华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

闫冠华,李泽椿

(1.中国气象局 气象干部培训学院,北京 100081;2.南京信息工程大学,江苏 南京 210044;3.国家气象中心,北京 100081)

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

闫冠华1,2,李泽椿3

(1.中国气象局 气象干部培训学院,北京 100081;2.南京信息工程大学,江苏 南京 210044;3.国家气象中心,北京 100081)

利用高分辨率区域气候模式RegCM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。

华北地区;夏季降水;数值模拟;RegCM3

0 引言

华北地区地处温带半干旱、半湿润大陆性季风气候区,降水主要集中在夏季,夏季降水的多少直接决定了华北地区的水资源和旱涝状况。受全球气候变化、高强度人类活动和生态环境恶化的影响,在气候变暖的背景下,华北地区降水呈减少趋势,特别是从1965年以来持续减少;在降水减少的同时,陆面蒸发呈增加趋势。降水减少和陆面蒸发增加,导致近年来华北地区的水资源呈减少趋势,特别是1967年以后迅速减少(马晓波,1999),水资源短缺问题日益严重,已经成为制约该地区社会和经济可持续发展的关键因素。华北地区少大江大河,水资源主要通过水库蓄水提供,天然降水是该地区水资源的主要来源。因此研究华北地区水资源问题应该从气候变化和降水异常着手,对气候异常变化进行预测,对水资源变化进行估算,为工农业生产、节约计划用水提供科学依据(吕世华和陈玉春,1999)。近年来科学家对于华北地区气候特征及其变化进行了大量的研究,分析了华北地区不同时空尺度降水变化特征、趋势及可能原因(范广洲和吕世华,1999;韦志刚等,1999;徐桂玉等,2005;高庆九等,2006;郝立生和陆维松,2006;张楠等,2009;周连童,2009;郝立生等,2010;孙燕等,2010;刘海文和丁一汇,2011),研究表明华北地区降水具有显著的年代际变化特征(陈烈庭,1999;张庆云,1999;张庆云等,2003;周连童,2009;刘海文和丁一汇,2011),地形对华北地区夏季降水具有重要的影响(范广洲和吕世华,1999)。还有一些研究针对华北地区夏季暴雨特征进行了分型及个例分析(边清河等,2005;孙建华等,2005)。这些研究都体现了华北地区夏季降水独特的地域性特征。

数值模式作为天气气候研究的重要工具之一,在近二十年来得到了广泛使用。特别是19世纪80年代后期的区域气候模式(RegCM),具有较高的时空分辨率,能够对多种不同尺度之间的相互作用进行更好地模拟,模式对地形的描述比较细致,且包含较全面的物理过程,因而能够更好地刻画出具有特殊地形和陆面特征的区域气候特征。作为区域气候模式的一个典型代表,美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)的RegCM2模式在美国、欧洲地区、非洲、澳大利亚、东亚—西太平洋地区的气候模拟研究中取得显著成效(Giorgi et al.,1993a,1993b)。“九五”期间由国家气候中心在RegCM2的版本上针对东亚地区气候特征发展的BCC-RegCM,在东亚区域气候模拟及短期气候预测上发挥了重要作用(丁一汇等,2000;史学丽等,2001;liu and Ding,2002)。2003年以来,由国际理论物理研究中心(The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics,ICTP)在RegCM2的基础上发展改进的RegCM3在东亚地区区域气候研究中也得到了广泛的应用(刘晓东等,2005;周建玮和王咏青,2007;石英和高学杰,2008),这些研究表明,RegCM3能较成功地再现异常降水的月际尺度变化和空间分布等基本特征,模式还较好地模拟了西太平洋副高脊线的演变过程和两次向北传播的季节内振荡。

本文选取1991—2002年为研究时段,考察RegCM3对华北地区夏季降水的模拟能力,不仅考察模式对于华北地区夏季降水平均气候态的模拟能力,更要考察模式对该区夏季降水年际变化、季节差异以及日变化的模拟能力,为未来利用RegCM3进行华北地区降水预测及其机理分析提供科学依据。

1 模式、试验方案及资料简介

意大利国际理论物理中心发展的区域气候模式RegCM3(http://www.ictp.it/pubregcm),采用MM5的动力框架,垂直方向为σ坐标,水平方向采用“Araka2wa B”交错网格。模式的主要物理过程包括辐射方案、陆面过程、行星边界层方案、积云对流降水方案、大尺度降水方案和气压梯度方案。RegCM3中有6种侧边界处理方案可供选择。气压梯度方案可以选择正常方式或静力平衡扣除方式。较之以往版本,RegCM3在物理过程等多方面有了许多改进,如增加了辐射传输方案NCAR CCM3,改进了云和降水的物理过程,引入次网格显式湿度方案(SUBEX),新增了Emanual积云对流方案。增加了新的海洋表面通量参数化过程,模式地形更加精细化,同时在计算方面采用并行算法,极大地提高了计算效率。

研究中使用欧洲中期数值天气预报中心(ECMWF)的一日四次再分析资料(ERA40)以及美国海洋大气局(NOAA)的OI.v2周海温资料。对区域气候模式中参数化方案的选择和模拟区域的选取进行了调试,确定了适用于华北地区的模式方案,其中辐射传输采用NCAR CCM3 方案、陆面过程使用BATS1e(生物圈—大气圈传输方案)、行星边界层方案使用Holtslag方案、积云对流参数化方案选择Kuo方案,边界条件采用了指数松驰边界。

区域气候模式的模拟区域和分辨率的选取非常重要,试验中分别选择了60、45、30、20 km等不同分辨率及不同模拟范围进行试验,通过比较,最终确定模式中心点位于(116°E,38°N),水平分辨率为20 km,南北方向65个格点,东西方向85个格点,覆盖了整个华北及周边地区(图1)。

模拟试验主要考察模式对华北地区夏季降水的模拟性能,选择1991—2002年夏季(6—8月)为研究时段,模式运行从每年5月1日到8月31日,5月1—31日为模式spin up时间,仅分析6月1日—8月31日的模拟结果。

图1 华北地区地形分布及区域气候模式的模拟区域Fig.1 The topography over North China and the model domain

检验模拟结果采用的观测资料为中国743站台站观测的逐日降水和气温资料。

2 模拟结果分析

2.1 平均场模拟

图2 观测(a—d)和模拟(e—h)的华北地区降水(单位:mm) a,e.夏季平均;b,f.6月;c,g.7月;d,h.8月;i,j,k,l.模式和观测的差值Fig.2 Summer mean and monthly rainfall over North China from (a—d)observations and (e—h)simulations(units:mm) a,e.summer average;b,f.in June;c,g.in July;d,h.in August;i,j,k,l.differences between observations and simulations

图2给出了1991—2002年夏季平均(6—8月)及6、7、8逐月降水空间分布的观测、模拟以及模拟和观测的差值场。从整个模拟区域来看,夏季平均降水量的模拟在河套地区及黄河以南地区接近观测,在黄河以北地区模拟的降水量偏多,特别是沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。仅从华北地区来看,山西、河北、内蒙南部地区降水量与实况接近,北京、天津模拟的降水量比观测偏多。从模拟和观测的差值场来看(图2i),模拟误差最大的区域与太行山脉地形走向一致,这一系统性误差很可能是地形引起的虚假性降水。在进行东亚地区气候模拟的研究中,地形导致的模式虚假降水在以往的研究中均有明显体现,特别是青藏高原地形西南侧的模式虚假降水(李巧萍和丁一汇,2004;刘晓东等,2005;张冬峰等,2005;石英和高学杰,2008)。以往的研究也发现RegCM2对于华北地区降水的模拟值偏高这一系统性误差(李巧萍和丁一汇,2004)。从逐月的模拟情况来看,6月的模拟误差最小,7月最大。7月模拟的华北地区降水除山西北、中部地区接近观测外,其余地区降水量均明显高于观测值,在山西南部地区有一个5 mm的误差中心(图2k)。本文也计算了模拟与观测的均方根误差(图略),结果显示均方根误差的大值中心与图2中的差值中心一致,呈东北—西南走向,中心最大值达到8 mm。在对东亚夏季的十年气候模拟研究中认为,模式基本能够反映东亚夏季主要气候系统的特征,但模拟的西太平洋副高偏强,使得季风雨带向北偏移2～3个纬度(Lee and Suh,2000)。李巧萍和丁一汇(2004)探讨了区域气候模式对东亚夏季降水模拟中雨带偏北的原因,发现模拟的气温场在夏季对流层中、低层海洋偏暖、陆地偏冷,由于温度场的这种系统性误差加大了夏季海、陆温差,导致模拟的东亚夏季风偏强,使夏季雨带位置向北偏移,从而使华北地区降水量模拟偏高。导致降水模拟误差的原因非常复杂,模式中地形的作用及云—辐射参数化方案等的处理也是模拟误差的主要来源,这也反映了模式对于准确模拟我国区域降水分布还比较困难,它应是今后改进模式模拟能力的重点。

模式对于地面气温的模拟能力较好,与实况的空间相关系数可达0.9以上。在观测场上,在所研究区域内夏季平均地面气温呈一槽一脊的空间分布型态,模式模拟出了这种分布特征,较真实地反映出内蒙古东部及东北交界地区的冷区气温值。从模拟与观测的差值场来看(图3i),模式模拟的河套南部、海河流域以北地区气温值偏低。模式对夏季山西以东及以南地区的高温脊区模拟较为成功(图3a、f),24、25、26 ℃等值线与观测场一致,但对山西及河北东部地区的气温模拟偏冷1～2 ℃。从逐月气温场的模拟情况来看,模拟误差与夏季平均结果基本一致,均表现为山西及其西北地区的负偏差,7月、8月河北及以南地区的温度脊区气温的模拟值比观测值略偏高。区域气候模式对于东亚地区气温模拟结果中的冷偏差在以往的研究中也同样存在,在对东亚夏季的十年气候模拟研究中发现,模拟的地表温度在内蒙古、东北等地系统性偏冷(Lee and Suh,2000)。

图3 观测(a—d)和模拟(e—h)的华北地区气温(单位:℃) a,e.夏季平均;b,f.6月;c,g.7月;d,h.8月;i,j,k,l.模式和观测的差值Fig.3 Summer mean and monthly temperature over North China from (a—d)observations and (e—h)simulations(units:℃) a,e.summer average;b,f.in June;c,g.in July;d,h.in August;i,j,k,l.differences between observations and simulations

2.2 年际变化特征模拟

本文综合考虑了研究目的及计算机资源等因素,将1991—2002年选为模拟时间,所选时间段为东亚地区持续气候异常时期,冬季我国连续出现全国性暖冬,且这段时期,分别有多次的ENSO冷、暖事件发生,特别是1997/1998年冬季和1998/1999冬季分别为典型的强El Nio与La Nia事件的成熟期,中国东部地区降水和气温均发生了明显变化。由于模拟时间相对较短,无法考察模式对于东亚夏季降水的年代际尺度特征的再现能力。现将1991—2002年12 a的观测及模拟结果平均分别作为基准气候态,分别考察模式对于华北夏季降水和气温的年际变化模拟能力。图4给出了1991—2002年华北地区夏季降水距平百分率及气温距平的时间演变序列。从观测结果可见,相对于1991—2002年的平均气候,该区夏季降水在1996年前后发生了明显变化,1996年以前,降水以偏多为主,尤其是1995年和1996年华北地区为多雨年,但1997年后降水持续偏少,其中包括1997、1999、和2002年降水显著偏少,这一结果与以往的研究结果一致(Li and Ding,2012)。比较图4中的模式结果可见,RegCM3虽然对于华北地区夏季降水的空间分布特征模拟不够成功,但对于华北夏季降水的年际变化特征的模拟与观测非常吻合,除1991和1992年外,其余年份成功模拟出降水量的异常变化。特别对于1995、1996、1997、1999年的降水距平百分率的模拟量级与观测值接近。华北地区年平均气温在所研究的时段内均为持续的正异常,但由图4b可见,相对于1991—2002的基准气候态,夏季气温也表现出明显的年际变化,主要特征为1996年以前偏冷年偏多,1997年后为偏暖,模式结果也较为成功地模拟出了华北地区夏季气温的这种年际变化特征。

图4 夏季降水距平百分率(a;单位:%)及温度距平(b;单位:℃)的时间序列Fig.4 Time series of (a)anomaly percentage of summer rainfall(units:%) and (b)temperature anomaly(units:℃)

图5 夏季降水时间—纬度剖面(单位:mm) a.观测场;b.模拟场Fig.5 Time-latitude section of summer rainfall from (a)simulation and (b)observation(units:mm)

2.3 日变化特征的模拟

模式对于区域降水和气温日变化的模拟性能,是模式能否成功用于区域极端降水和气温过程预报的基础。图5给出110～120°E平均的6—8月降水的时间—纬度剖面图,从图5a可见,夏季华北地区的主要降水开始于6月下旬,主要集中在7月下旬至8月上旬,8月下旬降水量逐渐减小,主雨季时段即通常所指的‘七下八上’,这段时间副高位置偏北,有利于西南暖湿空气与北方的冷空气交汇于该区。从模拟结果来看(图5b),6月份在40°N附近已经有一个较大的降水中心,模式虽成功再现了7—8月份的降水大值中心及雨带的北跳过程,但模拟的降水量与观测相比明显偏大,特别是8月上旬40°N附近的降水量偏大,造成了整个华北地区夏季降水模拟偏大的系统性偏差。

图6给出了观测和模拟的华北地区6—8月区域平均降水量及气温的日变化曲线。可见,模式对于华北地区降水量日变化特征有一定再现能力,7月下旬至8月上旬达到峰值,模拟与观测的时间序列相关系数达到0.500 3,通过95%的置信水平检验,但模拟的降水量仍表现为一致性的偏多。模拟的平均气温与观测相比较为一致,两者的相关系数高达0.961 2,模拟的6月份平均气温略低于观测值。

图6 华北地区夏季平均降水量(a;单位:mm)和气温(b;单位:℃)日变化曲线Fig.6 Time series of daily (a)rainfall(units:mm) and (b)temperature(units:℃) from simulation and observation

图7 1998年夏季日降水量时间—纬度剖面(单位:mm) a.观测场;b.模拟场Fig.7 Time-latitude section of daily summer rainfall in 1998 from (a)observation and (b)simulation(units:mm)

图8 2001年夏季日降水量时间—纬度剖面(单位:mm) a.观测场;b.模拟场Fig.8 Time-latitude section of daily summer rainfall in 2001 from (a)observation and (b)simulation(units:mm)

2.4 个例分析

为了进一步考察模式对降水过程演变的模拟,图7和图8分别给出了1998年和2001年6月1日至8月31日降水的时间—纬度剖面。从图中可见,1998年第一次较大的降水过程分别出现在6月下旬至7月中旬,降水由南向北扩展,而模式将这一过程较好地模拟出来,模拟的降水量与实况相比略偏强;第二次过程出现在8月初至8月中旬,降水稳定地维持在34°N附近地区,模拟的第二次降水过程与实况相比非常吻合。可见,对1998年的模拟较为成功。2001年较强的降水过程分别出现在7月下旬和8月中旬,模式也很好地反映出这两次过程降水的位置和强度,不足的是模式在6月中旬的中高纬度地区模拟的降水中心比实况偏强。

从逐年模拟与观测的区域平均降水量日变化情况来看,模式能够好地模拟出降水日变化的大部分峰值和谷值。图9仅给出1998年和1999年模拟和观测的区域平均降水日变化。可见,模式较好地反映了该区域降水的日变化,如1998年7月6日、7月12日、8月4日、8月6日的几次降水峰值,以及1999年6月16日、6月22日、7月6—8日的降水峰值,但是模拟值比观测值均偏强,特别是对于1998年7月6日以及1999年6月22日的降水过程。模式能够将6—8月华北雨季的几次较大降水过程成功再现,说明该区域气候模式能够应用于区域降水过程的模拟研究中,对于该模式在华北地区夏季降水的实时预测性能,还取决于用于嵌套区域气候模式的全球模式性能,需要在今后的工作中进行预测试验评估。

3 结论

利用高分辨率区域气候模式RegCM3,对区域气候模式中参数化方案的选择和华北地区模拟范围的选取进行了调试,选择了适用于华北地区的较优参数化方案、模拟区域及模式分辨率组合方案。利用RegCM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能,特别是检验模式对于降水日变化特征的模拟能力,结合典型年份个例分析,考察模式对华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等特征的再现能力。

图9 1998年(a)、1999年(b)6—8月区域平均降水日变化(单位:mm)Fig.9 Time series of regional average daily rainfall during June and August in (a)1998 and (b)1999 from simulation and observation(units:mm)

对气候平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布存在较明显的模拟误差,模拟的降水量与观测相比差别较大,特别是对于太行山脉及东部沿海地区的降水量明显偏多。对温度的模拟误差较小,但太行山脉以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化特征。模式对于该区域降水和气温日变化特征的模拟也较为成功,能够再现夏季华北地区雨带位置及主要降水过程发生的时间、落区和强度,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,不足的是模拟的降水量比观测偏大。该区域气候模式能够应用于区域降水过程的模拟研究中,对于该模式在华北地区夏季降水的实时预测性能,需要在今后的工作中进行预测试验评估。

模式对于华北地区降水的模拟性能还需作进一步的改进。导致模式对于降水模拟误差的原因较为复杂,首先取决于模式本身的性能,另外,区域气候模式的模拟结果受到模式中物理过程参数化方案的影响,同时,模式分辨率、模拟区域的选择、缓冲区的选择都可能影响到整个模拟结果,因此,有必要进行多种方案的比较,寻求适合华北地区的最佳模式方案。另外,华北地区的降水受太行山脉等地形影响,太行山脉以西和以东两侧降水特征也有明显差异,模式地形对于降水模拟误差的影响也需要设计合理的敏感性试验进行研究。有效提高模式对区域气候的模拟能力,使其不仅能够模拟出区域平均气候特征,更要有效提高模式对区域气候年代际、年际、季节以及极端气候事件等多种时间尺度变化特征的模拟能力,使其能够更有效应用于区域气候的预测业务中。

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(责任编辑：刘菲)

AsimulationstudyonsummerrainfalloverNorthChinaEvaluationofaregionalclimatemodel

YAN Guan-hua1,2,LI Ze-chun3

(1.China Meteorological Administration Training Center,Beijing 100081,China;2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;3.National Meteorological Center,Beijing 100081,China)

By using regional climate model(RegCM3),summer rainfalls over North China during 1991 to 2002 were simulated.The model’s capability to reproduce the different time scale features of rainfall and temperature had been evaluated based on station observations.Results showed that there were some differences between the model result and the observation in the spatial distribution of summer rainfall.The model can well reproduce the rainfall over Hetao and south of Huanghe river basin,but it overestimated the rainfall in regions along Taihang Mountain and the coastal regions.The model can well reproduce the spatial pattern of temperature.The simulated temperature in Shanxi and southern regions was cooler than the observation.It also well revealed the inter-annual variation of summer rainfall and temperature,such as anomalies in some special years.The daily variation of rainfall and temperature,as well as the peak and valley value evolution of daily rainfall,were also successfully simulated.The model can also reproduce the time,location and intensity during the heavy rainfall process in typical cases.Unfortunately,the rainfall was overestimated in the model.It requires further work to investigate whether the deficiency was caused by the complex topography or cloud-radiation parameterization scheme.

North China;summer rainfall;numerical simulation;regional climate model

2012-12-02；改回日期2013-05-28

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB430204);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306065)

闫冠华,博士,高级工程师,研究方向为华北暴雨特征及机理,yangh@cma.gov.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121202001.

1674-7097(2014)05-0558-10

P467

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121202001

闫冠华,李泽椿.2014.华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估[J].大气科学学报,37(5):558-567.

Yan Guan-hua,Li Ze-chun.2014.A simulation study on summer rainfall over North China:Evaluation of a regional climate model[J].Trans Atmos Sci,37(5):558-567.(in Chinese)