变网格模式LMDZ对1998年夏季东亚季节内振荡的模拟

孙丹 周天军 刘景卫 薛峰

1 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,北京 100029

2 中国科学院研究生院,北京 100049

变网格模式LMDZ对1998年夏季东亚季节内振荡的模拟

孙丹1,2周天军1刘景卫1,2薛峰1

1 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,北京 100029

2 中国科学院研究生院,北京 100049

本文利用法国国家科研中心 (CNRS)动力气象实验室 (LMD)发展的变网格大气环流模式LMDZ4,对1998年夏季东亚季节内振荡 (ISO)现象进行了模拟研究。分析表明,该模式能准确模拟出1998年夏季东亚地区ISO的准周期信号,并能较好地再现30～60天振荡经向上北传、纬向上西传的传播特征,对ISO动能强度的模拟在低纬地区稍强,中纬地区较弱。模式能再现降水季节内振荡的主周期,但仍存在一定的偏差。观测资料表明,东亚降水30～60天振荡在北传过程中,大约在15°N、27°N以及37°N附近会出现明显的高值中心,分别对应我国东部地区三条雨带。模式能再现其北传特征,但30°N以南地区模拟偏弱,30°N以北地区偏强,导致 ISO高值中心分布在30°N以北。这可能是由于对降水强度和雨带位置的模拟偏北有关。

变网格模式LMDZ 东亚 季节内振荡 降水

1 引言

大气季节内振荡 (Intraseasonal Oscillation,简称ISO)是大气环流的重要模态,自从20世纪70年代初,Madden and Julian(1971,1972)首先在热带地区发现存在显著的40～50天周期振荡之后,大气季节内振荡就一直是气候学家关注的问题。最初的研究集中在热带地区,但随后发现东亚季风区也存在显著的ISO变率,且表现出10～30天和30～60天两个主要周期 (Lau et al.,1988;Chen et al.,2000)。与热带ISO纬向上以东传为主不同,该地区ISO多表现出西传特征。经向上传播则在30°N以南从赤道向北、30°N以北向南传播(Chen and Xie,1988;Huang,1994;李崇银等,2003;Hsu et al.,2004)。

大气季节内振荡活动复杂,具有较强的区域性特征。作为连接天气变化与年际变化的重要纽带,数值模式对ISO模拟能力如何,直接影响短期气候预测能力。因此,ISO的数值模拟将是一个国际热点话题。对大气环流模式比较计划 (AMIP)结果的分析表明,仅少数模式能较好地模拟出热带大气ISO(Slingo et al.,1996),再现其斜压结构以及印度洋地区对流异常在季节内时间尺度上的发生发展和衰减 (Sperber et al.,1997)。具体对比四个大气环流模式和耦合的大气海洋环流模式结果,虽然都能再现低层纬向风中MJO(Madden-Julian Oscillation)的东传,但在东太平洋偏强、印度洋偏弱(Zhang et al.,2006)。国内中国科学院大气物理研究所的IAP GCM被较早用于大气低频振荡现象的模拟研究 (薛峰等,1996),该模式能合理再现低频振荡的地理分布、垂直结构和传播过程的主要特征。气候模式近年来取得了快速发展,对 IAP/LASG大气环流谱模式SAM IL模拟的MJO进行分析表明,该模式在热带地区可以模拟出明显的MJO准周期信号以及基本传播特征,并且模拟的MJO强度较许多大气模式有显著提高 (贾小龙和李崇银,2004,2007a)。造成 ISO模拟偏差的原因很多,包括对流参数化方案的影响 (Maloney and Hartman,2001;Liu et al.,2005;Zhang and Mu,2005;贾小龙和李崇银,2007b)、模式分辨率的影响 (Inness et al.,2001;Jia et al.2008)、平均气候态背景场的作用 (Inness et al.,2003;Zhang,2005;Yang et al.,2009)、海气相互作用 (Kemball-Cook et al.,2002;Zheng et al.,2004;Sperber et al.,2005)等。

此前关于ISO的数值模拟研究多使用全球模式,但对局部地区ISO的模拟仍存在很大的问题(Lin et al.,2008)。ISO具有显著的地域性特征,区域气候模式 (RCM)分辨率相对较高,对区域地形、海陆分布、陆面过程等的刻画更为细致 (Dickinson et al.,1989;Giorgi,1990),使用区域气候模式来研究ISO区域变化特征,或许具有一定优势。例如,有研究表明RegCM 3模式对东亚降水低频振荡具有较强模拟能力 (胡轶佳等,2008a,2008b)。迄今为止,利用区域气候模式研究ISO的工作相对较少,多是在模拟季风的讨论中略有涉及 (Ding et al.,2006),并且区域耦合模式对 ISO的模拟效果更好 (Ratanam et al.,2009)。东亚季风区夏季ISO的活动对降水有着重要影响,从赤道北传的ISO与中高纬南传的ISO在长江中下游地区汇合,易造成该地区降水偏多 (Yang and Li,2003;琚建华等,2007,2008)。为理解这一过程,有必要利用区域气候模式进行模拟研究。

除RCM外,变网格模式是进行区域气候模拟的另一种重要工具。法国国家科研中心 (CNRS)动力气象实验室 (LMD)发展的可变网格的格点大气环流模式LMDZ(Hourdin et al.,2006)在欧洲、非洲以及东亚等地都得到了应用 (Krinner and Genthon,1998;Zhou and Li,2002;Sepulchre et al.,2006;Xin et al.,2008;Zou et al.,2010),但尚未有利用该模式进行ISO模拟的研究。1998年长江流域出现20世纪第三次持续性严重洪涝灾害,梅雨期期间呈现典型的“二度梅”形势,有迹象表明大气季节内振荡是影响强降水的重要过程 (陶诗言等,1998;徐国强等,2004)。因此,1998年夏季东亚ISO活动可以作为数值模拟研究的最佳个例。本文的目的是利用LMDZ模式模拟1998年夏季东亚地区大气季节内振荡,分析风场ISO模拟效果及与降水季节内振荡之间的联系,探讨变网格模式对东亚地区ISO的模拟能力。

2 模式、资料和分析介绍

本文使用的模式是法国动力气象实验室(LMD)发展的一个具有可变网格特征的大气环流模式LMDZ(Sadourny and Laval,1984;Li,1999;Zhou and Li,2002)。该模式经纬向均可伸缩,可用于区域加密。在加密区外利用再分析资料强迫,能进行区域气候模拟。本文使用的是最新版本LMDZ 4.0(Hourdin et al.,2006),以下简称LMDZ。

LMDZ 4.0标准版本中全球经纬向网格数为96×71。为了提高模式对东亚复杂地形的刻画能力,本文提高了模式水平分辨率,将经纬向网格数增加为200×100,使得东亚加密区的水平分辨率为0.36°(经度) ×0.36°(纬度)(约为 37 km),模式中心点为 (30°N,110°E),加密区范围 (13.8°N～46.2°N,83°E～137°E),覆盖了东亚大部分地区 ,垂直方向19层。为保证环流模拟的有效性,在模式加密区内,预报场每10天向再分析资料恢复一次,加密区外半小时恢复一次。模式主要物理过程包括修正后的欧洲中心中尺度天气预报 (ECMWF)辐射方案 (Fouquart and Bonnel,1980;Morcrette et al.,1986)、Emanuel积云对流参数化方案 (Emanuel,1993)、ORCH IDEE地表动态植被模式 (de Rosnay et al.,2002;Krinner et al.,2005)等。

模式使用的强迫场为NCEP/DOE(R2)逐6小时再分析资料 (以下简称NCEP2)(Kanamitsu et al.,2002),包括速度 (u和v)、温度和比湿。原始资料水平分辨率为2.5°(经度)×2.5°(纬度),垂直方向17层,本文利用双线性插值方法将其插值到模式网格。下边界强迫场为AMIP II提供的气候态海表温度和海冰 (Hurrell et al.,2008)。模式积分时间段为1998年5月1日～8月31日。

为验证模拟结果,本文用到的观测资料除NCEP/DOE R2外,还包括 GPCP(Global Precipitation Climatology Project)逐日降水资料 (Huffman et al,2001)。

为了提取 ISO的活动特征,本文使用Butterwo rth函数对风场、降水等变量进行30～60天带通滤波 (李崇银,1993);使用经过带通滤波后的u和v计算季节内振荡动能,以此考察ISO强度 (贾小龙和李崇银,2004)。

图 1 沿 (15°N～45°N,105°E～122.5°E) 区域平均 850 hPa纬向风小波系数模值的时间尺度分布Fig.1 The timescale spectrum of the time mean modules of wavelet transforms for 850-hPa zonal wind averaged over(15°N-45°N,105°E-122.5°E)

3 结果分析

东亚地区夏季存在较强的30～60天季节内振荡,并且在我国东部地区低频波的变化与雨带位置相对应。下文以NCEP2和 GPCP降水资料作为对比,探讨LMDZ模式对ISO周期特征的模拟,分析1998年夏季 (5～8月)30～60天季节内振荡的传播特征和强度,最后考察模式对降水季节内振荡的模拟效果。

3.1 东亚地区ISO的周期和传播特征

将1998年5～8月NCEP2资料和LMDZ模拟的850 hPa纬向风作小波分析 (尤卫红,1998),结果如图1所示。可见,NCEP2表现出9天、13天、24天以及45天的峰值振荡周期,LMDZ模拟结果与之基本一致,表明该模式对东亚ISO具有较强的模拟能力。此外,功率谱分析亦表明NCEP2资料和LMDZ模拟结果都存在明显的30～60天振荡周期 (图略),这是进一步讨论30～60天季节内振荡模拟效果的基础。

ISO的传播可分为经向传播和纬向传播。首先考察东亚地区夏季ISO的经向传播特征,图2为30～60天带通滤波后850 hPa纬向风沿105°E～122.5°E平均的纬度—时间剖面图。在NCEP2中,ISO表现出明显的向北传播。5月上旬15°N附近出现ISO低值区,从下旬开始转为高值区并向北传;6月中旬传到25°N,并出现一高值中心,随后继续北传,于7月上旬末到达35°N,其北界位置可达38°N,这次由南向北的传播时间约为55天。在这次中心值为正值的ISO向北传播的同时,6月中旬在15°N附近又出现一中心值为负值的 ISO活动,于7月上旬北传到26°N(图2a)。LMDZ模式能很好地模拟出这一北传特征,传播周期与观测基本吻合,但在强度以及大值中心位置上有所差异(图2b)。在NCEP2资料中,ISO正值区6月中旬在25°N以南出现高值中心,表明 ISO强度在该区域有所增强,但这一过程在模拟结果中不明显,其中心位置位于25°N以北。7月1日出现在33°N的高值中心得到合理模拟,但强度较之再分析资料偏强。类似的情况出现在6月中旬 ISO负值北传过程的模拟中。

东亚ISO的纬向传播以西传为主,同时也伴有东传现象。再分析资料中,从经度—时间剖面图(图3a)上看,从5月20日开始,85°E和135°E地区的ISO正值区分别向东、向西传播,向西传播的ISO强于向东传播的ISO。当西传的ISO正值中心于6月16日到达115°E～120°E时,正好对应图2a中25°N附近ISO的增强。模拟结果中 (图3b),该中心出现的位置和时间同NCEP2资料相吻合,但强度偏弱,这与图2的分析一致。

总体来说,LMDZ模式能较好地模拟东亚地区ISO活动,其对 ISO中心位置和强度的模拟有偏差,但具体传播路径和周期与再分析资料一致。

3.2 ISO的强度

许多大气模式对ISO强度的模拟都存在不足(Slingo et al.,1996)。为检验LMDZ的能力,图4分别给出NCEP2资料和LMDZ模拟的整个东亚地区及其不同纬度带平均的850 hPa动能变化。从区域平均来看 (图4a),模式模拟的动能波动趋势与再分析资料基本一致,但强度有所差异,模式结果在7月之前偏弱,7月之后偏强。进一步根据图2中ISO大值中心的位置,将该区域划分为三个纬度带 (图4b-d),可以发现,不同纬度带模拟的 ISO强度随时间变化的差异不同。在15°N～30°N之间,模拟的ISO强度较之NCEP2资料偏强,且偏强幅度在6月之后更大。在30°N～40°N之间,7月之前的波动趋势有些微差异,模拟结果偏弱,7月之后波动趋势一致,模拟结果明显偏强。40°N～45°N纬度带的情况相反,模式模拟的动能强度在7月之前偏弱,7月之后与NCEP2资料相差不大。因此,对整个区域平均动能的模拟而言,波动趋势与再分析资料基本一致,强度上的偏差在7月之前主要是因为中纬度地区的模拟偏弱,7月之后则与低纬地区的模拟偏强有关。

3.3 东亚地区降水ISO特征分析

在我国东部地区,ISO低频波的变化与我国夏季雨带相对应,当长江中下游地区出现强的ISO活动年时易发生洪涝 (琚建华等,2005;韩荣青等,2006)。因此,下文主要考察对降水30～60天季节内振荡的模拟情况。

首先,对1998年5～8月 GPCP降水和LMDZ模拟的降水作小波分析,得到降水变化的主要特征时间尺度 (图5)。GPCP资料的周期为5～10天、15～20天以及30～45天,模拟结果则主要为15～20天和35～45天两个峰值,5～10天周期特征不显著。此外,GPCP降水的功率谱分析虽然存在30～60天振荡周期,但未通过显著性检验,LMDZ的模拟结果对30～60天振荡周期的表现更明显 (图略)。

对降水资料进行30～60天滤波后,沿105°E～122.5°E平均得到纬度—时间剖面图 (图 6)。GPCP资料中 (图6a)降水逐渐向北移动。5月20日在15°N附近出现正值区,20天后北传至25°N～30°N,在此出现高值中心后继续向北,于7月5日到达35°N～40°N。模拟结果中,在 27°N 以南,北传特征不明显;在27°N以北,北传特征显著。在北传过程中,GPCP资料两个高值中心位置主要位于 25°N～30°N 和 35°N～40°N,而模式模拟的多个高值中心分布在30°N以北。因此,模拟的降水ISO在27°N以南偏弱、以北偏强。

图2 1998年夏季 (5～8月)30～60天带通滤波的850 hPa纬向风沿105°E～122.5°E的纬度—时间剖面图 (单位:m/s):(a)NCEP2资料;(b)LMDZ模拟Fig.2 Latitude-time section of 850-hPa zonal wind averaged between 105°E-122.5°E after 30-60 day band-pass filtering in the summer(MJJA)of 1998:(a)NCEP2 data;(b)LMDZ simulation

图3 同图2,但为沿25°N的经度-时间剖面图Fig.3 Same as Fig.2,but for the longitude-time section along 25°N

图 4 30～60 天带通滤波后沿 105°E～122.5°E 平均的 850 hPa动能随时间变化 (单位:kg·m2·s-2):(a)15°N～45°N;(b)15°N～30°N;(c)30°N～40°N;(d)40°N～45°NFig.4 Time series of kinetic energy averaged between 105°E-122.5°E at 850 hPa after 30-60 day band-pass filtering:(a)15 °N-45°N;(b)15 °N-30°N;(c)30 °N-40°N;(d)40 °N-45°N

图5 同图1,但为降水Fig.5 Same as Fig.1,but for the precipitation

为了检查与低频降水对应的垂直环流结构,选取图6a中25°N～30°N之间低频降水出现大值中心的时间6月11～20日,给出该时间段平均的各物理量纬度—高度剖面图。再分析资料的低频纬向风垂直剖面图中 (图7a),低频西风呈倾斜结构,低层最大风速中心位于700 hPa,高层位于150 hPa。在18°N附近低层低频东风向西风转换,27°N附近低频西风向东风转换。最大上升区和下沉区分别位于18°N和27°N,且整层表现出一致的上升或下沉运动 (图7b)。低频散度场也与垂直速度相对应,在上升区低层辐合,高层辐散,散度中心低层位于925 hPa,高层位于150 hPa(图7c)。

在模拟结果中 (图7d-f),高低层低频纬向风的倾斜特征以及风速中心与再分析资料一致。但低层低频东西风转换位置位于30°N,较之NCEP2资料偏北3个纬度。相应地,垂直上升区中心位置偏北、强度偏强,18°N附近的下沉运动未能体现,而30°N地区的垂直上升运动则偏强。低频散度中心位置和强度也偏北偏强,高层散度中心大约位于250 hPa。

图6 同图2,但为降水 (单位:mm/d):(a)GPCP资料;(b)LMDZ模拟Fig.6 Same as Fig.2,but for the precipitation:(a)GPCP data;(b)LMDZ simulation

图7 1998年6月11～20日30～60天带通滤波的纬向风 (a、d)、垂直速度 (b、e)、散度 (c、f)沿105°E～122.5°E平均的纬度—高度剖面图:(a-c)NCEP2资料;(d-f)LMDZ模拟Fig.7 Latitude-height sections of 30-60 day filtered(a,d)zonal wind,(b,e)vertical velocity,and(c,f)divergence averaged between 11-20 Jun 1998:(a-c)NCEP2 data;(d-f)LMDZ simulation

在长江中下游地区,降水相对集中的时段对应ISO较强的波峰值 (琚建华等,2005,2007)。为了探讨ISO与我国东部地区降水之间的关系,将东部地区划分为三个区域,分别代表华南 (20°N～26°N,105°E～122.5°E)、长江中下游地区 (26°N～32°N,105°E～122.5°E) 和华北 (32°N～40°N,105°E～122.5°E)。图8给出1998年5～8月 ISO活动与各个区域平均降水随时间的演变图,针对ISO波动特征的模拟,对华南地区模拟的时间变化和强度都接近再分析资料;在长江中下游地区,7月中旬之前,模拟的ISO波峰波谷与NCEP2资料基本一致,但强度偏强,7月中旬之后,模拟的ISO波峰超前于NCEP2资料;对华北地区模拟的ISO时间变化接近实际,只是在强度上略有不同。

图8 1998年夏季5～8月850 hPa纬向风30～60天滤波曲线 (实线)和区域平均降水逐日演变图 (直方图):(a)华南地区;(b)长江中下游地区;(c)华北地区Fig.8 Time seriesof 30-60 day band-pass filtered 850-hPa zonal wind(solid lines)and mean rainfall(histogram)in summer(MJJA)in 1998:(a)South China;(b)themiddle to lower reachesof the Yangtze River;(c)North China

除华南地区外,长江中下游和华北地区降水比较集中的阶段,正好对应着ISO波动峰值。长江中下游地区主要出现在6月12～28日和7月20～30日,为该地区的“二度梅”形势,而两段集中降水时段的间歇期则对应着ISO波谷。模式基本能合理再现这一特征,但模拟的第一次梅雨过程开始时间比 GPCP降水资料偏早,模拟的第二次梅雨过程强度偏弱。在华北地区,7月5～18日和8月1～15日ISO波峰与降水集中期基本对应,模拟的第一阶段降水接近实况,但后期降水明显偏强。

图9 1998年夏季5～8月平均降水 (彩色)与850 hPa风场分布(矢量):(a)NCEP2资料;(b)LMDZ模拟;(c)模拟结果与观测的差值Fig.9 The summer(MJJA)mean precipitation(shaded)and 850-hPa wind field(vector)in 1998:(a)NCEP2 data;(b)LMDZ simulation;(c)difference between the simulation and observation

利用LMDZ对东亚夏季降水年际变率进行的模拟研究表明 (Zou et al.,2010),由于低层西南风和水汽偏强,无论是降水的气候平均态,还是主模态,LMDZ模拟的雨带位置与观测相比都偏北。为检查降水ISO模拟的偏差是否也与此有关,图9将1998年5～8月平均降水和850 hPa风场与模式结果进行比较。在 GPCP资料中,降水主要集中在华南、长江中下游以南地区,华北降水偏少,大致以30°N为界,呈现“南多北少”分布型。从850 hPa风场来看,整个东亚都为西南风控制,但由南至北风速逐渐减弱。模式基本能模拟出降水及风场的分布形势,但中心位置及强度有所差异,主要表现在:华南地区降水中心偏东、强度偏强;长江中下游地区雨带位置偏北,集中在30°N以北的江淮流域,30°N以南降水偏少;华北地区降水偏多。另外,模式模拟的东亚地区西南风强度较再分析资料偏强,这一特征在差值场 (图9c)中表现更为明显,特别是30°N以北降水偏多的区域西南风仍然偏强。因此,模式对降水和环流场平均态的模拟偏差,直接影响到对ISO的模拟效果。

4 总结

本文利用变网格模式LMDZ,针对1998年夏季东亚地区30～60天季节内振荡进行模拟研究,讨论变网格模式在东亚ISO研究中的适用性,以及影响模拟偏差的原因。主要结论如下:

(1)再分析资料表明,1998年夏季东亚地区ISO表现出9天、13天、24天和45天的峰值振荡周期,其传播特征主要为经向上北传和纬向上西传。LMDZ能较好地再现ISO振荡周期以及传播的周期和路径,但传播过程中出现的大值中心位置和强度略有偏差,25°N大值中心较之再分析资料偏北、偏弱,33°N大值中心则偏强。

(2)模式模拟的东部地区ISO动能波动趋势与再分析资料较为一致,但强度在7月之前偏弱、7月之后偏强。对不同纬度带的分析表明,7月之前主要是因为中纬度地区的模拟偏弱,7月之后则与低纬地区的模拟偏强有关。

(3)GPCP资料表明1998年夏季东亚降水周期存在三个峰值,模式仅能模拟出15～20天和35～45天两个峰值,5～10天周期特征不明显。模式模拟的27°N以南降水30～60天振荡北传特征不明显,27°N以北较为显著,但出现多个高值中心,比GPCP资料高值中心位置偏北。对应的垂直上升运动也较之再分析资料偏北偏强。这主要是因为模式模拟的我国东部地区雨带位置偏北,华南降水偏弱、华北降水偏强,因此模式对降水ISO的模拟能力与对降水平均态模拟的能力有关。

需要指出的是,纬向风和降水都可以作为表征ISO的变量,已有研究表明无论是在观测还是模式中,使用低层平均西风能更好地刻画 ISO(Inness et al.,2003;Zhang and Dong,2004)。但对于模式而言,使用不同变量衡量ISO的模拟性能,其结果不同。LMDZ模式对环流场的模拟优于降水,本文同时采用纬向风和降水进行比较,目的在于说明平均态模拟的好坏是决定ISO模拟的重要因素之一。另外,本文只采用1998年作为个例分析,LMDZ模式对ISO气候态的模拟效果怎样,改善模式对降水位置的模拟偏差能否提高降水ISO的模拟等,都是未来亟待展开的研究工作。

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Simulation of the East Asian In traseasonal Oscillation in 1998 with the Variable-Resolution Model LMDZ

SUN Dan1,2,ZHOU Tianjun1,L IU Jingwei1,2,and XUE Feng1

1StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics(LASG),Institute ofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049

The East Asian intraseasonal oscillation(ISO,30-60 day)in the summer of 1998 is simulated by using a variable-resolution atmospheric general circulationmodel LMDZ4 developed by the French National Center for Scientific Research(CNRS)Labo ratoire de Météorologie Dynamique(LMD).

Themodel can simulate the evident periodic signal of intraseasonal oscillation in East Asia in the summer of 1998,and the basic propagating features including the meridional no rthward propagation and zonal westward propagation.The simulation of the ISO kinetic energy strength is strong in low latitude region but weak in middle latitude region.In addition,the model can rep roduce the dominant scale of the precipitation intraseasonal oscillation al-though with some deviations.The observation results show that there are three precipitation centers at about 15°N,27°N,and 37°Nin the course of northward propagating,co rresponding to the three rain belts.But the simulations are weak to the south of 30°Nand strong in the north area,w hich causes the distributionsof ISO high value centers to the no rth of 30°N.The reason of this deviation may be related to the simulation of the precipitation strength and rain belt location.

variable-resolution model,LMDZ,East A sia,intraseasonal oscillation,p recipitation

1006-9895(2011)05-0885-12

P462

A

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2010-10-19,2011-04-28收修定稿

国家自然科学基金资助项目40890054,国家重点基础研究专项经费2010CB951904,国家科技支撑计划项目2007BAC29B03,中国科学院知识创新工程重要方向项目KZCX2-YW-Q11-04

孙丹,女,1982年出生,博士研究生,主要从事季节内振荡和东亚季风变率的分析及数值模拟研究。E-mail:sundan@lasg.iap.ac.cn