【摘 要】
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在全球变暖的气候背景下,极端降水的频次显著增强,同时平均降水也发生了显著的变化。我国处于东亚季风区,人口密度大,国民的生产生活受到降水的影响较大,尤其在我国东部地区。因此对未来降水特征的准确预测在我国显得尤为重要。本文利用区域气候模式CWRF对全球气候模式CCSM4进行动力降尺度研究,模拟了我国过去(1974年至2005年)以及在RCP8.5情景下未来(2019年至2050年)的气候状况,重点关注
【基金项目】
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国家气候中心委托项目:中国精细化区域气候预测系统研发(项目号:2211011816501); 江苏省“北极阁”开放研究基金:精细化区域数值模式本地化基础构建(项目号:NJCAR2016ZD3); 中国国家自然科学基金重点研究开发计划:全球高分辨率海洋动力环境数值预报系统研制(项目号:2016YFC1401400);
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在全球变暖的气候背景下,极端降水的频次显著增强,同时平均降水也发生了显著的变化。我国处于东亚季风区,人口密度大,国民的生产生活受到降水的影响较大,尤其在我国东部地区。因此对未来降水特征的准确预测在我国显得尤为重要。本文利用区域气候模式CWRF对全球气候模式CCSM4进行动力降尺度研究,模拟了我国过去(1974年至2005年)以及在RCP8.5情景下未来(2019年至2050年)的气候状况,重点关注了我国降水特征的变化,并研究其背后的关键物理机制。同时研究表明对流性降水与边界层高度的变化具有非常密切的联系,而边界层高度的模拟具有很大的不确定性。因此进一步探究边界层高度的偏差与各相关物理量之间的关系,讨论了边界层高度、热通量、辐射等变量的偏差对降水偏差所产生的影响,为未来模式发展更精细的物理过程以及提升降水模拟效果提供了理论支持和科学依据。本文的主要研究结果如下:CMIP5全球模式对空间分辨率具有一定的敏感性,其在温度方面的模拟较为准确,但是在降水方面出现了较大的误差,主要体现在降水中心的分布以及降水量级的偏差。CCSM4作为CMIP5中模拟结果相对较好且在模拟偏差和未来预测上具有一定代表性的模式,在青藏高原东南山麓以及四川盆地附近同样出现了较为明显的降水误差中心。利用CWRF对CCSM4进行动力降尺度明显提升了对降水模拟的效果,主要表现在减少了降水特征模拟的偏差以及提升了降水特征的空间相关性,而且CWRF能更加准确地抓住雨带随时间变化南北移动的特征,基本消除CCSM4模拟的降水误差中心。未来夏季的降水增加主要出现在黄河以北以及长江以南地区,而长江黄河之间的区域有一定程度的减弱。具体而言,东北、华北和西南地区的平均降水量以及华北、华南和西南地区的极端降水量将出现显著增加趋势,同时CWRF相较于CCSM4在未来降水的变化幅度上有所降低。在过去和未来降水特征的空间分布上,CWRF和CCSM4的模式间差异存在显著的相关性,然而这种系统性偏差的对应关系是非线性的,因此不能通过简单的统计回归方法将偏差从未来气候预测中剔除以提升未来预测可信度。CWRF预测未来夏季哈德来环流将在全球变暖的情形下得到增强并且向两极发展,同时新疆地区是我国未来地面温度增长最大的区域,地表的暖化将导致新疆上空的西风急流中心增强以及副热带高压继续向北扩展。这些变化导致了西风急流出口向西收缩,在其下方的区域上升运动得到加强,同时低层环流的扰动将渤海和日本海的更多水汽输送到了华北和东北地区,进而增加了降水。哈德来环流的扩张还促进了华南和华中地区的上升运动,低层环流扰动汇聚了南海和东海的水汽,给华南和西南地区也带来了更多的降水。强对流天气的发生通常会导致边界层高度的降低,CWRF模拟的降水与边界层高度在我国东部地区存在着显著的负相关关系,然而边界层高度的模拟又具有很高的不确定性。通过对边界层各相关物理量的偏差相关性分析,表明边界层高度受到感热通量的影响最大,长波辐射和短波辐射的日循环也影响着边界层高度的变化,而地表风速对边界层高度的作用相对较弱。可以合理认为通过对模式中热通量、辐射和边界层高度物理过程的改进,能够进一步提升模式对降水模拟的准确性。综上所述,利用CWRF对我国进行动力降尺度模拟能够有效地提升历史阶段的模拟效果并预测我国未来的降水变化特征。通过对物理机制的分析也使得预测的结果更加具有可信度,为应对极端天气和防灾减灾工作提供参考。在今后的模式发展中,可以通过改进对边界层高度等相关物理量的模拟,进一步精细化模式的物理过程,从而提升降水的模拟效果。
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