186 大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences 30 卷 Vol.30 lutionstheprecipitationmaximumisdisplacedtoofarnorthandwestcomparedtoobservations,whichissimi

Size: px

Start display at page:

Download "186 大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences 30 卷 Vol.30 lutionstheprecipitationmaximumisdisplacedtoofarnorthandwestcomparedtoobservations,whichissimi"

映佻贲
5 years ago
Views:

1 第 30 卷第 2 期 2006 年 3 月大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences Vol.30 No.2 Mar.2006 数值模式不同分辨率和地形对东亚降水模拟影响的试验高学杰 1 徐影 1 赵宗慈 1 JeremyS.PAL 2 FilippoGIORGI 2 1 中国气象局气候研究开放实验室, 国家气候中心, 北京 TheAbdusSalamInternationalCentreforTheoreticalPhysics,Trieste,Italy 摘要为探讨东亚地区降水数值模拟中水平分辨率和地形的作用, 使用 RegCM2 区域气候模式, 采用不同的模式分辨率和地形, 对东亚降水进行对比模拟试验结果表明, 东亚地区降水的模拟效果取决于模式的水平分辨率, 模式分辨率越高, 模拟的效果越好使用实际地形的模拟效果好于使用平滑地形的但同时, 使用较高分辨率的平滑地形的模拟, 效果好于使用次高分辨率的实际地形的模拟这表明在东亚地区降水模拟中, 分辨率与地形相比, 起着至少同样重要的作用结果指出, 对东亚地区降水的模拟而言, 使用 60km 及以上分辨率可能是必需的关键词东亚降水区域气候模式分辨率地形文章编号 (2006) 中图分类号 P461 文献标识码 A 犐犿狆犪犮狋狊狅犳犎狅狉犻狕狅狀狋犪犾犚犲狊狅犾狌狋犻狅狀犪狀犱犜狅狆狅犵狉犪狆犺狔狅狀狋犺犲犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犈犪狊狋犃狊犻犪狀犘狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀 GAOXue Jie 1,XUYing 1,ZHAOZong Ci 1,JeremyS.PAL 2,andFilippoGIORGI 2 1 犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔犳狅狉犆犾犻犿犪狋犲犛狋狌犱犻犲狊, 犖犪狋犻狅狀犪犾犆犾犻犿犪狋犲犆犲狀狋犲狉, 犆犺犻狀犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犃犱犿犻狀犻狊狋狉犪狋犻狅狀, 犅犲犻犼犻狀犵犜犺犲犃犫犱狌狊犛犪犾犪犿犐狀狋犲狉狀犪狋犻狅狀犪犾犆犲狀狋狉犲犳狅狉犜犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犘犺狔狊犻犮狊, 犜狉犻犲狊狋犲, 犐狋犪犾狔犃犫狊狋狉犪犮狋 TraditionalyGeneralCirculationModels(GCMs)haveshownapoorperformanceinsimulatingtheEast Asianmonsoonprecipitationpaterns.TheprecipitationcentersimulatedbyGCMsisusualylocatedtoofarnorth overcentralchina.thiscanbefoundinmanygcmsimulations,e.g.,theaustraliacsiro model.however,in ourpreviouswork,afternestingtheabovementionedcsiro modelresultstoaregionalclimatemodel(regcm2) whichhasamuchhigherresolution,thesimulationoftheprecipitationishighlyimproved.notonlyregionaldetails butalsothelargescalespatialdistributionbecomesclosertoreality. ToinvestigatetheroletheresolutionandtopographyplayinthesimulationofEastAsianprecipitation,aseries ofexperimentswithdiferentsetingsofthemareconductedusingregcm2nestedinone waymodewithinthe CSIROglobalcoupledatmosphere oceanmodel.twosetsofregcmexperimentsareperformedandintercompared: inonesetbothtopographyandresolutionchangeacrosstherangefrom45to360km (referedtoasr45,r60, R90,,R360);inthesecondsetonlytheresolutionchangeswhilethetopographyremainsthesameasthatofthe CSIROGCM (referedtoasg60,g90,,g360). ItisfoundthatthesimulatedEastAsianlarge scaleprecipitationpaternsaresignificantlyafectedbyresolu tion.morespecificaly,simulatedprecipitationisincreasinglyrealisticwithgridpointrefinement.forcoarserreso 收稿日期 , 收修定稿资助项目作者简介中国气象局气候变化研究开放课题高学杰, 男,1966 年出生, 理学博士, 研究员, 主要从事气候模式以及气候变化方面的研究 E mail:gaoxj@cma.gov.cn

2 186 大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences 30 卷 Vol.30 lutionstheprecipitationmaximumisdisplacedtoofarnorthandwestcomparedtoobservations,whichissimilarto thegcmsimulation.spatialcorelationcoeficientsbetweensimulatedandobservedannualmeanprecipitationare calculatedtomorequantitativelyanalyzethemodelsimulationofprecipitationspatialpaternsatthe160chinasta tions.ingeneral,itcanbeseenthatthecoeficientincreasesasthemodelresolutionincreases.r45showsthehigh estvalueof0.81,whiler60is0.78,r90is0.71,etc. Theefectofresolutionisthemostimportantduringthemidtolatemonsoonmonthswhensmalerscalecon vectiveprocessesdominate.forexample,although Meiyufrontisasynopticscalesystem,studiesshowthatthe precipitationismainlycausedbythe(sub GCMgrid)mediumandmesoscaleconvectionsystems.Coarseresolution doesnotalowthedescriptionofthemandthereforethemoisturefromtheseaisnoteficientlyremovedoverthe coastalregionsandcanmoreeasilyreachtheinteriorofthecontinent(centralchina)andprecipitatethere.during thewintermonths,themodelreproduceswelthelarge scaledistributionofprecipitationovereastasiaregardless oftheresolution. SummeristhemainrainseasonoverChina,precipitationisprobablymainlycausedbymesoscaleconvective systems.coarseresolutiondoesnotalowthedescriptionofthesesystemsandthereforethemoisturefromtheseais noteficientlyremovedoverthecoastalregionsandcanmoreeasilyreachtheinteriorofthecontinent(centralchi na)andprecipitatethere. Whilerealtopographyisimportant,itisalsoshownthatthesimulationsusingahigherresolutionbutthe coarsecsirotopographyperformbeterthanthesimulationsusingthecoarsermodelresolutionwithrealmodelto pography.forexample,theabovementionedcoeficientis0.75forg60,0.71forr90,anditis0.60forg90, 0.53forR120,etc.ThissuggeststhatoverEastAsiaitismoreimportanttohaveadequatespatialresolutionofthe physicalanddynamicalprocessesthantopography. Lastly,theresultsindicatethatmodelresolutionsof60kmorhigherareneededtoaccuratelysimulatethedis tributionofprecipitationoverchinaandeastasia. 犓犲狔狑狅狉犱狊 EastAsianprecipitation,regionalclimatemodel,horizontalresolution,topography 1 引言全球环流模式是进行气候模拟和气候变化研究的重要工具但由于计算条件限制, 其分辨率一般较低 ( 现在水平分辨率一般在 200~500km), 从而在区域尺度的气候模拟及气候变化试验等方面产生较大偏 [1~3] 差为此人们开始提出和使用区域气候模式中国地处东亚季风区, 降水的模拟较难进行全球环流模式模拟的中国降水, 经常会在中国中西部出现一个大的虚假降水中心, 如应用很广的美国 NCAR [4,5] CCM3 模式国家气候中心 T63AGCM 等在以往工作中, 我们使用 60km 60km 分辨 [6,7] 率的 RegCM2 区域气候模式, 单向嵌套澳大利亚 CSIROR21L9 全球环流模式 ( 水平分辨率约为 5.6 经度 3.2 纬度 ) [8], 进行东亚和中国地区的气 [9~11] 候模拟和气候变化试验发现 CSIRO 模式模拟的中国降水, 同样在中国中西部出现一个大的降水中心, 但嵌套的区域模式则除了提供对模拟量更细致的空间分布描述外, 还极大地改进了对中国降水型的模拟, 消除了上述虚假降水中心, 降水大值位于中国南方, 和实况一致这种改进的原因可能有许多方面, 如物理过程不同分辨率的提高等针对其中的分辨率和地形问题, 我们使用 RegCM2 模式, 采用不同的水平分辨率和地形进行了一系列试验, 以考察它们在东亚和中国季风降水中所起的作用 2 试验设计与以往工作相同 [9~11], 采用的区域气候模式为 RegCM2, 并继续使用 CSIRO 全球模式控制试验的结果产生驱动区域模式所需的初始和边界场除分辨率以及相应的边界缓冲数目地形外, 模式的其他设置亦与以往工作相同, 其中模式覆盖范围可参阅文献 [10] 图 1, 边界缓冲区由指数松弛技术设置, 湿度方案取为显式, 陆面过程使用 BATS, 对流参数化选用 Grel 方案, 行星边界层为非局地 Ho ltslag 方案试验分为 2 组第 1 组试验的区域模式使用了

3 2 期 No.2 高学杰等 : 数值模式不同分辨率和地形对东亚降水模拟影响的试验 GAOXue Jieetal.ImpactsofHorizontalResolutionandTopographyontheNumericalSimulationof 分别为 45km 60km 90km 120km 180km 240km 和 360km 格距的水平分辨率, 地形资料由 NCAR30 的实际地形插值而来, 在下文中分别用 R45 R60 R90 R120 R180 R240 和 R360 表示第 2 组试验中模式使用的分辨率与第 1 组相同 ( 除 45km 外 ), 但地形由非常平滑的 CSIRO 模式地形插值得到, 分别用 G60 G90 G120 G180 G240 和 G360 表示图 1a b 给出 R60 G60 在中国地区的地形分布, 可以看到, 由 NCAR30 资料得来的地形比较真实, 如区域内的海岸线分布, 我国西南部的四川盆地东南部的武夷山脉东北地区的长白山脉等, 在其中都得到较详细描述, 而由 CSIRO 模式得到的 G60 的地形则过于平滑, 不能分辨这些地形特征各试验积分时间长度均为 5 年分析集中在对中国地区降水的简要分析上, 为方便起见, 与以往 [9~11] 工作相同, 将模式输出结果插值到了中国 160 观测站上 3 试验结果首先, 在图 2a 中给出中国地区多年平均降水的实况分布, 由图中可以看到, 我国的主要降水区位于长江及以南地区, 其中 1000mm 等值线基本位于长江沿线的北侧, 大陆沿海地区出现 1500mm 图 1 部分试验使用的地形分布 ( 单位 :m):(a)r60;(b)g60 R60 代表使用实际地形的 60km 分辨率的试验,G60 代表使用全球模式地形的 90km 分辨率的试验, 下文中 R90,G90 等的含义相同 Fig.1 Topographyusedforsomeoftheexperiments(units:m):(a)R60;(b)G60.R60refersto60kmresolutionexperimentusingreal topography,whileg60refersto60kmresolutionexperimentusingcsirotopography.similarforr90,g90,etc.,hereafter

4 １８８大气科学ＣｈｎＪｏｕｎｌｏｆａｍｏＳｎｐｈ３０卷Ｖｏｌ３０图２中国年平均降水单位ｍｍ实况１９６１１９９０平均ｂＲ６０的模拟Ｒ９０的模拟ｄＲ１２０的模拟Ｒ２４０的模拟ｆＧ９０的模拟Ｆ２Ａｎｎｕｌｍｎｐｏｎｎｃｈｎｕｎｍｍｏｂｖｄ１９６１１９９０ｍｎｎｄｍｕｌｄｂｙｂＲ６０Ｒ９０ｄＲ１２０ｇｐＲ２４０ｆＧ９０

5 ２期Ｎｏ２高学杰等数值模式不同分辨率和地形对东亚降水模拟影响的试验ＧＡＯＸｕＪｌＩｍｐｏｆｈｏｚｏｎｌｒｏｌｕｏｎｎｄｔｏｐｏｇｈＮｕｍｌｓｍｕｌｏｎｏｆｐｈｙｏｎ图２续Ｆ２Ｃｏｎｎｕｄｇ１８９

6 190 大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences 30 卷 Vol.30 的降水高值区 R60 模拟的中国年平均降水分布 ( 图 2b) 中, 1000mm 降水等值线北端位于长江沿线, 与实况接近, 但模式模拟的中国南部沿海降水偏少在 R90 的模拟 ( 图 2c) 中,1000mm 降水等值线的北端虽然还停留在长江沿线, 但其南端已有一定北移, 到达广东广西与福建江西湖南和贵州交界的地区另外, 从 R60 到 R90, 可以看到模式随分辨率降低, 所模拟降水的空间分布形式也趋于平滑 R120 时, 模拟的大于 1000mm 降水区的主体移到到长江中上游及以北地区, 南部沿海地区的降水量降低到 600mm 左右 ( 图 2d) 此后的 R180( 图略 ) R240( 图 2e) 和 R360 的模拟 ( 图略 ) 试验, 随着分辨率降低, 大于 1000mm 降水区的主体继续向北和向西移动, 最后到达中国中西部, 表现出与全球模式模拟的结果有很大一致性 ( 参阅文献 [4] 图 6b 文献 [5] 图 2b 文献 [9] 图 2a) 使用全球模式地形的试验结果, 图 2f 给出 G90 的例子与 R90 相比,G90 对中国降水的模拟效果要差, 一方面中国降水的空间分布过于平滑, 另一方面模拟的大于 1000mm 降水区位置较 R90 偏北, 但偏北的程度较 R120( 图 2d) 为低从这个意义上讲,G90 的模拟效果要好于 R120 为进行定量分析, 计算了各试验模拟的年平均降水与气候实况降水 (1961~1990) 空间分布的相关系数 ( 图 3a) 从图 3a 中可以看到, 随着分辨率降低, 模式对中国降水的模拟能力也整体呈下降趋势, 其中分辨率最高的 R45 的相关系数值最高, 为 0.81; 分辨率最低的 R360 的相关系数值则最低, 仅略高于 0.2( 狋检验 99% 信度 ) 同时可以看出, 在同样分辨率情况下,R 试验图 3 不同试验对中国降水模拟与实况空间分布的相关系数 ( 点虚线为狋检验达到 99% 信度 ):(a) 年平均降水 ;(b) 月平均降水 Fig.3 SpatialcorrelationcoeficientbetweensimulatedandobservedprecipitationinChina:(a)Annualmeanprecipitation;(b)monthly meanprecipitation.dot dashedlineisfor0.99significantlevel

7 2 期 No.2 高学杰等 : 数值模式不同分辨率和地形对东亚降水模拟影响的试验 GAOXue Jieetal.ImpactsofHorizontalResolutionandTopographyontheNumericalSimulationof 的模拟一般好于 G 试验, 如犆 R60 =0.78, 犆 G60 = 0.75( 犆 R60 犆 G60 及下文类似符号分别表示下标所指试验模拟的年平均降水与气候降水空间分布的相关系数 ); 犆 R90 =0.71, 犆 G90 =0.60; 犆 R120 =0.53, 犆 G120=0.45 等, 反映了实际地形的重要性注意到当分辨率降低到一定程度时,R 试验和 G 试验的地形趋于一致, 相关系数值也趋于一致另外, 从图 3a 也可以看到,G 试验中高分辨率情况下的模拟结果, 好于 R 试验中分辨率低一级的模拟结果, 如犆 G90=0.60, 而犆 R120=0.53 等图 3b 给出 CSIRO 模式和部分 R 试验模拟的各月降水与实况的相关系数可以看到, 在冬半年 1~3 月和 11~12 月, 除 R360 外, 各试验的模拟效果都较好, 相关系数值一般在 0.6~0.8 间在夏半年 4~10 月, 试验之间差别则较大, 一般说来模拟效果随分辨率降低而降低, 特别是处于季节转换期的 6 月和 9~10 月以 6 月为例, 各试验的相关系数值分别为 : 犆 R45=0.74, 犆 R60=0.72, 犆 R90= 0.61, 犆 R120=0.35, 犆 R360=0.09(GCM 的相关系数值为 0.12) 全年各月中, 东亚夏季风南退的 9 月是较难模拟的时期, 各试验中只有 R45( 犆 R60 = 0.38) 和 R60( 犆 R60=0.32) 的狋检验达到 99% 信度, 说明在中国降水模拟中, 如果各个月的模拟都要达到可信程度的话,60km 及高于 60km 的分辨率是必需的 G 试验对月降水模拟的情况类似 ( 图略 ), 相关系数值一般也是随分辨率的降低而降低, 如在 6 月份, 犆 G60=0.67, 犆 G90=0.46, 犆 G120=0.29 等与 R 试验比较, 同样发现各月在相同分辨率情况下,R 试验的模拟好于 G 试验 ; 但 G 试验高一级分辨率的模拟则好于次一级分辨率的 R 试验 4 结论和讨论使用 RegCM2 区域气候模式, 进行不同水平分辨率和地形对东亚和中国降水模拟的数值试验试验结果表明, 数值模式的水平分辨率对东亚和中国降水的模拟是非常重要的,60km 或高于 60km 的分辨率可能是很好地模拟中国降水所必需的分辨率不够时, 模式将不能很好地模拟出东亚和中国季风降水的主要特征分辨率提高对降水模拟改善的效果在冬半年不明显, 而在夏半年明显注意到中国夏半年降水在全年降水占重要地位, 在大部分地方,5~9 月的降水会占到全年降水的 60%~85% 分辨率对中国冬半年降水模拟影响不大的原因, 可能是因为这时的降水以大尺度降水为主, 从而对模式的分辨率不敏感而夏半年降水以局地对流性降水为主, 对应的天气和气候系统尺度较小, 模式在分辨率不够高的情况下, 这些较小尺度的系统不能被反映, 而导致模拟失败以影响我国长江中下游地区的梅雨为例, 许多研究表明, 虽然形成降水的梅雨锋是一个天气尺度系统, 但梅雨锋上造成暴雨的直接环流系 [12] 统却是中尺度对流系统此外, 在以往的研究中, 一般强调复杂地形对 [13] 降水模拟的重要性但我们的试验结果表明, 使用平滑地形但分辨率较高, 与使用实际地形但分辨率较低相比较, 会取得更好的模拟结果说明在东亚地区降水模拟中, 与地形相比, 模式分辨率起着至少同样重要的作用最后需要指出的是, 东亚季风是数值模式较难模拟的系统我们的工作只是使用一个模式就水平分辨率和地形作用问题进行一些初步探讨, 对其中物理机制的分析还不够深入这方面还需要更多的研究才能得到更深入和可靠的结论参考文献 ( 犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊 ) [1] GiorgiF,BatesG T.Theclimatologicalskilofaregional modelovercomplexterrain. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1989,117: 2325~2347 [2] GiorgiF.Sensitivityofsimulatedsummertimeprecipitation overthewesternunitedstatestodiferentphysicsparame terizations. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1991,119:2870~2888 [3] 赵宗慈, 罗勇. 二十世纪九十年代区域气候模拟研究进展. 气象学报,1998,56:225~246 ZhaoZongci,LuoYong.Advancesinregionalclimatemodel ingsince1990. 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪,1997,11:385~ 406 [4] 高学杰, 周广庆, 陈嘉滨. 使用气候海温的 T63/NCC 模式对北半球大气环流和中国气候的模拟. 气候与环境研究, 2003,8(3):339~347 GaoXuejie,Zhou Guangqing,ChenJiabin.Simulationof globalcirculationandclimateinchinaby T63 modelwith massconservationlaw. 犆犾犻犿犪狋犻犮犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犚犲狊犲犪狉犮犺 (inchinese),2003,8(3):339~347 [5] 高学杰, 林万涛,KucharskyF, 等. 实况海温强迫的 CCM3 模式对中国区域气候的模拟能力. 大气科学,2004,28(1): 78~90

8 192 大气科学 ChineseJournalofAtmosphericSciences 30 卷 Vol.30 GaoXuejie,LinWantao,KucharskyF,etal.Simulationof climateandshort termclimatepredictioninchinabyccm3 drivenbyobservedsst. 犆犺犻狀犲狊犲犑狅狌狉狀犪犾狅犳犃狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮犛犮犻犲狀犮犲狊 (inchinese),2004,28(1):63~76 [6] GiorgiF,MarinucciMR,BatesGT.DevelopmentofaSec ond GenerationRegionalClimateModel(RegCM2).PartI: Boundary layerandradiativetransferprocesses. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1993,121:2794~2813 [7] GiorgiF,MarinucciM R,BatesGT,etal.Developmentof asecond generation RegionalClimate Model (RegCM2). Part I:Convective processesand assimilation oflateral boundaryconditions. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1993,121:2814~ 2832 [8] GordonHB.Afluxformulationofthespectralatmospheric equationssuitableforuseinlong term climate modeling. 犕狅狀. 犠犲犪. 犚犲狏.,1981,109:56~64 [9] GaoXuejie,ZhaoZongci,DingYihui,etal.Climatechange duetogreenhouseefectsinchinaassimulatedbyaregional climatemodel. 犃犱狏. 犃狋犿狅狊. 犛犮犻.,2001,18(6):1224~ 1230 [10] GaoXuejie,ZhaoZongci,GiorgiF.Changesofextremee ventsinregionalclimatesimulationsovereastasia. 犃犱狏. 犃狋犿狅狊. 犛犮犻.,2002,19(5):927~942 [11] GaoXuejie,LuoYong,Lin Wantao,etal.Simulationof efectsoflandusechangeonclimateinchinabyaregionalcli matemodel. 犃犱狏. 犃狋犿狅狊. 犛犮犻.,2003,20(4):583~592 [12] 陶诗言. 中国之暴雨. 北京 : 科学出版社, ~121 TaoShiyan. 犎犲犪狏狔犚犪犻狀犳犪犾犻狀犆犺犻狀犪 (inchinese).beijing: SciencePress, ~121 [13] GiorgiF, Mearns L O. Approachesto regionalclimate changesimulations:areview. 犚犲狏. 犌犲狅狆犺狔狊.,1991,29: 191~216

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! # #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4 殐殐 27 1 Vol.27 No.1 2009 1 ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., 200092;2., 200092) $ %:3 J = 2J4 ',V T, _` * C?. + SU L 3 H4 E '.< 4 893?, V 9 P>?.