参加国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)的27个全球气候模式1900—2017年的气候模拟结果(1900—2005年为模式历史模拟,2006—2017年为不同典型浓度路径下的预估)。泰勒图及各种统计参数的对比表明,一些模式无论在历史模拟时段,还是在历史模拟和近期预估拼接时段,都稳定、较好地模拟出了观测序列的变化特征。利用筛选出模拟效果相对较优的9个模式,系统比较了其集合平均MT9(mean model top 9)与所有模式的集合平均MAM(mean all models)。分析结果表明:无论在哪种排放路径下,不管是时间变化,还是从空间分布方面,多数模式可能高估了亚洲区域增暖趋势,导致MAM过高估计了亚洲区域温度变化幅度与长期趋势,而优选的模式集合MT9明显比MAM更接近于观测值。进一步,采用了MT9的预估结果分析了2018—2099年的亚洲区域预估的地表升温幅度:到2099年,在RCP2.6浓度路径下,MT9预估亚洲地区的升温幅度较小,约为0.08℃;在RCP4.5浓度路径下,升温约为1.20℃;在RCP8.5浓度路径下,升温将达3.54℃,这些结果均略小于所有模式集合MAM的升温幅度,因而更加合理;同时还基于MT9预估分析了2018—2099年的温度距平的空间变化。     

全球气候模式对宁夏区域未来气候变化的情景模拟分析

利用多个全球气候模式(GCM)的情景模拟结果分析只考虑温室气体效应的IS92a GG情景和同时考虑温室气体效应和硫化物气溶胶辐射效应的IS92aGS情景以及SRESA2、B2情景下宁夏区域21世纪地面气温和降水量的可能变化,并进行不确定性分析。气候基准时段(1961~1990年)模拟结果与观测资料的对比分析表明,GCM对宁夏气候具有一定的模拟能力;整体上讲,GCM对地面气温的模拟值偏低,对降水量的模拟值偏高,其中ECHAM4和HadCM3对宁夏基准时段地面气温和降水量的模拟结果与观测比较接近。各GCM模拟值的平均结果显示,4种温室气体排放情景下21世纪宁夏区域气温持续升高,至21世纪末宁夏升温幅度可达4~6℃,与全国平均的增温幅度大致相当;与升温趋势相应的是降水量的增加,但降水变化呈现出很大的波动性,至21世纪末宁夏的降水变化幅度可达10%~40%。各个GCM模拟的宁夏气候变化的总趋势是一致的,但各模式在不同情景下模拟结果的差异很大,存在较大的不确定性。     

全球气候模式对东亚地区地表短波辐射的模拟检验

利用WCRPCMIP3提供的18个全球气候模式输出结果, 检验了其对东亚地区地表短波辐射的模拟能力, 结果表明:多模式集合的多年平均地表短波辐射模拟偏高约8.7 W/m 2, 晴空地表短波辐射模拟偏高约3.4 W/m 2, 地表短波云辐射强迫模拟偏低约5.3 W/m2, 模式间的标准差分别达到9.6, 7.8 W/m2和8 W/ m2; 多模式集合能够很好地模拟出地表短波辐射的纬向平均季节变化的位相特征, 但在量值上还有较大的差距; 模拟偏差分析表明, 多模式集合的区域年平均地表短波辐射、晴空地表短波辐射、地表短波云辐射强迫的均方根偏差分别为34.7, 17.1 W/m 2和29.1 W/ m2, 表明云在地表短波辐射的模拟偏差中起着重要作用; 多模式集合能够很好地模拟出地表入射短波辐射年变化的线性减小趋势, 但模式高估了晴空入射辐射的减小趋势, 而模拟的云辐射强迫变化趋势与ERA 40完全相反。     

SWCWARMS模式对西南区域预报能力的检验

应用国家基本观测站资料,基于MET系统的客观统计检验方法,针对24h降水、近地面要素(2m温度、10m风)和高空要素(风场、温度场、高度场),分别评估SWCWARMS模式和GRAPES模式对2016年西南地区预报能力,得到如下几点结论:(1)SWCWARMS模式在中雨至暴雨预报上优于GRAPES模式,24h小雨和大暴雨、48h大暴雨预报较GRAPES模式偏差,同时SWCWARMS模式存在空报较多的问题;(2)SWCWARMS模式预报2米温度以低于实况为主,10m风速在秋冬季节以大于实况为主,SWCWARMS模式2m温度、10m纬向风和10m经向风4个季度平均RMSE均小于GRAPES模式,但8月月平均(72h)2m温度RMSE大于GRAPES模式,模式对近地面温度场预报优于10m风场;(3)两模式对高空温度场预报优于高度场和风场,SWCWARMS模式预报对流层中层高度场和温度场都偏低,在500h Pa上,除2月、11~12月(24h)外,其它月份和其它预报时效温度场RMSE均小于GRAPRS模式,春夏季高度场的预报优于GRAPRS模式,秋冬季RMSE大于GRAPRS模式;在850h Pa上,SWCWARMS模式预报风场春夏季误差小于GRAPES模式多于秋冬季,冬半年风场误差大于夏半年,RMSE大于GRAPES模式频次增加。     

CAM3模式海气湍流通量参数化的改进及其应用

通过对流性阵风参数化方法,在CAM3原有海气湍流通量参数化方案(CAM3方案)中引入边界层自由对流和降水深对流对海表湍流通量的贡献,改进了CAM3模式的海气湍流通量参数化方案(CAM3 ME方案).在此基础上,利用观测海温积分改进的CAM3模式,分析改进模式对冬(DJF)、夏季(JJA)大气环流异常的模拟性能.结果表明,采用改进的海气湍流通量参数化方案,模式对冬(DJF)、夏季(JJA)大气环流异常年际变化的模拟能力有了很大提高,尤其是冬季(DJF)北太平洋和北美大陆地区以及夏季(JJA)南半球海洋上空.     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

CMIP3与CMIP5模式对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较

通过对15组CMIP3和CMIP5两代模式集合平均对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较,发现CMIP5模式对气温和降水的模拟更接近观测值。CMIP5模式模拟年、春季、夏季、秋季平均气温的相关系数比CMIP3模式分别提升了0.15、0.13、0.24和0.02,冬季下降了0.07。CMIP5模式对西北干旱区的平均气温变化趋势的模拟效果比CMIP3有所提高,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3分别减少了0.03℃/10a、0.10℃/10a、0.01℃/10a、0.06℃/10a、0.14℃/10a。对西北干旱区平均气温年、季的模拟偏差分布上,CMIP5模式的偏差均比CMIP3低1~2℃。但是天山区年、季节平均气温的模拟与整体模拟偏低情况相反,CMIP3和CMIP5分别偏高3~6℃和1~4℃,对夏季的模拟偏高最严重,分别达到6℃和4℃。CMIP5模式整体对西北干旱区降水量的模拟结果与观测值的平均相关系数与CMIP3相差不大,均不超过0.1,而且偏差仍然较大。CMIP5模式对西北干旱区的降水量的变化趋势模拟效果比CMIP3有所降低,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3增加了0.67 mm/10a、0.23 mm/10a、0.51 mm/10a、0.11 mm/10a、0.14 mm/10a。CMIP5模式对年、春季、夏季、秋季和冬季的降水量模拟的均方根误差相比CMIP3分别减少77.6 mm、25.5 mm、25.0 mm、18.8 mm和13.9 mm。在空间上,CMIP5模式对年、季节降水模拟仍然偏高,但是比CMIP3有明显缓解;CMIP3和CMIP5模式对夏季天山区年降水量和夏季降水量的模拟也与大部分区域偏高的趋势明显相反,两代模式对夏季天山区的降水模拟均偏低50 mm左右。     

全球谱模式不同垂直分层对数值预报影响的敏感性试验

本文用σ-坐标原始方程全球谱模式,对1979年1月23日和6月14日两个个例,采用3种不同的垂直分层方案,进行了敏感性试验.通过对高度场均方根误差的分析,发现15层模式对北半球冬季预报效果的改进最明显.当其降低模式最高层高度和减少垂直分辨率时,预报误差首先从模式上层出现,然后影响到对流层中、下层.并指出南、北半球,冬、夏季不同层次上的预报对模式垂直分层的敏感性存在有差异,对南、北半球,冬、夏季的预报可采用不同的垂直分层模式. 南、北半球,冬、夏季预报敏感性差异的产生同行星尺度波动的水平感热通量的垂直分布、行星尺度波动能量的垂直输送特征有关.     

辐射方案对GRAPES全球模式的影响

辐射过程是中期数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。本文针对GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 全球模式非静力半隐式半拉格朗日的特点, 进行了不同辐射方案的敏感性比较试验, 以期找到一个适合于GRAPES全球模式的辐射方案。用到的方案包括WRF模式中的RRTM长波辐射方案、 NASA的Goddard短波辐射方案以及ECMWF的长短波辐射方案。试验结果表明, ECMWF的辐射方案更适合于GRAPES模式, 30天平均的北半球500 hPa高度场距平相关系数较WRF的辐射方案提高了近2%。另外, 针对实际运行中存在的辐射计算不稳定问题, 对辐射方案进行了气压订正和温度订正, 并对2005年7月影响我国的海棠台风进行了模拟试验, 气压订正后的120小时模式预报在对副热带高压和台风的描述上更接近于分析, 可用预报时效也有了明显提高。     

5个IPCC AR4全球气候模式对东北三省降水模拟与预估

利用IPCC AR4中5个全球气候模式数据集和中国东北三省162个站降水实测资料,评估5个全球气候模式和多模式集合平均对中国东北三省降水的模拟能力,并对SRES B1、A1B和A2三种排放情景东北三省未来降水变化进行预估。结果表明：全球气候模式能较好再现东北三省降水的月变化,但存在系统性湿偏差;多模式集合平均能较好模拟东北三省年降水量的空间分布,但模拟中心偏北,强度略强,模式对东北三省夏季降水的模拟效果优于冬季降水;预估结果表明,三种排放情景下21世纪中前期和末期东北三省降水均将增多,21世纪末期增幅高于21世纪中前期,冬季增幅高于其他季节;就排放情景而言,SRES A1B和A2排放情景增幅相当,高于B1排放情景增幅;不同排放情景东北三省降水量增率分布呈较一致变化,A2排放情景下,增幅最显著的辽宁环渤海地区年降水量在21世纪中前期将增加7%以上,21世纪末期将增加16%。     

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;Grell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。     

青藏高原隆升对亚洲季风形成和全球气候与环境变化的影响

综合介绍了青藏高原隆升对亚洲季风形成,半半球大气定常行星波建立,区域和全球气候变迁及环境演化的影响,并对近年来的研究进展作了较为详细的评述;指出今后需要深入研究的若干问题。