气候模式的年际变率和可预测性

该文研究了大气物理研究所９层格点大气环流模式模拟的年际气候变率，一种试验采用多年平均的观测海温作为下边界条件，另一种试验是有年际变化的实测海温作为下边界条件，两种试验的年际变率分别为记为Ｖ１和Ｖ２，其比值Ｒ（Ｖ２／Ｖ１）则可代表以实测海温为边界条件的模式可预测性，研究结果显示：两种试验的年际变率差异主要热带区，Ｖ２一般大于Ｖ１，并且更接近实际变率，气温和高度场的可预测性在热带区较高，在热带以外区域     

近百年热带太平洋海温年际及年代际 时间变率特征的诊断研究

年际及年代际时间变率是当代气候研究的重要问题之一，通过对近百年热带太平洋海温资料做子波分析发现,20世纪50年代以来的海温升高及频繁发生的ENSO事件伴随着海温年代际时间尺度背景场的明显改变，同时还研究了其年代际及年际时间尺度时间变率特征。     

近百年来热带太平洋海温年际及年代际时间变率特征的诊断研究

年际及年代际时间变率是当代气候研究的重要问题之一 ,通过对近百年热带太平洋海温资料做子波分析发现 ,2 0世纪 50年代以来的海温升高及频繁发生的 ENSO事件伴随着海温年代际时间尺度背景场的明显改变 ,同时还研究了其年代际及年际时间尺度时间变率特征。     

全球气温与ENSO多年际耦合振荡关系的初步研究

借助于最优分割法和多通道奇异谱分析（MSSA）等方法对全球气候变化背景场阶段性变化及其与ENSO振荡信号的相互关系作了详细的诊断分析。结果表明：（1）全球近百年气温长期变化阶段性明显，各阶段之间的气候变率特征差异较大；（2）全球气温变化背景场的阶段性对ENSO的年际及年代际准周期振荡有较为明显的影响；（3）全球气温与Nino区海温的年际变率存在着准4年和准2年的显著耦合振荡。     

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。     

基于统计方法的典型冬季海温变率分类研究

选取国家气候中心监测业务中代表区域海温变率的25项海温指数,利用聚类分析法,对1951—2014年冬季的海温指数进行系统聚类,研究全球海温(除北冰洋外)变率的主要类型。通过分析区域海温之间的关联性,将全球海温指数分为了四类,结合四类指数指示海区空间分布和时间演化特征,提出了四类具有不同演变特征的冬季海温分布特征类型:ENSO区海温异常东部型(Ⅰ类)、ENSO区海温异常中部型(Ⅱ类)、西太暖池与北大西洋海温年代际变化型(Ⅲ类)及赤道信风洋流与西边界流作用下的海温异常扩散分布型(Ⅳ类)。Ⅰ类和Ⅱ类指数均表现出明显的年际变化特征,而Ⅲ类指数表现出明显的年代际变化特征。并根据聚类结果对各个类别的指数进行了综合,将全球海温变率合并为较少的自由度,为进一步研究全球海温演变以及多海区海温异常的协同作用对气候变率的影响打下基础。     

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制北大核心CSCD

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。     

GAMIL CliPAS试验对夏季西太平洋副高的预测

利用GAMIL CliPAS “两步法” 季度预测试验, 检验了后报的1980～1999年北半球夏季西太平洋副热带高压 (简称副高) 的年际变化, 检查了Seoul National University (SNU) 动力统计预测系统对SST预测准确度, 并讨论了影响中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室格点大气模式 (GAMIL) 对副高预测效果的可能原因。500 hPa位势高度可预报性指数表明西太平洋副高具有较高可预报性。集合平均基本能再现西太平洋副高的变率特征, 但最大方差的位置和强度与观测稍有区别。观测证据显示, 副高存在2～3年变率和3～5年变率, 且2～3年变率比3～5年变率强。GAMIL能够准确预测观测副高的3～5年变率, 尽管其强度要强于观测。这与试验所用的预测海温能够很好表现赤道中东太平洋 (5.5°S～5.5°N, 190.5°E～240.5°E) 海温的年际变率有关。同时, GAMIL预测的副高2～3年变率较之观测显著偏弱, 这可能与SNU预测的海洋大陆地区 (5.5°S～0.5°N, 110.5°E～130.5°E) SST的2～3年变率偏弱有关。分析表明, SNU预测海温的这种弱点, 与SNU海温统计预测模式所用的历史海温 (OISST) 本身对海洋大陆地区2～3年变率的刻画能力较弱有关。     

GAMIL CliPAS试验对夏季西太平洋副热带高压的预测

利用GAMIL CliPAS"两步法"季度预测试验,检验了后报的1980～1999年北半球夏季西太平洋副热带高压(简称副高)的年际变化,检查了Seoul National University(SNU)动力统计预测系统对SST预测准确度,并讨论了影响中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室格点大气模式(GAMIL)对副高预测效果的可能原因.500 hPa位势高度可预报性指数表明西太平洋副高具有较高可预报性.集合平均基本能再现西太平洋副高的变率特征,但最大方差的位置和强度与观测稍有区别.观测证据显示,副高存在2～3年变率和3～5年变率.且2～3年变率比3～5年变率强.GAMIL能够准确预测观测副高的3～5年变率,尽管其强度要强于观测.这与试验所用的预测海温能够很好表现赤道中东太平洋(5.5°S～5.5°N,190.5°E～240.5°E)海温的年际变率有关.同时,GAMIL预测的副高2～3年变率较之观测显著偏弱,这可能与SNU预测的海洋大陆地区(5.5°S～0.5°N,110.5°E～130.5°E)SST的2～3年变率偏弱有关.分析表明,SNU预测海温的这种弱点,与SNU海温统计预测模式所用的历史海温(OISST)本身对海洋大陆地区2～3年变率的刻画能力较弱有关.     

海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候的能力分析

该文采用FGOALS-s2模式两个20 a积分试验的结果,一个是海气自由耦合的控制试验,另一个是由控制试验产生的月平均海温强迫大气的海温强迫试验,通过比较两个试验结果的气候态和标准差,研究海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候变率的能力。结果表明:FGOALS-s2模式控制试验能够很好的再现降水和大气环流场的气候特征。与海温强迫试验相比:耦合模式能更好的模拟东亚地区气候态,200~500 h Pa垂直积分的气温整体偏低,850 h Pa上的东亚夏季风和南亚夏季风均偏弱,青藏高原附近的降水显著偏少,阿拉伯海、孟加拉湾、南海区域降水偏多,副高减弱偏南;耦合模式模拟的东亚气候标准差,在青藏高原上空200~500 h Pa上垂直积分气温变率偏大,阿拉伯海、孟加拉湾以及南海和西北太平洋降水变率均偏少;两种试验均能较好地模拟中国雨带从华南到长江流域再到华北的季节演变过程,控制试验模拟的降水北进过程中雨带偏南,而南退过程缓慢。     

辐射参数化方案对气候模拟和回报的影响

研究两种不同辐射参数化方案(Morcrette 方案和Ritter方案)对一个大气环流模式及其与一个海洋环流模式的耦合模式的模拟和回报效果的影响. 大气模式的模拟结果表明,采用Morcrette方案模拟的降水较采用Ritter方案有明显改进.采用Morcrette辐射方案的大气模式对夏季500 hPa高度场的模拟比采用Ritter方案的大气模式有明显改进,但对冬季500 hPa高度场的模拟没有改进.大气-海洋耦合模式的20年夏季回报结果表明采用Morcrette方案回报的夏季降水在华北和江淮地区明显比采用Ritter辐射方案好;对于夏季温度,带有Morcrette方案的耦合模式的回报在江淮地区没有带有Ritter方案的耦合模式好,但在黄河以北和新疆等地区,前者明显好于后者.     

GRAPES全球切线性和伴随模式的调优

伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。     

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

用于GCM耦合的积雪模型的设计

文中描述一个一维的积雪分层模型,目的是要刻划雪盖随季节的变化,与其下冻土变动模型一起,构成完整的雪盖模型。为了保持一定精度,并能用于大气环模式（ＧＣＭ）研究,模型对积雪内部热量及质量输送过程的描述精细程度及计算时分层多少均有所考虑。模型中,改用内能代替温度作为预报量,克服了相变时直接预报温度时造成的计算误差,有效地预报了相变过程。对于积雪密度的变化,考虑了雪花形态的破坏而引起的密度变化及由于压实过程而引起的密度变化。并对各分层自重产生压实过程推导了相应的公式,在模型中对雪盖的光学特性、热力学特性及水流流动特性参数化方案设计也进行了分析。本简化模型的模拟结果与精细积雪模型的比较,具有几乎同等的精度,与俄罗斯的Ｙｅｒ－ｓｈｏｖ站实测数据相比,吻合十分理想。     

Lagrangian Stochastic Models For Turbulent Dispersion In The Atmospheric Boundary Layer

A one-particle three-dimensional stochastic Lagrangian model fortransport of particles in a horizontally-homogeneous atmosphericsurface layer with arbitrary one-point probability density functionof Eulerian velocity fluctuations is suggested. A uniquely definedLagrangian stochastic model in the class of well-mixed models isconstructed from physically plausible assumptions. These assumptionsare: (i) in the neutrally stratified horizontally homogeneous surface layer, the vertical motion is mainly controlled by eddies whose size is of order of the current height; and (ii), the streamwise drift term is independent of the crosswind velocity. Numerical simulations for neutral stratification have shown a good agreement of our model with the well-known Thomson's model, with Flesch and Wilson's model, and with experimental measurements as well. However there is a discrepancy of these results with the results obtained by Reynolds' model.     

Evaluation of the WRF-Lake Model over Two Major Freshwater Lakes in China

This paper evaluates the performance of the Weather Research and Forecasting(WRF) model coupled with a lake scheme over the Lake Poyang and Lake Dongting regions. We choose several cases with different weather characteristics, including winter with/without precipitation and summer with/without precipitation, and conduct a series of experiments(without the lake model, with the default lake model, and with a calibrated lake model that adjusts the water absorption, extinction coefficients, and surface roughness length) for each case. The results show that the performance of the lake model is significantly affected by the weather conditions. For the winter with precipitation cases, the performance of the default lake model is even worse than without the lake model, but the calibrated lake model can obviously reduce the biases of 2-m temperature and dew-point temperature. Although the performance of the default and new calibrated models is intricate for other cases, the new calibrated model has prominent advantages for 2-m dew-point temperature. Moreover, a long-term simulation of five months also shows that the new calibrated coupled lake model performs better than the default one. These imply that the new calibrated coupled lake model is more suitable to be used in studies of the effects of Lake Poyang and Lake Dongting on regional weather and climate.     

中尺度区域模式层顶高度对高空风场数值模拟的影响分析

本文基于中尺度区域模式WRF,开展模式层顶高度变化对高空气象要素,特别是高空风场数值模拟影响的研究。通过设计模式顶高45、5 hPa两个试验,同化来源于NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和METOP-2的AMSU-A辐射计高通道数据,表明提高模式层顶能够使卫星更多的高通道样本数量进入同化系统,达到减小背景场误差,同时减小高于层顶通道辐射能量对低层通道影响的目的,一定程度上改进了同化效果,从而改善高空气象要素,特别是风场的模拟效果,与观测值的均方根误差减小了约0.4~0.5 m·s^-1。     

一种粒子——烟团扩散模型的应用研究

本文运用随机游动模拟方法改进建立一种粒子—烟团模式，成功地模拟了对流边界层条件下污染物扩散，粒子—烟团模式的模拟结果与水槽试验的结果吻合较好。数值模拟试验结果表明粒子—烟团模式能在施放粒子数较少，从而运行时间很短的情况下，得到优于一般随机游动模式的模拟性能。用KNRC的资料对模式的模拟性能作一验证，表明模式也能很好地模拟实际大气中不同稳定度情况下的扩散。     

时问序列动态学习率神经网络模型及其初步试验

神经网络在气象上的应用往往是采用固定学习率的BP算法建模,学习过程易出现振荡现象和网络存在冗余连接等缺陷,基于此对神经网络进行了改进。利用时间序列分析方法对样本数据进行处理,用改进后的神经网络对时间序列样本数据进行训练预测,创建了时间序列动态学习率神经网络模型。最后用库车县1997—2007年四季的平均气温值作样本数据进行训练,其训练精度和拟合度都达到很高的标准,用该模型预测了库车县2008年的气温。通过实例证明这个模型在气象预测领域有一定的实用价值。     

Impact of the Time Scale of Model Sensitivity Response on Coupled Model Parameter Estimation

That a model has sensitivity responses to parameter uncertainties is a key concept in implementing model parameter estimation using filtering theory and methodology.Depending on the nature of associated physics and characteristic variability of the fluid in a coupled system,the response time scales of a model to parameters can be different,from hourly to decadal.Unlike state estimation,where the update frequency is usually linked with observational frequency,the update frequency for parameter estimation must be associated with the time scale of the model sensitivity response to the parameter being estimated.Here,with a simple coupled model,the impact of model sensitivity response time scales on coupled model parameter estimation is studied.The model includes characteristic synoptic to decadal scales by coupling a long-term varying deep ocean with a slow-varying upper ocean forced by a chaotic atmosphere.Results show that,using the update frequency determined by the model sensitivity response time scale,both the reliability and quality of parameter estimation can be improved significantly,and thus the estimated parameters make the model more consistent with the observation.These simple model results provide a guideline for when real observations are used to optimize the parameters in a coupled general circulation model for improving climate analysis and prediction initialization.