波致混合对CCSM3气候模式预测能力的改进

在海气耦合模式CCSM3基础上引入波致混合作用后建立了改进的海气耦合模式,设计了SST同化方案,并进行了2005,2006和2007年ENSO的集合后报和2008年气候预测数值试验.结果表明,改进的海气耦合模式的同化效果优于原来的海气耦合模式CCSM3的同化效果.集合后报与观测资料对比表明:改进的海气耦合模式能够较好地预测当年ENSO事件的发生情况,预报强度和成熟期特征与实际也较吻合,波致混合可以明显地提升气候模式的预测能力.在此基础上利用改进的海气耦合模式对2008年气候异常进行了集合预测,结果表明:始于2007年的La Nina事件将持续至2008年夏季,2008年El Nino事件出现概率很小;2008年夏季中国东南沿海、黄淮流域、东北东南部、新疆中南部以及青藏高原西部降水比往年偏多,局部可能出现洪涝,内蒙古西部、华南西南部以及青藏高原南部降水比往年偏少.我国沿海除两广地区和长江口附近地区外,均有不同程度的降水增加.     

乌江中下游流域极端降水频数和强度浅析

利用1987—2017年乌江中下游流域思南、德江、沿河三站国家站逐日降水数据,采用95位百分位法定义极端降水事件发生阈值,运用统计学方法分析乌江中下游流域极端降水事件频数和强度的特征,基于MK非参数检验方法对极端降水事件频数和强度长期变化趋势进行检验。研究近31年乌江中下游流域三站极端降水频数和强度的特征与关系,结果表明,乌江中下游流域思南、德江、沿河近31年来发生极端降水事件阈值分别为31.5 mm、31.2 mm、33.5 mm,平均极端降水频数分别为7.6 d、8.1 d、7.5 d,平均极端降水强度分别为52.3 mm/d、53.4 mm/d、55.3 mm/d,近31年来三站发生极端降水事件的频数和强度总体有上升的趋势,日降水量大于100 mm的极端降水事件主要集中出现在6月和7月,典型极端降水事件年发生概率为45%。     

黄渤海春季浪流耦合数值模拟

将第3代海浪模式Wavewatch与POM海流模式整合成一个完整统一的耦合模式。利用卫星风场,模拟了黄渤海海域春季大风过程所产生的浪场,并对耦合模式和非耦合模式的模拟结果进行了对比。结果表明,对于海浪要素,耦合模式比非耦合模式模拟得更要符合实际情况。     

对流解析区域气候模式对青藏高原降水模拟能力的研究

以中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式(RIEMS 2.0)为基础,采用中国科学院资源与环境数据中心提供的植被类型数据和北京师范大学提供的中国土壤质地数据,以及美国地质调查局提供的月植被覆盖度资料,进行模式本地化,从而建成了青藏高原对流解析区域气候模式．利用该模式对青藏高原进行了2001—2018年连续积分模拟,重点考察了区域气候模式在水平分辨率为9 km条件下对青藏高原降水模拟能力,结果表明:1）模式能够较好地模拟年、雨季降水的空间分布特征以及不同区域降水年变化,同时,模式模拟降水较观测偏多,偏差为13.01%~39.95%;区域气候模式模拟青藏高原降水较国际耦合模式“比较计划第六阶段（CMIP6）”45个全球模式模拟试验结果的年降水空间分布和强度有明显提高,并且更加接近观测值．2）模式能够较好地模拟出年降水时间和4个不同等级降水事件空间分布,特别是5~10、10~20、>20 mm这3个不同等级降水时间接近观测值．3）模式能够较好地模拟出青藏高原不同区域候平均降水随时间演变,降水强度除半干旱藏南地区较观测明显偏多外,对其他地区模式模拟的降水都非常接近观测值,同时与观测值之间相关系数为0.901~0.981,都通过99%置信度检验,与观测值之间的均方根误差为0.37~0.99 mm·d?1,其中对于极度干旱的柴达木地区候平均降水也能够较好地模拟出来,相关系数达到0.919;对青藏高原西南的南羌塘地区模拟最好,相关系数达到0.981．4）该研究表明采用青藏高原对流解析区域气候模式进行动力降尺度后,解决青藏高原等地区缺乏长时间序列高时空分辨率的气象数据集的瓶颈问题,为青藏高原气候和环境未来变化、生态安全屏障建设等提供坚实可靠的科学数据基础．      

气候系统模式MIROC对中国降水和地面风场日变化的模拟

本文利用日本东京大学气候系统研究中心、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的MIROC 3.2气候系统模式模拟的当前情况下(以1991-1995年为代表)和全球增暖情景(A1B假设)下(以2091-2095年为代表)3小时平均降水和地面风场资料,检验模式对中国地区降水和青藏高原、中国东部沿海等地区地面风场日变化模拟能力并分析全球增暖情景下日变化与20世纪末的差异.结果表明:模式对中国地区降水日变化有较好的模拟能力,模拟的青藏高原东侧最大降水出现在午夜,南部沿海地区最大降水出现在晚上,东北地区降水最大值出现在下午等日变化特征与观测资料基本一致,对青藏高原大地形山谷风和东部沿海地区海陆风日循环也有较好的模拟,但对江淮流域夏季降水日循环上午和傍晚双峰结构的模拟与观测差异较大.全球增暖情景下,中国大部分地区日降水总量增大,但各时刻降水占日总降水比例改变很小,青藏高原、东部沿海等地区各个时刻差值风场风向角明显改变,风速差异增加.     

一次江淮大暴雨嵌套数值模拟试验

利用MM5非静力平衡模式，设计了未嵌套、两生和三重嵌套模式方案，对1999年6月23日一次江淮大暴雨过程进行了实际资料的降水个例试验，重点讨论了嵌套对数值模拟结果的影响。结果表明：嵌套后，随着水平分辩率的提高，模拟的降水量越来越大；三重嵌套的中间层细网格已经可以把雨区范围、降水中心位置、降水强度比较接近实况地模拟出来，最内层累网格中模拟出若干个β中等尺度降水中心；嵌套后内层细网格信息的外传会使外层粗网格的模拟结果有所改善。     

数字滤波初始化方法在WRF中的应用

本文主要介绍了数字滤波初始化技术的理论框架和基本原理,将该技术应用于新一代中尺度数值模式WRF模式中,评估其对降水预报的影响。通过对2008年4月7日08时—4月8日08时的一次江淮流域降水过程的数值模拟,从模拟结果可以看出,数字滤波初始化技术的引入明显的改善了降水的预报。     

短期区域气候预测系统及回报试验

为了提高短期区域气候预测准确率,针对我国大陆区域及周边海域,通过国家气候中心全球海气耦合模式嵌套一个区域大气-海洋耦合模式,建立了一套短期区域气候预测系统。利用该预测系统对2006-2011年逐年7月的气候特征进行了回报试验,对比分析了区域模式相对于全球模式预测高空形势场的差异,评估了预测系统对地面温度和降水的预测能力。试验表明:同化后,初估场质量显著提高;区域模式在预测高空形势场方面优于全球模式;相对于单独的大气模式,海气耦合模式在预测中低空的温度和湿度方面有一定的改善;系统对地面气温和降水均具有一定的预报能力,其中降水预测稍好。     

用新RIEMS模式研究陆面过程对暴雨的影响

对MM5模式中的MYE，MRF以及新引进的NB方案(E—ε—l边界层参数化)3种边界层参数化方案耦合了陆面过程模式BATS，形成新的RIEMS模式．用此模式及原MM5模式对2个江淮暴个例进行了数值模拟以考察陆面过程对暴雨模拟的影响，同时也分析了加入BATS后模式对形势场和有关气象场的影响．结果表明加了BATS后，模式在降水场，形势场，低空急流等方面均优于原MM5模式，表明陆面过程短期天气过程也有重要影响．     

深圳市降水特征时空演变规律分析

采用中国区域地面气象要素数据集中的降水数据,基于Mann-Kendall检验法、Sen's坡度法、Morlet复小波分析法并结合极端降水指标,对深圳市1979—2015年降水量的时空演变规律进行了分析.结果表明:1)1979—2015年深圳市年平均降水量为1 841.28mm,最大主周期为10a,呈现不显著减小趋势.年降水量表现出西多东少、南多北少的空间分布特征.2)西部城区夏季降水和东部郊区相近,春、秋、冬季降水多于东部郊区,且汛期和非汛期降水量都多于东部郊区.3)极端降水时间和雨量南部多于北部、中西部地区多于东部,且极端降水整体呈现降水历时变短、场次降水强度变大的趋势,西部城区表现更为显著.4)西部城区年降水量、汛期降水量和极端降水指标都呈现不显著增加趋势,而东部郊区呈现不显著减小趋势,表现出一定的雨岛效应.     

垂直分辨率对全球降水模拟的影响

利用中国科学院大气物理研究所(IAP／CAS)的全球大气环流模式(AGCM)的两个不同版本(9层模式和21层模式),对冬、夏季全球降水分布进行模拟。并将模拟的结果与美国国家环境预测中心和中国国家大气研究中心(NCEP／NCAR)的再分析资料(NCEP—RE)进行对比。数值试验的结果表明：细垂直分辨率模式(21层)模拟的全球降水分布从总体效果上优于粗垂直分辨率模式(9层),并且对夏季全球降水分布的模拟优于对冬季降水的模拟。细垂直分辨率改善了积云对流参数化,能更好地模拟对流性降水,但它对大尺度降水的模拟不如粗垂直分辨率。     

GCMs模式在黄河源区的适用性分析

利用黄河源区24个气象站1961～1990年的月平均气温、最高气温、最低气温、月降水资料和IPCC 提供的5个全球海气耦合模式(CCC,CCSR,CSIRO,GFDL,HADL)的模拟结果,采用多年平均、不均匀系数、绝对变化幅度等统计特征,验证分析了各个模式对黄河源区降水和气温的模拟效果.结果表明:各个模式在降水和气温2个方面的模拟效果均不相同,如GFDL模式对降水的模拟效果最好,GFDL和HADL模式对气温的模拟效果较好;若同时考虑降水、气温2个方面的模拟效果,GFDL模式要略优于其他模式.     

近51年海河流域气候变化特征分析

在全球变暖的背景下,海河流域作为我国重要工农业生产地,气候正在发生重大变化.利用1960年-2010年海河流域30个气象站点的气温和降水资料,将每个站点的气温和降水量展布到全流域,采用线性倾向估计、Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验和小波分析等方法分析海河流域气候的变化特征.结果表明：海河流域气温呈明显上升趋势,其中西部和东部明显高于南部和北部,年平均气温在1988年发生突变,气温变化存在7a和10～15a2个周期;整个流域的降水量呈下降趋势,其中北部的内蒙古地区和河南的北部地区降水减少趋势最为明显,降水量在1997年发生突变,降水变化存在5～7 a和10～15 a 2个周期.     

华北地区热带气旋降水量的气候诊断

利用1950～2002年热带气旋降水量资料,对华北地区由热带气旋引起的降水进行了分析．结果表明,华北地区热带气旋降水量的空间分布很不均匀,平均山东半岛东部最大,向西具有减少的趋势,这种趋势与热带气旋降水频数相一致,地形的影响使降水量的空间分布复杂化．对于热带气旋过程降水量的大小,地形的影响更为重要,从河北东部经西部到河南南部沿着燕山南麓和太行山东麓分布着大的过程降水中心,此外,受热带气旋影响的最西站点随年代向东偏移．热带气旋降水量季节变化表现为8月最大,10月最小;年际变化明显,具有显著的2～3年振荡周期：年代际变化表现为20世纪50,60和70年代相差很小,80年代后具有明显减少的趋势．各区域热带气旋降水量的年际和年代际变化显示,华北西部的山西和北部的内蒙减少的趋势最强．     

WRF和GLDAS降水数据在黑河上游山区流域的比较与分析

参考黑河上游4站点的观测数据,用包含多统计指标的全面评价方法评价了20042009年WRF制备的5 km,1 h降水数据和空间插值后的5 km,3 hGLDAS降水数据.结果表明两者对降雨的时空分布表现均优.WRF产生的<1 mm和>8 mm降水的总日数、总量更符合实际降水情况,但缺少1~8 mm的降水,春季降水峰值偏大,总降水日数偏少.GLDAS降水和观测的相关系数更高,但年降水量偏少;<1 mm降水日数、总量过多,>2 mm降水日数偏少,春季降水峰值过大.由此两组数据驱动模型模拟时,需考虑数据本身的特点,同时黑河流域仍迫切需要更精确的降水数据.     

利用距平法对洮河流域降水特性的分析

在引用洮河流域岷县、李家村和红旗3个水文站1970—2008年实测月降水资料的基础上,运用距平分析法和5年平均滑动法及相关的水文统计方法对该流域的降水变化特性及其趋势进行分析研究。结果表明,洮河流域的降水在时空和地域上存在不均匀性,年降水量在300~550mm,主要集中在夏秋两季,该两季降水量约占全年降水量的95％,年际降水CV值为0．82—0．98。从整体上看,洮河流域的年降水量上游大于下游,上下游年降水量的比值约为1．8;另外,该流域3个代表站年降水量呈递减趋势,尤其以李家村代表站的递减趋势最为明显。     

WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验

为了研究WRF模式中的参数化方案对暴雨数值模拟的影响及物理过程集合预报在WRF降水集合预报中的适用性,利用中尺度WRF3.0数值模式,将模式中的物理过程参数化方案进行组合,构造了20个集合预报成员,对2003年7月8、9日发生在江淮地区的一次降水过程进行了集合预报试验。得到:集合成员之间存在一定的不确定性,不确定性随降水量级增大而增大,最终维持在一个较高的水平;通过定量比较发现,对于0.1 mm量级降水和25 mm以上量级降水,积云对流参数化方案对降水的影响要大于行星边界层方案对降水的影响;而对于10 mm量级降水,行星边界层方案对降水的影响要大于积云参数化方案对降水的影响。对20个预报成员进行了集合平均及降水概率预报试验,结果表明,集合平均的结果要比各个成员的稳定、可靠;概率预报能够提供一些有利于降水预报的信息。     

对CMIP5模拟北半球纬度带平均降水量的订正研究

基于气候漂移和多重线性回归的订正方法,对第5次国际耦合模式比较计划26个模式的历史时期(1956-2005年)北半球月平均降水进行了订正,对未来(2006-2060年)的月平均降水进行了订正和预估.选取英国东英格利亚大学提供的CRU降水数据集作为评估模式订正效果的参考资料.结果表明, CMIP5模式结果的集合平均在青藏高原以南、格陵兰岛南部以及南海沿岸、南美洲北部的降水模拟值偏低,而高估了索马里、阿赞德高原、亚洲中部和北部、北美洲西部和北部.相较于观测结果, CMIP5模拟的低纬度纬向平均降水被整体低估,中、高纬度带上模拟值整体偏高.订正后,历史时期降水分布、纬向平均降水量的时间序列与CRU观测结果有较好的一致性.利用上述方法对未来RCP4.5排放情景下的预估场进行订正后,沿非洲的阿赞德高原、欧洲、东南亚北部和中国长江中下游、密西西比平原,未来55 a的年平均降水量比历史时期降水量减少30 mm左右;南美洲的赤道以北、印度半岛北部、阿拉伯半岛地区的未来平均降水量同比增加50 mm.北半球未来55 a的暖季,东西伯利亚西部、蒙古高原、墨西哥南部平均降水量比历史时期明显减少,格陵兰岛东北部地区的冷季降水同比增加.     

用区域气候模式对1951—2000年我国夏季降水的模拟

为了检验区域气候模式对我国夏季降水的模拟能力,利用高分辨率区域气候模式RegCM3对1951—2000年的夏季中国区域降水进行了数值模拟。初始值及边界值取自美国国家环境预测中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料。每年的模拟积分时段从5月1日开始到9月1日结束,但是每年降水量的分析只使用6—8月的模拟结果。主要结论如下:(1)从全国平均总降水量看,该区域模式的模拟结果与观测比较接近,明显好于NCEP的降水资料,但模拟的降水量空间分布不理想;(2)从降水量距平的空间分布来看,该区域模式对我国的东北夏季降水的模拟结果明显好于全国其他地区,黄河中下游最差;(3)从时间分布上看,该模式模拟能力呈现出明显的年代际变化,20世纪60年代及90年代模拟较好,也比较稳定,70年代及80年代的模拟能力呈大起大落不稳定状态;(4)模式未能模拟出70—80年代我国降水偏少的观测事实,说明模式对我国夏季降水年代际变率的模拟能力不足。     

用区域气候模式对1951——2000年我国夏季降水的模拟

为了检验区域气候模式对我国夏季降水的模拟能力,利用高分辨率区域气候模式RegCM3对1951?2000年的夏季中国区域降水进行了数值模拟。初始值及边界值取自美国国家环境预测中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料。每年的模拟积分时段从5月1日开始到9月1日结束, 但是每年降水量的分析只使用6?8月的模拟结果。主要结论如下: (1) 从全国平均总降水量看,该区域模式的模拟结果与观测比较接近,明显好于NCEP的降水资料,但模拟的降水量空间分布不理想; (2) 从降水量距平的空间分布来看,该区域模式对我国的东北夏季降水的模拟结果明显好于全国其他地区,黄河中下游最差; (3) 从时间分布上看,该模式模拟能力呈现出明显的年代际变化,20世纪60年代及90年代模拟较好,也比较稳定,70年代及80年代的模拟能力呈大起大落不稳定状态; (4) 模式未能模拟出70—80年代我国降水偏少的观测事实,说明模式对我国夏季降水年代际变率的模拟能力不足。