NoahMP-RAPID在高海拔山地流域的模拟检验与误差分析

高海拔山地流域水能资源丰富、山洪易发;但产汇流机制复杂、降水数据不确定性大,准确的山地水文过程模拟面临较大困难.本研究采用中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动NoahMP陆面过程-RAPID河网汇流耦合模式,模拟青藏高原东侧大渡河干流逐日流量,并根据铜街子、龙头石流量站观测数据率定RAPID中的波速参数,检验了NoahMP中SIMGM和NOAH两种不同的产流过程参数化方案的模拟能力,评估了CMFD降水驱动数据的系统性偏差.研究发现,基于Philip入渗模型的NOAH方案优于基于TOPMODEL的SIMGM方案,能较为准确地模拟大渡河干流流量逐日变化,相关系数大于0.85、纳什系数约为0.3;对纳什系数的数学分解发现,纳什系数较低主要是由于模拟流量显著偏低造成的,若剔除系统性偏差,NOAH方案的纳什系数可提高至约0.7.模拟流量的系统性偏差主要来自于降水驱动数据;与雨量站观测和反演数据相比,CMFD显著低估了大渡河流域平均降水量,且其系统性偏差与高程有关,在低海拔地区高估,高海拔地区低估.本研究表明,使用NOAH产流方案的NoahMP-RAPID耦合模式对大渡河流域水文过程有较好的模拟能力,可进一步应用于水库调度优化;而提高雨量站密度、降低降水数据产品的系统性偏差是进一步改进高海拔山地流域水文过程模拟的关键.     

中国北方和蒙古南部植被退化对区域气候的影响

奇异值分解(SVD)分析归一化植被指数(NDVI)和降水给出的新证据, 揭示出中国北方过渡带及附近地区可能是植被覆盖变化对中国夏季降水影响的最敏感地区. 利用再分析资料和测站资料对土地利用变化影响温度的统计分析还表明, 年代际尺度上, 土地利用变化对中国温度的影响最明显地表现在使北方温度的升高. 基于观测上的一些新事实, 利用一个高分辨率的区域环境系统集成模式(RIEMS)通过多年积分, 研究了中国北方过渡带及附近地区(中国北方和蒙古南部)植被退化对区域气候的影响. 模拟结果表明, 植被退化可以造成中国北方和南方的降水减少和江淮流域的降水增加, 及植被变化区的温度的升高和华中地区温度的降低. 此外, 植被退化对大气环流也产生了重要影响. 模拟的表面气候和大气环流的变化与最近50年来观测的年代际气候异常都比较一致. 统计和模拟结果表明, 中国北方过渡带及其附近地区的植被退化, 可能是造成中国气候异常尤其是北方干旱化的重要原因之一.     

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0对中国多年降水和气温模拟能力分析

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上开发的区域气候模式. 为了检验RIEMS2.0对长期气候及其变化的模拟能力, 比较1980～2007年共28 a降水和气温观测资料和模拟结果 (连续积分时间1979年1月1日至2007年12月31日), 并对比不同积云参数化方案对模拟结果的影响, 为模式的调试和应用提供依据. 全年降水和气温模拟结果表明RIEMS2.0能模拟出多年平均气候态降水和气温分布, 但是模拟的中心雨带偏强偏北、气温偏低; 模式能揭示不同子区域降水和气温的年变化和年际变化; 模拟的夏季气温偏差小于冬季, 除了冬季江淮和江南区外模式高估了其他子区域降水; 模式对半干旱区降水和气温模拟偏差较大; 模式能很好地模拟降水和气温距平分布; 不同积云参数化方案模拟的降水和气温分布基本一致, 但强度和分布有差别. 因此, RIEMS2.0对多年平均气候态及气候变化表现出较强的模拟能力, 并具有较好的稳定性.     

区域环境集成系统模式以及对我国夏季季风的模拟研究

重点介绍了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, 以及利用该模式对东亚地区进行了1979年1月到2000年12月的长期积分试验, 重点考察了区域气候模式对东亚地区的夏季季风的模拟能力. 结果表明: (1) RIEMS 2.0模式能够较好地模拟出夏季表面大气温度的空间分布以及不同区域温度的年变化; 同时模式模拟季平均和月表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1~2℃. (2) 对于降水来说, RIEMS 2.0模式能够较好地模拟夏季降水的空间分布特征以及东亚地区雨带季节性演变, 同时RIEMS 2.0模式模拟的雨带演变较RIEMS 1.0更加接近观测. (3) RIEMS 2.0模式能够模拟出大尺度环流背景场. 该研究表明区域环境集成系统模式能够较好地应用于我国区域夏季季风气候模拟研究工作.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

RegCM4.0对一个全球模式20世纪气候变化试验的中国区域降尺度:温室气体和自然变率的贡献

近几十年来,中国区域气候经历了以变暖和东部降水呈现"南涝北旱"分布特征为主的变化.这里基于一个区域气候模式(Reg CM4.0)历史模拟和归因试验的对比,探讨了温室气体排放和自然变率分别对上述特征形成及各大水文流域气候变化成因的可能贡献.试验中Reg CM4.0的分辨率取为50 km,积分时间为1961~2005年,两个试验的驱动场分别来自于BCC_CSM1.1全球气候模式的历史试验和归因试验结果.分析结果表明,1961~2005年观测中出现的气候变暖现象,在所有流域均主要是由于人为温室气体排放引起的,在大部分流域自然变率亦有所贡献,中国区域平均的变暖中,人为温室气体排放所产生的作用达到80%.中国东部降水的"南涝北旱"分布变化,则可能主要是自然变率起了主导作用,人为温室气体排放在一定程度上减弱了这种变化的强度;中国西北地区的降水增加,可能主要源于人为温室气体排放的贡献,自然变率的作用与其相反,是导致降水减少的.同时指出,分析结果中关于气温的结论相对可靠性较高,降水的结论尚存在较大不确定性,未来需开展进一步的深入研究.     

土壤湿度资料同化对中国东部夏季区域气候模拟的改进

采用牛顿张弛同化法把GSWP2资料同化进区域气候模式BCC_RegCM1.0(简称RegCM)中土壤湿度初始场, 结果得到采用不同张弛参数对土壤湿度资料进行同化, 均能不同程度的改进气温和降水的模拟, 当张弛强度取0.5和张弛时间为5 d时, 对中国东部地区气温和降水模拟的改进效果较好. 加入土壤湿度资料同化后, 不仅对中国东部地区的降水和气温的空间分布型有所改进, 而且修正了控制试验中地表气温的系统性冷偏差以及中国东部地区的降水偏少, 使地表气温和降水的模拟值较控制试验结果接近于观测值, 这说明RegCM对地面气温的偏低和降水量的偏少, 可能与陆面过程中的土壤湿度处理有较大的关系, 今后应注重RegCM中土壤湿度的作用.     

RegCM3对21世纪中国区域气候变化的高分辨率模拟

使用RegCM3区域气候模式,单向嵌套日本CCSR/NIES/FRCGC的MIROC3.2_hires全球模式输出结果,对中国及东亚地区进行了1951~2100年,在IPCCSRESA1B温室气体排放情景下,水平分辨率为25km的连续气候变化模拟试验.首先分析了区域模式对当代气候的模拟能力,结果表明,模式可较好地再现中国地区地面气温和降水的空间分布及数值.对未来21世纪中期和末期气候变化的模拟表明,未来平均气温将明显升高,且随时间推移,气温升高幅度增大,升温高值区集中在高纬度和高海拔(青藏高原)地区.21世纪中期,冬季降水除青藏高原外以增加为主,夏季降水在中国西部西北地区增加、青藏高原减少;东部地区降水变化呈正负相间的分布.21世纪末期,降水变化分布除个别地方外,和21世纪中期一致,但变化幅度增大.此外,将此模拟结果与以往RegCM3在另一个全球模式驱动下的结果进行了对比,以了解中国地区气候变化预估中的不确定性.     

中国21世纪气候变化的RegCM4多模拟集合预估

基于一套RegCM4区域气候模式动力降尺度试验结果,进行了中国及不同分区在21世纪不同时期, RCP(典型浓度路径)4.5和8.5两种排放路径下的气候变化集合预估.试验中RegCM4在5个不同的CMIP5(耦合模式比较计划第五阶段)全球气候模式分别驱动下运行,水平分辨率为25 km×25 km.分析表明:未来中国范围内平均地面气温将普遍升高,其中冬季(12～2月)的青藏高原和夏季(6～8月)的西北干旱区升温幅度最大;相应的气温极端气候事件指数TXx(日最高气温最大值)和TNn(日最低气温最小值)升高.中国大部分地区冬季降水将增加,西北干旱区增加幅度最大,仅在云贵高原部分地区出现一定减少,模拟间一致性在中国北方较好;夏季降水在中国西部大部分地区、东北北部和黄淮增加,其他地区变化较小或略微减少;集合预估的日最大降水量(RX1day)在全国将普遍增加;连续无降水日数(CDD)在中国北方以一致缩短为主,南方则有所延长.相对于当代参照时段(1986～2005年), 21世纪中期RCP4.5和8.5下全国年平均气温分别上升1.6和2.2°C,降水分别增加4%和5%.各要素变化均随时间推移而增大, ...     

Noah-MP陆面过程模式在雅鲁藏布江流域径流模拟中的适用性评估

雅鲁藏布江(以下简称雅江)流域的气象水文模拟是当前全球变化研究的热点与难点. Noah-MP(the Noah land surface model with multi-parameterizations)陆面过程模式作为该区域气象水文双向耦合过程的重要数值模拟工具,鲜有研究针对其径流模拟能力进行过系统性评估,限制了模式在该区域的水文应用.本研究基于中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动Noah-MP模式,对雅江流域2000～2018年的径流进行时空分辨率为3 h/5 km的数值模拟;选取与流域径流产生机制相关的10个主要物理过程,评估了16种参数化方案组合对于径流模拟的影响,并确定了最优参数化方案组合.结果表明:(1)采用默认参数化方案, Noah-MP在奴下站的月尺度模拟纳什效率系数NSE(Nash-Sutcliffe efficiency)为0.23、偏差百分比PBias为–35.79%,而采用基于临界温度的雨雪分离方案、改进的二流近似辐射传输方案以及基于BATS的产流方案后, PBias分别减少至–2...     

全球变暖2℃情景下中国平均气候和极端气候事件变化预估

使用一个区域气候模式(RegCM3)在IPCC SRES A1B温室气体排放情景下对东亚地区进行的高分辨率数值模拟试验数据,就备受关注的相对于工业化革命前期全球变暖2℃阈值情景下中国平均气候和极端气候事件变化进行了预估研究.结果表明,届时中国年平均温度普遍上升而且幅度要高于同期全球平均值约0.6℃,增温总体上由南向北加强并在青藏高原地区有所放大,各季节变暖幅度相似但空间分布有一定差别;年平均降水相对于1986～2005年平均增加5.2%,季节降水增加4.2%～8.5%,除冬季降水在北方增加而在南方减少之外,年和其他季节平均降水主要表现为在中国西部和东南部增加而在两区域之间减少.极端暖性温度事件普遍增加,而极端冷性温度事件减少;中国区域年平均的连续5天最大降水量、降水强度、极端降水贡献率和大雨日数分别增加5.1mm,0.28mmd-1,6.6%和0.4d,而持续干期减少0.5d,其中大雨日数和持续干期变化存在较大的空间变率.     

第三极西风和季风主导流域源区降水呈现不同梯度特征

利用位于第三极东南部受季风主导的长江、黄河、澜沧江、怒江上游和雅鲁藏布江流域,以及位于西部受西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域源区256个气象站的降水数据,分析了各流域降水随海拔变化的梯度关系;基于ERA5数据,通过分析水汽含量、对流有效势能和抬升凝结高度与各流域内海拔的变化关系,探讨了不同气候系统主导的流域呈现不同梯度特征的原因;通过水文模型模拟径流反向验证降水梯度校正方法在推算高海拔山区降水时的可行性.结果表明:(1)位于季风区的长江上游、黄河上游、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江流域降水随海拔增加而降低(17～128 mm/100 m),地形效应仅在小尺度呈现;西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域降水随海拔增加而增加(5～64 mm/100 m),地形效应明显.(2) ERA5与气象站观测降水数据在不同流域源区表现出一致的降水梯度特征.季风区流域降水随海拔增加而减少,主要由水汽含量随海拔增加而减少所致,地形效应在局地尺度依然有所反映;西风区流域降水随海拔增加而增加,主要受抬升凝结高度降低和对流有效势能增加的影响.(3)陆面水文模型反向验证结果表明,在降水地形...     

雅鲁藏布江中下游流域地貌差异演化的岩屑磷灰石裂变径迹证据

以西藏米林派为分界点, 雅鲁藏布江中下游显示了截然不同的河流特性, 下游的雅鲁藏布大峡谷作为世界第一大峡谷, 围绕南迦巴瓦峰形成了马蹄形大拐弯, 与中游的宽谷河道显著不同. 分析了雅鲁藏布大峡谷上游米林河段和大峡谷下游地东河段的河床砂岩屑磷灰石裂变径迹(AFT)数据结果. 分析显示, 米林河段AFT年龄集中在10.7和26.8 Ma, 地东河段AFT显示年龄集中在2.5, 7.1和12.6 Ma. 由于河床砂岩屑是上游方向裂点向下到岩屑沉积点之间流域地质体经剥蚀和水流分选平均后的产物, 据此可以推定, 米林上游到加查河段流域的地质体和大峡谷下游地东以上到直白河段流域的地质体经历了不同的冷却历史. 从统计的结果上看, 米林以上到加查的中游河段地质体经历了两个不同阶段的冷却, 分别为10.7和26.8 Ma前后, 雅鲁藏布大峡谷所在流域地质体的冷却主要发生于2.5 Ma前后, 这一结果证实, 以南迦巴瓦峰为核心的东喜马拉雅构造结在2.5 Ma以来经历了快速和独特的构造地貌演化过程. 雅鲁藏布大峡谷与雅鲁藏布江中游河段的流域属于相同的大地构造单元, 即冈底斯岩带、雅鲁藏布缝合带和特提斯喜马拉雅带. 但是, 二者热史演化的迥然差异显示, 雅鲁藏布大峡谷河段流域地质体在2.5 Ma以来的冷却过程似乎不是区域构造作用的结果, 显示其可能与气候因素引起的强烈剥蚀作用密切相关.     

我国东北地区季节降雪高分辨率数值模拟

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,进行了我国东北地区冬季降雪的高分辨率数值模拟,评估了WRF模式对季节降雪的模拟能力,并探讨了模式水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟的影响.结果显示WRF模式可以合理地模拟冬季气温和降水的空间分布,模拟结果和观测吻合较好.该模式可以合理地模拟东北地区季节降雪的空间分布和时间演变,显示了该模式较强的模拟性能.水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟有重要影响,高分辨率模拟结果更接近观测;相对于积云对流参数化方案,模式对陆面过程和微物理过程参数化方案更加敏感.     

一个新的高分辨率洪涝动力数值监测预报系统

基于简单的分布式水文模型CREST和多种卫星遥感资料及站点观测资料等,建立了一个高分辨率的动力数值洪涝灾害预报系统.该系统包含数据输入、水文模型、模式输出以及结果验证4部分.数据输入使用了高分辨率卫星遥感DEM等地表下垫面数据作为边界条件,使用时空分辨率和精度都较好的CMORPH卫星遥感降水资料作为驱动数据,驱动分布式水文模型CREST实时运行,以监测和预报中国地区尤其是无站点观测或者站点较少地区的洪涝灾害.对2008~2011年的水文基本变量后报结果结合不同流域水文站点的水文过程线分析验证表明,水平空间分辨率1 km的系统能够较好地后报中国地区的基本水文过程,能够较好地后报如实际蒸散发、土壤湿度、地表径流等基本水文变量;系统能够较好地模拟和后报河道径流量涨落过程;能够较好地后报洪峰及其对应的流量.同时,经过几次洪涝灾害事件的分析验证,表明系统能较好地监测、预报洪涝发生的时间及其影响的范围,从而可以为防灾减灾提供参考依据.     

长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关

分析了春季北极涛动的变化对随后夏季长江中、下游地区降水的影响.利用观测的降水长序列资料,进行带通滤波处理去掉10年以上时间尺度的变化,结果表明在年际尺度上,近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达-0.39,超过99％信度水平.当北极涛动偏强一个标准差时,整个中国长江中、下游地区到日本南部一带,降水减少3％～9％左右,而中国华北到俄罗斯远东地区则偏多3％～6％左右.降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关,如果春季北极涛动强,随后夏季急流位置偏北,雨带位置也北移,从而造成长江中、下游地区降水的减少和北方降水的增加,反之亦然.这为汛期降水的预测提供了有用的信号.     

祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结(自地表向下)始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.     

暴雨雨团中β尺度流场结构的数值模拟

用高分辨率的中尺度模式对1998华南暴雨试验期间的一次大暴雨个例进行了数值模拟, 用模式输出的高分辨率资料对雨团的中β尺度流场结构进行了分析. 结果表明, 在雨团中, 高、中、低空都存在明显的中β尺度环流系统, 而且高空的高度场和风场之间具有非常强烈的非地转性. 54 km粗网格和18 km细网格剖面图都显示出中尺度垂直环流, 并存在上升的低空前方入流和下沉的中空后方入流. 在细网格的模拟结果中还进一步发现, 由于降雨伴随的拖曳下沉气流产生了位于900 hPa以下行星边界层中的浅薄的垂直环流.     

千年气候模拟与中国东部温度重建序列的比较研究

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G进行的1000年长时间积分气候模拟试验与中国东部区域温度重建资料作对比, 以验证ECHO-G模拟中国区域气候的能力, 并探讨近千年来中国区域气候变化的原因. 重建资料是中国东部地区(25°~40°N, 105°E 以东)1000年来分辨率为30年的冬半年温度距平变化序列. 模拟试验以随时间变化的有效太阳辐射、CO₂浓度和CH₄浓度场为外强迫, 从1000年开始积分至1990年. 结果表明: 重建和模拟结果的相关系数为0.37, 置信度为97.5%. 模拟和重建结果均反映出了1000~1300年的中世纪暖期、1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期. 对于1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期, 模拟和重建的正负距平基本一致, 尤其是1670~1710年Maunder太阳黑子最小期时, 模拟和重建值都达到了温度低谷, 且无位相差异. 但对1000~1300年的中世纪暖期, 模拟与重建资料存在显著差异, 这与重建资料质量降低有关. 模拟的变幅(1.62 K)略小于重建值(2.0 K),但两者具有较好的可比性. 模拟结果的诊断分析表明, 在1000年尺度上, 太阳辐射和火山活动是控制全球和区域温度变化的主要因子, 而在最近百年尺度上, 温室气体含量的变化对快速增温起着更为重要的作用.     

一个东亚区域海气耦合模式初步结果

建立了一个应用于东亚的区域海气耦合模式并通过20年的连续积分来评估其对东亚气候的模拟能力. 模式由大气模式RegCM3和海洋模式HYCOM组成并利用OASIS3耦合器控制整个模式的运行, 其中RegCM3的水平分辨率为60 km, HYCOM为33 km. 与其他区域海气耦合模式相比, 该模式的显著特点是耦合模式中海洋侧边界采用了单向嵌套方法来处理侧边界强迫问题. 另外, 在耦合模式中对太阳短波辐射进行了通量订正, 较好地消除了在直接耦合时出现的海温偏冷2℃的问题. 对模拟结果的初步分析表明, 该耦合模式可以成功地模拟出东亚地区大气和海洋的气候平均态, 季节变化以及年际变化的主要特征. 尽管由于分量模式本身的缺陷导致耦合模式的模拟结果和观测还存在一定的差距, 但和未耦合时相比确有一定程度的改善, 尤其是在东亚季风中最为重要因素之一的降水的模拟上. 进一步的分析表明降水模拟得到改善得益于耦合模式对夏季西太平洋副高模拟能力的提高, 从而增强了中低纬大气中水汽输送的模拟能力以及降水和海表温度(SST)的关系. 这些结果表明, 在东亚地区区域海气耦合模式具有一定优势, 但需要对模拟结果进行更加细致的分析, 如从日变化到年际变化的更详细分析.