三维变分映射资料同化技术在台风数值模拟上的应用实验

台风移动路径及登陆是台风预报中的关键问题,提高台风初始分析场质量是改进台风数值预报效果的重要途径之一．文中首先对目前国际上占优势的变分资料同化方法：三维变分资料同化（3DVar）、四维变分资料同化（4DVar）和作者近年提出的三维变分映射资料同化方法（3DVM）的理论进行了简单的比较分析;然后基于MM5-4DVar的系统构建了MM5-3DVM系统;最后以9914号台风Dan为例,利用该系统设计了17组同化卫星AMSU-A反演的温度和风场资料及人造涡旋海平面气压场资料的数值实验,初步探讨3DVM技术对提高台风初始场质量的有效性．与4DVar的对照实验表明：通过文中3DVM系统得到的初始台风结构相对更合理,更能改善台风的模拟,特别是路径预报．敏感性研究表明：初始涡旋的大小、同化时间窗口的长短和信息量的强弱对台风路径和强度变化的敏感性,3DVM比4DVar技术更为稳定．特别地,3DVM利用历史资料只需低廉的计算代价进行初始化,这是符合业务预报需求的．     

高分辨率气候系统模式的研制与评估

高分辨率气候系统模式是全球变化研究的重要研究工具,对于提升我国应对气候变化问题的整体实力有重要的应用价值。全球变化研究国家重大科学研究计划"高分辨率气候系统模式的研制与评估"项目通过5年的努力,成功研制和发展了我国高分辨率气候模式系统和其评估系统,建立了通量集合耦合平台,取得的主要成果有:(1)成功研发了全球高分辨率气候系统模式BCC_CSM2,其大气水平分辨为50km,海洋水平分辨为30km,它改进了模式中一些重要物理过程的参数化方案,使模式性能得到明显提高,对当今气候基本态的模拟与国际上现有模式性能相当,对东亚气候的模拟有部分优势,增强了对热带气旋、台风等中小尺度过程的模拟能力;(2)成功解决了与模式高分辨率有关的部分科学问题,如东亚地形问题和经纬度网格极地问题、与高分辨率相适应的模式动力框架问题、中国东部独特的冷季层云与青藏高原地形相关问题等;(3)自主研制了全球0.5°×0.5°网格的格点模式动力框架,具有良好稳定性和物理守恒性,建立了全球高分辨率格点大气环流模式,实现了"云-气溶胶-辐射数值集合系统"(CAR)与全球格点大气环流模式IAP4的耦合,揭示了云的次网格尺度结构是造成辐射计算差异最主要原因的物理机制;(4)建立了多大气模式交互集合耦合平台,集成了包括本项目支持研发的格点和谱模式在内的15个国内外知名的分量模式,成为研究海-气相互作用、噪音对气候影响的一种创新分析工具;(5)建立了包括东亚地区云与辐射、东亚-西北太平洋季风、热带偏差机理、云辐射反馈过程与ENSO模拟改进等的耦合气候系统模式评估体系,为评估、改进项目研制的高分辨率模式提供了重要参考和方向。所研发高分辨率气候系统模式的阶段性中低分辨率模式参与了第五阶段耦合模式国际比较计划(CMIP5),建立了业务气候预测系统,为国内外开展气候及气候变化科学研究提供了大量宝贵的模拟数据,为IPCC AR5的编写提供了科学参考依据,提升了我国在气候变化领域的影响力和气候预测能力。     

大气模式中季节内振荡特征对不同海温强迫场的响应

利用美国国家大气研究中心（NCAR）的全球大气模式（CCM3），分别以月平均和周平均海表温度（SST）为强迫场进行2个积分试验（称为CCMM和CCMW试验）。积分结果与观测资料的对比分析发现，CCM3模拟大气季节内振荡（MJO）信号的强度均较观测资料偏弱，而其中以CCMW模拟的强度略大而较接近真实。表明SST强迫场包含更真实的季节内变化信息对提高模拟MJO强度有作用，CCMM与CCMW模拟MJO活动的时间位相均与观测差别较大，直接原因在于CCM3中降水季节内振荡与SST变化的相关关系不正确，而更根本的问题在于大气模式无法反映资料分析发现的内时间尺度的SST与大气的相互作用。     

一个气候系统模式中大洋热盐环流对全球增暖的响应

利用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(IAP/LASG)气候系统模式GOALS, 讨论了全球增暖背景下大西洋热盐环流的变化. 结果表明, 全球增暖令北大西洋高纬热盐环流的下沉区海温升高、海水变淡, 海水密度随之降低、海水下沉减弱, 其与低纬大洋间的经向密度梯度减少. 当大气中CO₂浓度加倍时, 热盐环流减弱8%. 这种变化主要限于北大西洋而非整个输送带的均匀一致减弱, 它带来大西洋中高纬度极向热输送减弱最多达10%.     

全球变暖形势下的北太平洋副热带-热带浅层环流的数值模拟

利用一个全球海气耦合模式,通过数值试验方式,检验了全球变暖对北太平洋副热带-热带经圈环流(STC)的影响,结果发现由于全球变暖的信号主要位于中高纬度,中低纬度(特别是风场)的变化相对不大,导致STC的响应很弱,其变化低于自然变率.     

北京市夏季降水的日变化特征

利用北京市1961~2004年逐时自记降水资料, 分析了北京市夏季降水日变化的基本气候特征及其长期演变趋势. 分析结果指出, 北京市夏季降水日变化在降水量和降水频次上表现出较为一致的变化特征, 均以午后至次日清晨为高值区, 而在中午前后达到最低值; 高值区可以进一步划分为2个峰值区间, 一个峰值位于午后至傍晚, 另一个峰值发生在清晨. 结合每次降水的持续时间对日变化的气候特征进行分析, 可以对降水量的2个峰值进行区分. 下午至前半夜的降水主要表现为持续时间少于6 h的降水事件, 而后半夜至清晨的降水峰值则主要由持续时间大于6 h的降水事件累积而成. 在近40多年间, 北京市夏季降水发生了结构性调整, 短持续性降水的降水总量逐步增多, 而长持续性降水事件的降水总量却大幅减少.