论文部分内容阅读
青藏高原（简称高原）又被称为“亚洲水塔”。降水是高原水资源的重要补充途径。然而，高原及周边地区自然环境极其脆弱，降水尤其是极端降水极易诱发山洪、泥石流等自然灾害。在全球变暖的背景下，高原及其周边极端降水的频率和强度都有所改变，对高原极端降水的模拟和预测研究具有十分重要的科学价值和社会意义。以往针对高原降水的关注点主要集中在日降水及其长期变化趋势上，对于更易诱发自然灾害的短时强降水的特征方面尚缺乏对应的研究。
本论文采用多套高时空分辨率格点化降水产品及中国科学院大气物理研究所研发的新一代气候系统模式CAS FGOALS-f2，开展了针对青藏高原及周边地区短时（3小时及逐小时）极端降水特征的观测和数值模拟研究，并进一步探究了模式水平分辨率对短时极端降水模拟的影响及其可能原因。为增加观测结论的可靠性，本论文利用尼泊尔台站观测数据集，首先评估了三套格点化降水产品在高原地区的适用性。为进一步验证模式结论，本论文也分析比较了CMIP6高分辨率模式比较计划（HighResMIP）中的多个模式不同分辨率的试验结果。本论文主要包含以下几个方面的内容:
(1)格点化降水产品在高原地区适用性
高原南坡是高原降水及极端降水的主要发生区域。利用尼泊尔地区（高原南坡）台站观测日降水资料，本论文首先与三套高时空分辨率格点化(GPM，CMPA01，TRMM-3842)降水产品开展了对比分析，结果表明:三套格点化降水产品均能够较好的再现日降水强度-频率分布特征，但在一定程度上均高估了尼泊尔地区小雨(＜10mmd-1)的发生频率，且均低估了中雨(10-25mm d-1)、大雨（25-50mm d-1）、暴雨(50-100mmd-1)、大暴雨（50-100mm d-1）和特大暴雨(＞100mm d-1)等的发生频率。相对而言，GPM和TRMM-3842卫星降水产品对日极端降水刻画性能要优于自动站-卫星融合的降水产品CMPA01。
(2)气候系统模式CAS FGOALS-f2对青藏高原及其周边地区夏季小时平均降水的模拟性能及模式水平分辨率的影响
分析模式对小时平均降水特征的模拟性能有助于理解其对小时极端降水的模拟性能。在观测中，三套格点化降水产品的结果均表明:青藏高原的小时平均降水量存在着由东南向西北递减的趋势。青藏高原南坡存在着一个降水大值带，而青藏高原东侧为另一个降水大值中心，但其量值略小于高原南坡。相比之下，自动站-卫星融合产品CMPA01在高原南坡平均降水量小于GPM和TRMM-3842两套卫星产品。青藏高原南坡以及高原的东南部为小时降水频率和降水强度的大值区，且均存在着由南向北递减的趋势。进一步的定量研究结果表明:GPM的小时平均降水频率高于CMPA01以及TRMM-3842，而其小时平均降水强度则低于CMPA01及TRMM-3842。
模式模拟的研究结果表明:CAS FGOALS-f2-L（标准分辨率气候系统模式，水平分辨率约100公里）对小时平均降水特征具有一定的模拟能力。CAS FGOALS-f2-L能够大体再现高原上小时平均降水量由东南向西北递减的空间分布特征，但其雨带位置较GPM降水产品略偏北。CAS FGOALS-f2-L模拟的小时平均降水频率大值区主要集中在高原主体上，与GPM降水产品较为一致，但其频率有所高估。CAS FGOALS-f2-L能够大体再现高原上小时平均降水强度在高原南坡的大值带以及其由东南向西北递减的分布特征，但模拟的降水强度总体偏弱。伴随着水平分辨率的提升，CAS FGOALS-f2-H（高分辨率气候系统模式，水水平分辨率约25公里）对小时平均降水的模拟性能有了较为明显的改进。相较于CAS FGOALS-f2-L，CAS FGOALS-f2-H模拟的小时平均降水量增加，模拟的雨带位置也与GPM降水产品更为接近。同时，CAS FGOALS-f2-H也减少了CAS FGOALS-f2-L中的“降水频率偏高和降水强度偏弱”这一偏差。标准分辨率模式对小时平均降水的模拟偏差及水平分辨率提升带来的模拟增值，在CMIP6HighResMIP中的其它模式里也有类似的体现。
(3)气候系统模式CAS FGOALS-f2对青藏高原及其周边地区夏季小时极端降水的模拟性能及模式水平分辨率的影响
在观测中，三套格点化降水产品的结果均表明:青藏高原上降水频率随小时降水强度的增加而降低。总体上，TRMM-3842极端降水频率略高于GPM，而GPM则略高于CMPA01。空间分布上，高原南坡（及其南部地区）及高原东部为小时极端降水强度高值区，且从高原的南部斜坡到高原北部（纬度高于35°N）呈下降趋势。总体上，TRMM-3842平均极端降水强度高于CMPA01和GPM。
模式模拟的研究结果表明:CAS FGOALS-f2-L对小时弱降水的发生频率具有一定的刻画性能，但却低估了模式中能够模拟出的小时最大降水强度以及极端降水发生的频率。且尽管CAS FGOALS-f2-L能够大体模拟出与GPM降水产品中相似的极端降水强度空间分布特征，但其平均的极端降水强度相较于GPM降水产品偏弱。伴随着水平分辨率的提升，CAS FGOALS-f2-H对小时极端降水的模拟性能有了较为明显的改进。CAS FGOALS-f2-H模拟出的最大小时降水强度明显提升，模拟的小时极端降水发生频率也与GPM降水产品更为接近。CAS FGOALS-f2-H模拟的小时极端降水强度的空间分布也与GPM降水产品更为一致。标准分辨率模式对小时极端降水的模拟偏差及水平分辨率提升带来的模拟增值，在CMIP6HighResMIP中的其它模式里也有较为明显的体现。
(4)模式水平分辨率与小时极端降水模拟之间的物理联系
青藏高原位于印度洋北侧。印度洋多时间尺度现象（水汽输送，BSISO，热带气旋等）及降水日变率对极端降水具有十分重要的影响，对它们的模拟能力也将影响到气候模式对极端降水的模拟性能。在气候态方面，CAS FGOALS-f2-L能够再现高原及其周边地区极端降水日水汽辐合的空间分布特征，提高分辨率增强了模式对高原南部和高原东部地区水汽辐合强度的模拟，从而增强了模式模拟出的极端降水强度。在次季节-季节尺度上，CAS FGOALS-f2-L能再现BSISO北向传播特征，但模式信号弱于观测。其高分辨率模式版本模拟的北传信号明显增强。在天气尺度上，CAS FGOALS-f2-L模拟出的热带气旋个数显著偏少，且强度偏弱。分辨率提升后，模式模拟出的热带气旋个数明显增多并接近观测。此外，CAS FGOALS-f2的高分辨率版本对高原降水日变率具有更好地模拟能力，其模拟的降水峰值时间和强度与观测更为接近。总体而言，分辨率提升后，CAS FGOALS-f2模拟的水汽辐合强度更强，能够更好地模拟BSISO北传信号，模拟的热带气旋个数增多，模拟的高原降水日变率与观测更为吻合，这些现象最终改善了其对小时极端降水的模拟性能。CMIP6HighResMIP中其它模式的研究结果也表明:水平分辨率的提升能够增强模式模拟出的水汽辐合强度，并提高模式对BSISO北传信号的模拟能力，但分辨率对降水日变率的影响存在较大的模式间差异。论文的创新性:
(1)获得了青藏高原及周边地区的小时极端降水特征，利用多套观测资料及CAS FGOALS-f2模式开展了青藏高原极端降水的数值模拟比较研究工作。
(2)从“多时间尺度现象影响极端降水”这一角度解释了水平分辨率影响极端降水模拟的可能原因。
本论文采用多套高时空分辨率格点化降水产品及中国科学院大气物理研究所研发的新一代气候系统模式CAS FGOALS-f2，开展了针对青藏高原及周边地区短时（3小时及逐小时）极端降水特征的观测和数值模拟研究，并进一步探究了模式水平分辨率对短时极端降水模拟的影响及其可能原因。为增加观测结论的可靠性，本论文利用尼泊尔台站观测数据集，首先评估了三套格点化降水产品在高原地区的适用性。为进一步验证模式结论，本论文也分析比较了CMIP6高分辨率模式比较计划（HighResMIP）中的多个模式不同分辨率的试验结果。本论文主要包含以下几个方面的内容:
(1)格点化降水产品在高原地区适用性
高原南坡是高原降水及极端降水的主要发生区域。利用尼泊尔地区（高原南坡）台站观测日降水资料，本论文首先与三套高时空分辨率格点化(GPM，CMPA01，TRMM-3842)降水产品开展了对比分析，结果表明:三套格点化降水产品均能够较好的再现日降水强度-频率分布特征，但在一定程度上均高估了尼泊尔地区小雨(＜10mmd-1)的发生频率，且均低估了中雨(10-25mm d-1)、大雨（25-50mm d-1）、暴雨(50-100mmd-1)、大暴雨（50-100mm d-1）和特大暴雨(＞100mm d-1)等的发生频率。相对而言，GPM和TRMM-3842卫星降水产品对日极端降水刻画性能要优于自动站-卫星融合的降水产品CMPA01。
(2)气候系统模式CAS FGOALS-f2对青藏高原及其周边地区夏季小时平均降水的模拟性能及模式水平分辨率的影响
分析模式对小时平均降水特征的模拟性能有助于理解其对小时极端降水的模拟性能。在观测中，三套格点化降水产品的结果均表明:青藏高原的小时平均降水量存在着由东南向西北递减的趋势。青藏高原南坡存在着一个降水大值带，而青藏高原东侧为另一个降水大值中心，但其量值略小于高原南坡。相比之下，自动站-卫星融合产品CMPA01在高原南坡平均降水量小于GPM和TRMM-3842两套卫星产品。青藏高原南坡以及高原的东南部为小时降水频率和降水强度的大值区，且均存在着由南向北递减的趋势。进一步的定量研究结果表明:GPM的小时平均降水频率高于CMPA01以及TRMM-3842，而其小时平均降水强度则低于CMPA01及TRMM-3842。
模式模拟的研究结果表明:CAS FGOALS-f2-L（标准分辨率气候系统模式，水平分辨率约100公里）对小时平均降水特征具有一定的模拟能力。CAS FGOALS-f2-L能够大体再现高原上小时平均降水量由东南向西北递减的空间分布特征，但其雨带位置较GPM降水产品略偏北。CAS FGOALS-f2-L模拟的小时平均降水频率大值区主要集中在高原主体上，与GPM降水产品较为一致，但其频率有所高估。CAS FGOALS-f2-L能够大体再现高原上小时平均降水强度在高原南坡的大值带以及其由东南向西北递减的分布特征，但模拟的降水强度总体偏弱。伴随着水平分辨率的提升，CAS FGOALS-f2-H（高分辨率气候系统模式，水水平分辨率约25公里）对小时平均降水的模拟性能有了较为明显的改进。相较于CAS FGOALS-f2-L，CAS FGOALS-f2-H模拟的小时平均降水量增加，模拟的雨带位置也与GPM降水产品更为接近。同时，CAS FGOALS-f2-H也减少了CAS FGOALS-f2-L中的“降水频率偏高和降水强度偏弱”这一偏差。标准分辨率模式对小时平均降水的模拟偏差及水平分辨率提升带来的模拟增值，在CMIP6HighResMIP中的其它模式里也有类似的体现。
(3)气候系统模式CAS FGOALS-f2对青藏高原及其周边地区夏季小时极端降水的模拟性能及模式水平分辨率的影响
在观测中，三套格点化降水产品的结果均表明:青藏高原上降水频率随小时降水强度的增加而降低。总体上，TRMM-3842极端降水频率略高于GPM，而GPM则略高于CMPA01。空间分布上，高原南坡（及其南部地区）及高原东部为小时极端降水强度高值区，且从高原的南部斜坡到高原北部（纬度高于35°N）呈下降趋势。总体上，TRMM-3842平均极端降水强度高于CMPA01和GPM。
模式模拟的研究结果表明:CAS FGOALS-f2-L对小时弱降水的发生频率具有一定的刻画性能，但却低估了模式中能够模拟出的小时最大降水强度以及极端降水发生的频率。且尽管CAS FGOALS-f2-L能够大体模拟出与GPM降水产品中相似的极端降水强度空间分布特征，但其平均的极端降水强度相较于GPM降水产品偏弱。伴随着水平分辨率的提升，CAS FGOALS-f2-H对小时极端降水的模拟性能有了较为明显的改进。CAS FGOALS-f2-H模拟出的最大小时降水强度明显提升，模拟的小时极端降水发生频率也与GPM降水产品更为接近。CAS FGOALS-f2-H模拟的小时极端降水强度的空间分布也与GPM降水产品更为一致。标准分辨率模式对小时极端降水的模拟偏差及水平分辨率提升带来的模拟增值，在CMIP6HighResMIP中的其它模式里也有较为明显的体现。
(4)模式水平分辨率与小时极端降水模拟之间的物理联系
青藏高原位于印度洋北侧。印度洋多时间尺度现象（水汽输送，BSISO，热带气旋等）及降水日变率对极端降水具有十分重要的影响，对它们的模拟能力也将影响到气候模式对极端降水的模拟性能。在气候态方面，CAS FGOALS-f2-L能够再现高原及其周边地区极端降水日水汽辐合的空间分布特征，提高分辨率增强了模式对高原南部和高原东部地区水汽辐合强度的模拟，从而增强了模式模拟出的极端降水强度。在次季节-季节尺度上，CAS FGOALS-f2-L能再现BSISO北向传播特征，但模式信号弱于观测。其高分辨率模式版本模拟的北传信号明显增强。在天气尺度上，CAS FGOALS-f2-L模拟出的热带气旋个数显著偏少，且强度偏弱。分辨率提升后，模式模拟出的热带气旋个数明显增多并接近观测。此外，CAS FGOALS-f2的高分辨率版本对高原降水日变率具有更好地模拟能力，其模拟的降水峰值时间和强度与观测更为接近。总体而言，分辨率提升后，CAS FGOALS-f2模拟的水汽辐合强度更强，能够更好地模拟BSISO北传信号，模拟的热带气旋个数增多，模拟的高原降水日变率与观测更为吻合，这些现象最终改善了其对小时极端降水的模拟性能。CMIP6HighResMIP中其它模式的研究结果也表明:水平分辨率的提升能够增强模式模拟出的水汽辐合强度，并提高模式对BSISO北传信号的模拟能力，但分辨率对降水日变率的影响存在较大的模式间差异。论文的创新性:
(1)获得了青藏高原及周边地区的小时极端降水特征，利用多套观测资料及CAS FGOALS-f2模式开展了青藏高原极端降水的数值模拟比较研究工作。
(2)从“多时间尺度现象影响极端降水”这一角度解释了水平分辨率影响极端降水模拟的可能原因。