海气耦合模式中的,大气所在东亚地区的动力降

来源:http://www.020tL.com 作者:科技资讯 人气:51 发布时间:2019-09-22
摘要:近年来中国极端气候事件频发,对社会、经济、人类安全及生态环境造成了严重的影响。因此,研究中国极端气候事件的发生及变化规律,具有重要的意义。 动力降尺度(dynamicaldowns

近年来中国极端气候事件频发,对社会、经济、人类安全及生态环境造成了严重的影响。因此,研究中国极端气候事件的发生及变化规律,具有重要的意义。

动力降尺度(dynamical downscaling)是获取区域尺度气候变化信息的重要途径。为推动“国际耦合模式比较计划”的气候预估产品更好地服务于气候变化影响、适应和脆弱性评估以及政府决策,世界气候研究计划专门成立了“区域气候降尺度”特别工作组,发起了“国际区域气候降尺度试验”计划。CORDEX 计划制定了模式评估和气候预估的框架,旨在基于CMIP5 和CMIP6 全球模式的多模式、多情景预估结果,利用区域气候模式,通过降尺度方法获得针对全球不同地区的高分辨率区域气候变化信息。

海气耦合模式对热带降水的模拟普遍存在赤道偏少而两侧偏多的问题:赤道两侧各出现一条降水带——“双赤道辐合带”。这不仅会导致ENSO和MJO等热带气候变率的模拟偏差,还会影响中高纬环流系统及全球能量平衡,严重限制了模式模拟和预测气候变化的能力。近年来许多模式都推出了新版本,此前的研究多关注单一模式在不同发展阶段的表现,那么从整体来看,新一代模式在“双赤道辐合带”问题上有进步吗?

人为排放气溶胶与云的相互作用及其气候效应,由于其间存在复杂的非线性过程导致气溶胶间接效应的辐射强迫存在很大的不确定性,因而一直是气候变化研究的热点和难点问题之一。最近,中国科学院地球环境研究所气候与环境模拟室副研究员解小宁及其合作者在全球公用气候模式CAM5.1中发展并耦合了完整考虑云滴谱离散度的云水自动转化过程及云滴有效半径的参数化方案。该方案可以更好地描述云的辐射强迫,特别是云的短波辐射强迫。该方案可以显著改善气溶胶间接辐射强迫的模拟,有效减少气候模式估计与卫星观测到辐射强迫的差异。在全球尺度上,可使气溶胶间接辐射强迫减少0.10~0.21 W m-2,而在北半球更加显著,该变化甚至可以达到0.25~0.39 W m-2。这一新的参数化方案将有助于人们进一步减少模式的不确定性及精确评估气溶胶间接效应。

最近,中国科学院大气物理研究所博士秦佩华和研究员谢正辉基于观测的日降水资料、参与耦合模式比较计划CMIP5的多个模式结果,并利用区域气候模式RegCM4动力降尺度,研究了过去(1953-2002)中国干湿地区极端降水事件与东热带太平洋海温的关系。他们将中国多年平均降水空间分布最低30%所在格点定义为“干”地区,最高30%所在格点定义为“湿”地区。通过分析发现,在中国干地区,极端降水事件跟东热带太平洋海温呈现正的线性回归关系,即当海温正异常时,干地区极端降水事件变多;而在湿地区,不同的数据集给出不同的结论。

如图1所示,CORDEX东亚区域(简称CORDEX-EA)既包括东亚大陆,也包括西北太平洋和热带东印度洋部分海域,但是,国际和国内此前针对CORDEX-EA区域的动力降尺度试验多是基于单独的区域气候模式RCM的,多未考虑局地的海气相互作用过程。最近,中国科学院大气物理研究所副研究员邹立维等将发展的区域海气耦合模式FROALS应用于CORDEX-EA计划,利用该所全球气候系统模式FGOALS-g2的历史气候模拟试验和RCP4.5/8.5情景下的气候预估结果,分别驱动区域海气耦合模式FROALS和对应的非耦合的区域气候模式,得到了东亚区域50km分辨率的气候变化信息。基于上述试验的研究表明:

中国科学院大气物理研究所张潇潇、刘海龙和张明华分析了“国际耦合模式比较计划”第三阶段和第五阶段(CMIP3和CMIP5)的结果,发现模式误差从CMIP3延续到CMIP5,且在春季最明显:赤道海温偏冷、降水偏少、有经向风辐散,赤道以南东南太平洋海温偏暖、降水偏多、东风偏弱;CMIP5比CMIP3海温更偏暖,“双赤道辐合带”也更明显,整体看来模式改进效果不佳。

数值模拟研究还表明,人为排放气溶胶效应对东亚夏季风环流和降水的影响与东亚夏季风阶段性强弱演化的背景有关。人为排放气溶胶的直接和间接效应的共同作用通常使得中国东部地区地表温度降低,海陆热力差减小,会有效地减弱东亚夏季风。在弱夏季风阶段,由于气溶胶输送的减少及气候系统比较敏感,人为排放气溶胶对东亚夏季风环流的减弱非常明显 ,从而导致华北季风降水的显著减少。但在强夏季风阶段,人为排放气溶胶对东亚夏季风环流和降水的影响都是相对有限的。该研究首次指出不同东亚夏季风强弱背景下人为排放气溶胶对东亚夏季风影响的差异。

此外,研究人员发现未来(2032-2051)中国东南部地区湿的极端降水事件增加,而在西北干旱半干旱地区干的极端降水事件增加。通过相关性分析发现,在中国大多数流域极端降水的变化跟多年平均降水、水汽通量、垂向风速更为密切。

首先,区域海气耦合模式FROALS对亚洲夏季风平均态、年循环、季节内变率、年际变率和极端事件都有较强的模拟能力,其对大尺度季风环流的模拟性能接近CMIP5多模式集合平均结果,对区域尺度气候特征的模拟有明显“增值”(Zou and Zhou 2016a)。

若只看模拟最好的模式,从两代模式中各挑出与观测最接近的5个模式进行比较。虽然最优模式的误差比全部模式的集合平均要小得多,但误差依然明显,CMIP5最优模式和CMIP3相比仍然没有取得进步。

论文信息:

此项研究已经发表于Journal of Geophysical Research - Atmospheres

第二,在全球模式FGOALS-g2模拟结果的驱动下,非耦合区域气候模式模拟的中国东部地区低层南风偏弱、季风雨带偏南,区域海气耦合模式FROALS显著改进了这些模拟偏差,其模拟的长江流域夏季降水较之非耦合模式和全球模式更为接近观测。因此,针对CORDEX-EA的动力降尺度研究需要采用海气耦合模式(Zou et al. 2016)。

无论从整体集合平均还是从最优模式来看,新一代模式在双赤道辐合带问题上并未有所提高,CMIP5误差甚至还要更大一些。该系统性偏差仍然是耦合模式亟待解决的问题之一。

1,Xie, X. N., H. Zhang, X. D. Liu, Y. R. Peng, and G. Liu, 2017, Sensitivity study of cloud parameterizations with relative dispersion in CAM5.1: impacts on aerosol indirect effects, 17, 5877–5892, doi:10.5194/acp-17-5877-2017.

论文信息:

第三,在对未来气候变化的动力降尺度预估中,非耦合区域气候模式对近海海表面温度增温的响应过强,表现为中国南海北部的低层气旋性环流异常。而区域海气耦合模式FROALS预估的东亚夏季风环流变化与全球模式较为一致,伴随东亚夏季风的增强,长江以北降水将增加而江南华南一带降水将减少。这一结果回答了为何非耦合的RCM所预估的东亚季风及其降水变化常与全球模式不同的问题(Zou and Zhou 2016b)。

上述成果近期发表于Geophysical Research Letters

2, Xie, X. N., H. Wang, X. D. Liu, J. D. Li, Z. S. Wang, and Y. Liu, 2016, 云顶集团网站 ,Distinct effects of anthropogenic aerosols on the East Asian summer monsoon between multidecadal strong and weak monsoon stages, J. Geophys. Res. Atmos., 121, 7026–7040, doi:10.1002/2015JD024228.

Qin, P., and Z. Xie , Detecting changes in future precipitation extremes over eight river basins in China using RegCM4 downscaling, J. Geophys. Res. Atmos., 121, doi:10.1002/2016JD024776.

综上所述,系列研究成果表明,针对东亚地区的动力降尺度模拟和预估应当考虑局地海气相互作用过程,区域海气耦合模式FROALS是东亚地区气候变化动力降尺度的有效工具。

论文信息:Xiaoxiao Zhang, Hailong Liu, Minghua Zhang,2015: Double ITCZ in Coupled Ocean-Atmosphere Models: From CMIP3 to CMIP5,Geophys. Res. Lett., DOI: 10.1002/2015GL065973.

论文链接:1 2

Qin, P., and Z. Xie , Precipitation extremes in the dry and wet regions of China and their connections with the sea surface temperature in the eastern tropical Pacific Ocean, J. Geophys. Res. Atmos., 122, doi:10.1002/2016JD026242.

上述研究成果,将于2016年分三篇文章刊登在Climate DynamicsJournal of Geophysical Research-Atmosphere 杂志。

文章链接

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论文链接:1 2

Zou, L., T. Zhou, 2016a: A regional ocean-atmosphere coupled model developed for CORDEX East Asia: assessment of Asian summer monsoon simulation. Clim. Dyn., doi:10.1007/s00382-016-3032-8.

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图1 完整考虑云滴谱离散度ε的云滴有效半径Rg 及云水自动转化过程的参数化方案PN 和 PL。

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Zou, L., T. Zhou, and D. Peng, 2016: Dynamical downscaling of historical climate over CORDEX East Asia domain: A comparison of regional ocean-atmosphere coupled model to stand-alone RCM simulations. J. Geophys. Res. Atmos., 121, 1442-1458, doi: 10.1002/2015JD023912.

1979-2005年3月 观测的海表温度 观测的降水; 观测的纬向风; 观测的经向风 --,但为CMIP3多模式集合平均; 同,但为CMIP5多模式集合平均。

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图1. 中国极端降水事件空间分布,观测结果(图a, e, i, b, f, j), CMIP5模式结果 及区域气候模式结果,其中红色为“干”地区,蓝色为“湿”地区。

Zou, L., T. Zhou, 2016b: Future summer precipitation changes over CORDEX East Asia domain downscaled by a regional ocean-atmosphere coupled model: A comparison to the stand-alone RCM. J. Geophys. Res. Atmos., 121, 2691-2701, doi: 10.1002/2015JD024519.

图2 在 夏季风强阶段和 夏季风弱阶段,人为排放气溶胶对850 hPa 风场的影响。红色阴影区域表示通过95%的显著性检验。

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图2. 中国干、湿区域标准化的极端降水指标(R95p, Rx5day, 及SDII)与东热带太平洋海温的关系。极端降水指标基于2套观测日降水数据, 17个CMIP5模式结果,及9个RCM动力降尺度结果。

图1 CORDEX东亚区域及地形、区域海气耦合模式FROALS框架

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图3. 中国八大流域未来(2032-2051)极端降水指标(R95p, Rx5day, CWD, CDD, SDII, and R20mm) 与季节/年平均气候变量(降水、水汽量、垂直风速、850 hPa位势高度及2米温度)相关系数。

图2 观测和FROALS模式模拟的亚洲地区1989-2010年夏季平均降水和850hPa风场

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图3 观测和模拟的1981-2005年东亚陆地夏季降水观测资料APHRO;全球模式FGOALS模拟;非耦合区域气候模式模拟;区域海气耦合模式模拟

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图4 全球模式FGOALS-g2 、非耦合区域模式RegCM3、区域海气耦合模式FROALS预估的RCP8.5情景下2051-2070年夏季东亚陆地总降水(PRCPTOT,第一行)和极端降水变化

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