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        不同水平分辨率BCC_CSM模式對(duì)中亞地面氣溫模擬能力評(píng)估

        2015-06-25 06:41:22姜燕敏黃安寧吳昊旻
        大氣科學(xué) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:中亞地區(qū)通量分辨率

        姜燕敏 黃安寧 吳昊旻

        1南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,南京210093

        2麗水市氣象局,麗水323000

        1 引言

        長(zhǎng)期以來氣候系統(tǒng)模式被認(rèn)為是進(jìn)行氣候模擬和未來氣候變化預(yù)估的重要工具(Zhou et al.,2007),他們?cè)谧匀缓腿祟惢顒?dòng)外強(qiáng)迫下能夠較好地模擬出全球變暖的主要特征(Zhou and Yu,2006)。在將全球氣候模式應(yīng)用到區(qū)域氣候模擬過程中,由于計(jì)算機(jī)能力和資源的限制,模式水平分辨率一般較低,難以較好地描述區(qū)域地形和中小尺度物理和化學(xué)等作用過程,從而造成較大的模擬偏差(IPCC, 2007;Xu et al., 2010)。高學(xué)杰等(2006)曾使用區(qū)域氣候模式RegCM2,采用不同的水平分辨率對(duì)東亞降水進(jìn)行了一系列的模擬試驗(yàn),指出數(shù)值模式的水平分辨率對(duì)東亞和中國(guó)降水模擬的影響是非常重要的;Leung and Qian(2003)發(fā)現(xiàn)高水平分辨率提高了沿海岸山坡及盆地區(qū)域的降水模擬效果,但在某些地區(qū)也可能過高估計(jì)降水量;Giorgi and Marinucci(1996)分析表明,降水量、云量、陸面能量通量和降水強(qiáng)度分布對(duì)水平分辨率比對(duì)地形強(qiáng)迫的作用要更加敏感,并指出物理方案對(duì)分辨率的敏感性可以明顯調(diào)整地形強(qiáng)迫的作用;田芝平和姜大膀(2013)結(jié)合觀測(cè)和再分析資料系統(tǒng)評(píng)價(jià)了模式水平分辨率對(duì)東亞和中國(guó)氣候模擬的影響,發(fā)現(xiàn)不同水平分辨率對(duì)不同要素的模擬能力存在較大差異。

        以往的氣候模式模擬工作多集中在對(duì)濕潤(rùn)區(qū)氣候的評(píng)估(覃衛(wèi)堅(jiān)等,2010;蔣曉武等,2010),對(duì)干旱半干旱地區(qū)的分析少見,尤其是中亞地區(qū)。氣候系統(tǒng)模式對(duì)干旱地區(qū)氣候的模擬能力如何還有待深入地揭示和研究。中亞地處干旱和半干旱區(qū),生態(tài)環(huán)境較為脆弱,我國(guó)西北的新疆地區(qū)也是該區(qū)域的一部分。該地區(qū)包括了烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫(kù)曼斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦、中國(guó)新疆和阿富汗北部等地區(qū)。由于地處歐亞大陸腹地,尤其是東南緣高山阻隔了來自印度洋、太平洋的暖濕氣流,該地區(qū)氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶詼貛衬⒉菰瓪夂?。研究表明近百年來中亞氣候的變暖幅度大于中?guó)東部季風(fēng)區(qū),甚至是后者變化幅度的兩倍多(Chen et al., 2009),就我國(guó)西北干旱區(qū)而言,特別是新疆自 1987年以來氣候出現(xiàn)由“暖干”向“暖濕”轉(zhuǎn)型現(xiàn)象(Shi et al., 2007)。陳發(fā)虎等(2011)分析了中亞干旱區(qū)近 80年來的降水變化特征及其區(qū)域差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)中亞干旱區(qū)降水對(duì)全球變暖的響應(yīng)復(fù)雜,西風(fēng)環(huán)流變化可能是影響中亞干旱區(qū)降水變化的主要因素。吳昊旻等(2013)利用氣候模式BCC-CSM1.1的歷史試驗(yàn)和4類典型濃度路徑 RCP(Representative Concentration Pathways)下未來預(yù)估試驗(yàn)結(jié)果,研究2011~2060年期間中亞地區(qū)年平均氣溫的時(shí)空演變特征。

        隨著模式水平分辨率的提高,氣候系統(tǒng)模式能夠更加真實(shí)地刻畫下墊面類型,為研究干旱半干旱地區(qū)的氣候變化提供了有力的研究工具,但是在利用不同水平分辨率的氣候系統(tǒng)模式研究這些區(qū)域的氣候變化之前,有必要深入分析模式水平分辨率的提高到底對(duì)這些地區(qū)的模擬性能有怎樣的影響?;谶@樣的目的,本研究選取參與 IPCC AR5(Intergovernmental Panel on Climate Change:Fifth Assessment Report)第五次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP5)的兩種水平分辨率的BCC_CSM(Beijing Climate Center Climate System Model)氣候系統(tǒng)模式的歷史回報(bào)(Historical)試驗(yàn)結(jié)果,利用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來評(píng)估這兩個(gè)不同水平分辨率的模式版本對(duì)中亞地區(qū)年平均地面氣溫氣候要素的模擬性能,以考察模式水平分辨率對(duì)BCC_CSM氣候系統(tǒng)模式模擬中亞氣候能力的影響,為該氣候系統(tǒng)模式的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提供必要的參考。

        2 模式資料與方法

        2.1 資料

        目前,國(guó)家氣候中心推出了兩個(gè)版本的氣候系統(tǒng)模式:BCC_CSM1.1(BCC_CSM version 1.1)和BCC_CSM1.1(m)(BCC_CSM version 1.1 with a moderate resolution)。 BCC_CSM1.1模式[全球分辨率約為2.8125°(緯度)×2.8125°(經(jīng)度)]是由北京氣候中心研發(fā)的氣候系統(tǒng)模式。該模式是一個(gè)全球海洋—陸地—海冰—大氣多圈層耦合的全球氣候—碳循環(huán)耦合模式,以美國(guó)大氣研究中心(NCAR)氣候系統(tǒng)模式 CCSM2的通量耦合器CPL5為基礎(chǔ),把國(guó)家氣候中心研發(fā)的全球大氣環(huán)流模式 BCC_AGCM2.1和陸面過程模式BCC_AVIM1.0,與基于美國(guó)地球流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)研發(fā)的全球海洋環(huán)流模式MOM4_L40和全球動(dòng)力熱力學(xué)海冰模式SIS實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)的耦合,并加入碳循環(huán)模塊,能夠模擬人類活動(dòng)碳排放引起大氣CO2濃度變化和全球氣候的影響,可滿足IPCC AR5的模擬試驗(yàn)要求,詳見Wu(2012)。大氣模式BCC_AGCM2.1是一個(gè)全球譜模式,水平分辨率為T42波譜截?cái)啵ㄈ蚍直媛始s為2.8125°×2.8125°),垂直分為26層。海洋分量模式MOM4_L40,水平分辨率是1°×1°,經(jīng)向在熱帶地區(qū)加密到(1/3)°,垂直方向?yàn)?0層。海冰分量為GFDL發(fā)展的模式SIS,水平分辨率與MOM_L40相同。

        BCC_CSM1.1(m)模式是由BCC_CSM1.1發(fā)展而來的中等分辨率模式(全球分辨率約為1.125°×1.125°),與 BCC_CSM1.1 版本的區(qū)別在于大氣模塊的水平分辨率,BCC_CSM1.1(m)模式的大氣環(huán)流模式為BCC_AGCM2.2,該環(huán)流模式水平分辨率為T106波譜截?cái)?。兩個(gè)BCC模式垂直方向上均分為26層,頂層為2.914 hPa(王璐等,2009;頡衛(wèi)華和吳統(tǒng)文,2010),使用了相同的動(dòng)力框架和物理過程,兩者的陸面、海洋和海冰分量是相同的(辛?xí)愿璧龋?012)。

        兩個(gè) BCC_CSM 氣候系統(tǒng)均耦合了全球碳循環(huán),能夠較好的模擬出 20世紀(jì)包含人為碳排放的全球碳濃度及其時(shí)間演變特征(Wu et al., 2014)。不少科學(xué)研究中對(duì)兩個(gè)模式的模擬結(jié)果,尤其是地面氣溫和降水的空間和季節(jié)演變特征進(jìn)行了細(xì)致分析,如石彥軍等(2012)對(duì)BCC_CSM模式模擬中國(guó)區(qū)域500 hPa不同季節(jié)的位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等氣象要素的能力進(jìn)行檢驗(yàn);高峰等(2012)評(píng)估了BCC_CSM1.1模式年代際試驗(yàn)對(duì)10年尺度全球及區(qū)域地表溫度的預(yù)測(cè)能力。Wu et al.(2013)檢驗(yàn)了 BCC_CSM1.1模式對(duì)工業(yè)化前到現(xiàn)在對(duì)陸地和海洋碳收支情況的模擬能力,并指出全球大氣CO2濃度與厄爾尼諾振蕩周期密切相關(guān),這與觀測(cè)結(jié)果一致。Xin et al.(2013)對(duì)比了BCC_CSM1.0和BCC_CSM1.1模式對(duì)中國(guó)20世紀(jì)平均地面氣溫的模擬性能后發(fā)現(xiàn),BCC_CSM1.1模式能夠更好地模擬出平均地面氣溫的時(shí)間演變特征,比如中國(guó)1961~1990年1°C左右的增暖幅度,BCC_CSM1.1模式的模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)相一致。

        本研究所使用的模式資料主要是由參與 IPCC AR5第五次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP5)的BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1(m)模式提供的1901~2011年的歷史氣候模擬試驗(yàn) (簡(jiǎn)稱Historical試驗(yàn))的模式結(jié)果。

        觀測(cè)資料使用的是英國(guó)東英吉利亞(East Anglia)大學(xué)的CRU (Climatic Research Unit)最近釋放的 1901~2011年全球陸面月平均地面數(shù)據(jù)集CRU_TS_3.2,其空間水平分辨率達(dá)到 0.5°×0.5°(http://badc.nerc.ac.uk/browse/badc/cru/data[2014-0 5-20])。CRU資料在重建過程中包括了嚴(yán)格的時(shí)間均一性檢驗(yàn),空間分辨率更高,時(shí)間尺度更長(zhǎng),一直以來是 IPCC評(píng)估報(bào)告采用的系列數(shù)據(jù)之一(IPCC,2001)。該數(shù)據(jù)集提供了包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水等要素在內(nèi)的 10個(gè)地表變量,在全球氣候變化的科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用(Folland et al., 2001;Jones et al., 2001)。

        再分析資料為 NCEP/NCAR(Kalnay et al.,1996)和ERA-40提供的數(shù)據(jù)集。NCEP/NCAR數(shù)據(jù)集是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)利用觀測(cè)資料、預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)對(duì)全球從 1948年到目前的氣象資料進(jìn)行再分析形成的格點(diǎn)資料(施曉暉等,2006)。ERA-40是歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)于2003年完成第二代再分析資料。相對(duì)于第一代再分析資料(NCEP-1、NCEP-2 和 ERA-15)來說,ERA-40無論在空間分辨率還是時(shí)間尺度上都有較大的改進(jìn) (Simmons and Gibson, 2000;Uppala et al.,2004)。

        2.2 方法

        為了研究氣候要素的年際變率,對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)的離散程度,將標(biāo)準(zhǔn)差運(yùn)用到時(shí)間上可以反映變率。BCC_CSM1.1的水平分辨率為T42波譜截?cái)啵珺CC_CSM1.1(m)的水平分辨率為T106波譜截?cái)?,而CRU觀測(cè)數(shù)據(jù)為0.5°×0.5°,NCEP再分析資料中輻射和地表熱通量變量分辨率為 1.9°×1.9°。為了能夠?qū)Σ煌直媛实馁Y料作對(duì)比分析,本研究在做歷史回報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)時(shí),將BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)通過雙線性插值方法插值到CRU資料分辨率0.5°×0.5°網(wǎng)格上;做輻射和地表熱通量分析時(shí),將兩個(gè) BCC模式的模擬結(jié)果插值到 NCEP的 1.9°×1.9°網(wǎng)格以及 ERA-40的1.125°×1.125°網(wǎng)格(為減少插值誤差)。

        氣溫是構(gòu)成氣候的重要?dú)庀笠兀狙芯吭谀陼r(shí)間尺度上研究BCC_CSM兩種分辨率的氣候模式對(duì) 1948~2011年期間中亞地區(qū)地面氣溫的模擬能力,并結(jié)合輻射和地表熱通量等要素,進(jìn)一步分析模式分辨率提高對(duì)中亞氣候模擬性能的影響,從而為模式改進(jìn)提供參考。

        3 結(jié)果分析

        3.1 中亞地面氣溫氣候態(tài)和年際變率

        圖1 是中亞地區(qū)(35°N~55°N, 50°E~95°E)區(qū)域平均的 BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1(m)歷史模擬試驗(yàn)結(jié)果和 CRU資料的年平均地面氣溫在1948~2011年間的時(shí)間變化特征。兩個(gè)模式與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為 0.613和 0.633,均通過了99%的信度檢驗(yàn)。趨勢(shì)分析的結(jié)果顯示觀測(cè)結(jié)果和兩個(gè)模式的模擬結(jié)果均呈顯著的增溫趨勢(shì),BCC_CSM1.1模式結(jié)果的增溫趨勢(shì)與CRU資料更為接近。10年滑動(dòng)平均可以較好反映年代際變化特征,從該曲線來看,三者的時(shí)間演變特征大致相同。

        圖2a是中亞地區(qū)年平均地面氣溫觀測(cè)結(jié)果的空間分布圖。從數(shù)值高低分布來看,CRU數(shù)據(jù)中氣溫低于零度的區(qū)域,主要出現(xiàn)在中國(guó)新疆南部以及中國(guó)、蒙古和俄羅斯三國(guó)的交界處。高值中心(大于12°C)區(qū)域主要分布在烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦,在中國(guó)新疆塔里木盆地中也有高值中心出現(xiàn)。在烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和哈薩克斯坦南部,年平均氣溫由南向北遞減。由圖2b和圖2c可知,兩個(gè) BCC模式均能模擬出中亞地區(qū)地面氣溫由南向北遞減的分布趨勢(shì),尤其是烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和哈薩克斯坦南部一帶。BCC-CSM1.1模式能夠部分模擬出中國(guó)新疆的地面氣溫分布,但數(shù)值和位置差異較大。BCC-CSM1.1(m)較 BCCCSM1.1有較大改進(jìn),對(duì)新疆塔里木盆地地區(qū)的地面氣溫空間分布模擬較好,只是數(shù)值略為偏低。

        從差異場(chǎng) (圖 2d和圖 2e)來看兩個(gè)模式對(duì)中亞地區(qū)的氣溫模擬同時(shí)存在高估(正值區(qū))和低估(負(fù)值區(qū))。從等值線數(shù)值來看,高估的程度遠(yuǎn)低于低估。高估的誤差數(shù)值范圍在0~2°C,其區(qū)域主要集中在哈薩克斯坦境內(nèi)和烏茲別克斯坦的西北部,在中國(guó)新疆有零星的分布。低估的誤差遠(yuǎn)大于高估,主要體現(xiàn)在中國(guó)新疆的塔里木盆地。BCC_CSM1.1模式的誤差大于10°C,且低估的區(qū)域較大。BCC_CSM1.1(m)的模擬效果優(yōu)于BCC_CSM1.1,誤差數(shù)值減小,同時(shí)低估區(qū)域縮小,在中國(guó)新疆的塔里木盆地表現(xiàn)尤為明顯。從兩個(gè)模式間的地面氣溫差異場(chǎng) (圖 2f)來看,差異較大的區(qū)域位于中國(guó)新疆塔里木盆地,BCC_CSM1.1(m)較BCC_CSM1.1更加接近觀測(cè)值。另外在中國(guó)、蒙古和俄羅斯三國(guó)交界處,以及哈薩克斯坦東南部到土庫(kù)曼斯坦東部一帶也有較顯著的改進(jìn),差異數(shù)值在 2°C左右??赡苡捎?BCC_CSM1.1(m)氣候模式水平分辨率的提高,能較好地刻畫新疆中部沙漠地區(qū)的下墊面特征。

        圖1 1948~2011年中亞區(qū)域年平均地面氣溫演變特征(直線:線性擬合;虛線:10年滑動(dòng)平均;單位:°C)Fig. 1 Time series of the mean annual surface air temperature regionally averaged over Central Asia during 1948-2011 (Straight lines: linear fitting; dashed curves: 10-year running mean; units: °C)

        圖3是過去64年來觀測(cè)和模擬的中亞年平均地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差以及模擬結(jié)果和觀測(cè)之間差異的空間分布。CRU資料顯示,年平均地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)由南向北遞增的趨勢(shì)。中亞北部的哈薩克斯坦北部和俄羅斯,標(biāo)準(zhǔn)差大于 1.0°C,在蒙古西部出現(xiàn)了1.2°C的高值區(qū)域。而低值區(qū)域主要集中在中國(guó)新疆、阿富汗北部以及塔吉克斯坦一帶。在中國(guó)新疆南部和東部,數(shù)值小于 0.7°C。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)兩個(gè)模式較好地再現(xiàn)了中亞年平均地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差由南向北遞增的總體趨勢(shì),但在細(xì)節(jié)處差異較明顯。在中亞北部地區(qū),兩個(gè)模式均存在較明顯的高估,BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m)。對(duì)中國(guó)新疆低值區(qū)域的模擬,整體趨勢(shì)一致,但BCC-CSM1.1模式比BCC-CSM1.1(m)更接近于觀測(cè)數(shù)值。

        圖3d和圖3e是兩個(gè)BCC_CSM模式與CRU觀測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的差值場(chǎng)。兩個(gè)模式的標(biāo)準(zhǔn)差較CRU觀測(cè)資料同時(shí)存在偏高與偏低,在中亞北面以偏高為主,南面以偏低為主。相對(duì)于BCC_CSM1.1(m),BCC_CSM1.1模式與觀測(cè)數(shù)據(jù)更為接近,僅在哈薩克斯坦北部和俄羅斯、中國(guó)新疆東部以及阿富汗北部到吉爾吉斯斯坦一帶高于 0.8°C。BCC_CSM1.1(m)模式模擬結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差在俄羅斯、中國(guó)新疆東部和中部地區(qū)偏高0.4°C以上,僅在哈薩克斯坦西南部、土庫(kù)曼斯坦和烏茲別克斯坦一帶的偏差小于0.1°C。圖3f是兩個(gè)BCC模式的差異場(chǎng),BCC_CSM1.1(m)模式標(biāo)準(zhǔn)差較 BCC_CSM1.1的整體偏高,差異最大的區(qū)域集中在中國(guó)新疆北部、哈薩克斯坦東部到俄羅斯和蒙古交界一帶,數(shù)值達(dá)到0.3°C以上,其次是里海北部沿岸,范圍較小,數(shù)值在0.3°C。

        3.2 中亞地區(qū)地面感熱通量分析

        陸氣間動(dòng)量和熱量交換對(duì)于氣候變化和大氣環(huán)流起著不容忽視的作用,為了進(jìn)一步研究?jī)煞NBCC模式的模擬能力差異,引入了感熱通量、潛熱通量。圖4a是NCEP再分析資料顯示中亞地區(qū)的年感熱通量空間分布。整個(gè)中亞地區(qū),感熱通量以正值為主,在俄羅斯境內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值區(qū)域,在中國(guó)、俄國(guó)、蒙古交界處以北有一個(gè)小的負(fù)值中心。高值區(qū)域位于里海沿岸,最大值出現(xiàn)在土庫(kù)曼斯坦、烏茲別克斯坦、伊朗及阿富汗北部,數(shù)值達(dá)到 50 W m-2以上。此外,在中國(guó)的新疆東部地區(qū)也出現(xiàn)了高值區(qū)域,數(shù)值在40 W m-2左右。對(duì)比圖2a,感熱通量的分布與年平均氣溫較為相似,高低值中心的空間分布總體上保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。兩個(gè) BCC模式對(duì)中亞區(qū)域的年感熱通量空間分布模擬結(jié)果尚可(圖4b和圖4c),對(duì)土庫(kù)曼斯坦、烏茲別克斯坦、伊朗及阿富汗北部的高值區(qū)域模擬較好。但對(duì)俄羅斯境內(nèi)的負(fù)值區(qū)域,模擬效果不理想。

        從模式與NCEP再分析資料的差異場(chǎng)看(圖4d和圖4e),多數(shù)區(qū)域的誤差在10 W m-2以下,主要有哈薩克斯坦和中國(guó)新疆大部分區(qū)域。兩個(gè)模式的模擬誤差分布較為接近,偏高的區(qū)域均集中在中亞北部的俄羅斯和中國(guó)、塔吉克斯坦和阿富汗交界處。偏低區(qū)域分布于里海沿岸地區(qū)。其中 BCC_CSM1.1(m)模式模擬偏高區(qū)域較BCC_CSM1.1小,且偏高的數(shù)值減小,俄羅斯境內(nèi)的偏高誤差減小較為明顯;但對(duì)于里海沿岸模擬偏低區(qū)域,BCC_CSM1.1的模擬效果略好于BCC_CSM1.1(m)。

        圖4f是兩個(gè)模式模擬的感熱通量差異場(chǎng)。在大部分區(qū)域,兩個(gè)模式的差異在5 W m-2以下。將該差異場(chǎng)結(jié)合圖 4d進(jìn)行分析,模式差異場(chǎng)中的負(fù)值區(qū)域,主要集中在俄羅斯境內(nèi)、里海沿岸以及中國(guó)新疆南部及北部等地區(qū),在圖 4d中顯示為正值;而模式差異場(chǎng)中的正值區(qū)域,位于中國(guó)新疆西部的塔里木盆地,在圖 4d中表現(xiàn)為負(fù)值。這說明,在上述區(qū)域內(nèi),BCC_CSM1.1(m)模式模擬結(jié)果相對(duì)于BCC_CSM1.1模式改進(jìn)較為明顯。對(duì)比圖4f和圖 2f(年平均氣溫模擬差異場(chǎng)),二者高低值分布較為相似,存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,在中國(guó)的新疆地區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。

        圖5a是中亞地區(qū)NCEP再分析資料年潛熱通量的空間分布。與感熱通量(圖4a)和年平均氣溫(圖2a)的空間分布近乎相反,潛熱通量的低值中心出現(xiàn)在哈薩克斯坦南部、土庫(kù)曼斯坦、烏茲別克斯坦及阿富汗北部一帶以及中國(guó)新疆的東部地區(qū)。高值中心主要位于中亞北面的俄羅斯境內(nèi)、里海及沿岸以及中國(guó)新疆南部和西藏地區(qū)。兩個(gè) BCC模式的模擬誤差以模擬偏低為主,誤差最大的區(qū)域位于中亞北部的俄羅斯境內(nèi),BCC-CSM1.1(m)模式比BCC-CSM1.1略好,誤差的數(shù)值有所減小。模擬偏高的區(qū)域則出現(xiàn)在里海沿岸,即哈薩克斯坦西南部,呈現(xiàn)一個(gè)小的高值中心。

        圖2 1948~2011年中亞地區(qū)氣候態(tài)的(a)CRU年平均地面氣溫、(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬結(jié)果、(d)BCC_CSM1.1和(e)BCC_CSM1.1(m)模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)差異場(chǎng)以及(f)兩個(gè)模式結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位:°C)Fig. 2 The spatial distribution of the climatology of (a)the CRU observed, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface air temperature, differences between observations and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m), and (f)modeled mean annual surface air temperature differences between the two models over Central Asia averaged over 1948-2011 (units: °C)

        圖3 1948~2011年: (a)CRU觀測(cè);(b)BCC_CSM1.1和 (c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差;(d, e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與觀測(cè)以及 (f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果差異場(chǎng)的空間分布 (單位:°C)Fig. 3 The spatial distribution of standard deviation of (a)the CRU observed, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface air temperature, differences between observations and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m), and (f)modeled standard deviation of mean annual surface air temperature differences of the two models over Central Asia averaged over 1948-2011 (units: °C)

        圖4 1948~2011年:(a)NCEP再分析資料感熱通量空間分布;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面感熱;(d、e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與NCEP再分析資料之間差異場(chǎng)的空間分布以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位:W m-2)Fig. 4 The spatial distribution of the (a)NCEP reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface sensible heat fluxes, and difference between NCEP reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m), and (f)modeled mean annual surface sensible heat flux differences of the two models over Central Asia averaged over 1948-2011 (units: W m-2)

        圖5 1948~2011年:(a)NCEP再分析資料潛熱通量空間分布;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面潛熱;(d、e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與NCEP再分析資料之間差異場(chǎng)的空間分布以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位:W m-2)Fig. 5 The spatial distribution of the (a)NCEP reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface latent heat fluxes, and difference between NCEP reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m), and (f)modeled mean annual surface latent heat flux differences of the two models over Central Asia averaged over 1948-2011 (units: W m-2)

        從兩個(gè)模式的差值場(chǎng)(圖5f)來看,整體的模擬結(jié)果差別較小,里海地區(qū)的差異最大,其次是中國(guó)、哈薩克斯坦、俄羅斯交界處以及中國(guó)新疆地區(qū)。結(jié)合圖 5d進(jìn)行分析,BCC_CSM1.1(m)模式相對(duì)BCC_CSM1.1改進(jìn)的區(qū)域主要表現(xiàn)為:(1)在圖5d中顯示為負(fù)值,而在圖 5f中對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)正值的區(qū)域,主要出現(xiàn)在中國(guó)、俄羅斯、哈薩克斯坦、蒙古交界處到中國(guó)新疆北部、中國(guó)新疆西南部到阿富汗北部以及里海地區(qū);(2)在圖 5d顯示為正值而在圖5f中呈現(xiàn)負(fù)值的區(qū)域,主要位于中國(guó)新疆塔里木盆地地區(qū)。圖5f中的高低值空間分布與圖4f的近乎相反,這些正負(fù)區(qū)域出現(xiàn)的位置,同時(shí)也是BCC_CSM1.1(m)模式相對(duì)BCC_CSM1.1改進(jìn)的地方。對(duì)比這些區(qū)域與圖2f,除了數(shù)值相反之外,其高低值空間分布存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在中國(guó)新疆地區(qū)表現(xiàn)比較明顯。

        關(guān)于再分析資料的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性,不少專家和學(xué)者做了研究,如:Josey(2001)利用海上浮標(biāo)測(cè)量資料比較NCEP/NCAR和ERA-40再分析資料的表面熱通量的差異,結(jié)果表明,相比于 NCEP/NCAR再分析資料,ERA-40再分析資料的熱通量更接近于實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果;周連童(2009)利用臺(tái)站觀測(cè)資料以及NCEP/NCAR和ERA-40再分析資料,計(jì)算并比較了在我國(guó)西北地區(qū)春夏季感熱輸送的差異,并指出從年代際時(shí)間尺度上,ERA-40再分析資料的感熱數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際臺(tái)站觀測(cè)資料計(jì)算得到的感熱數(shù)據(jù);趙天保和符淙斌(2006)就中國(guó)區(qū)域氣溫和降水兩種基本氣候變量在空間分布及其變化趨勢(shì)上對(duì)ERA-40和NCEP-2與觀測(cè)資料之間的差異做了一些比較和分析,結(jié)果表明:兩套再分析資料基本上都能反映出中國(guó)區(qū)域的溫度場(chǎng)和降水場(chǎng)的時(shí)空分布,再分析資料在東部地區(qū)的可信度高于西部,溫度場(chǎng)的可信度要高于降水場(chǎng),ERA-40可信度要高于NCEP-2;王同美等(2011)對(duì)NCEP-1、NCEP-2和ERA-40這3類資料中的垂直積分的總加熱率和地表感熱通量進(jìn)行比較,并指出垂直積分的總非絕熱加熱在空間分布上三套資料基本一致,NCEP兩套資料在大值中心的分布上相似,但量值上NCEP-2和ERA-40比較接近。為了進(jìn)一步佐證模式分辨率提高對(duì)模式性能的提升,利用歐洲中心的 ERA-40再分析資料,對(duì) 1958~2001的感熱和潛熱數(shù)據(jù)作進(jìn)一步探討。

        圖6a是ERA-40資料中亞地區(qū)年平均感熱的空間分布圖。將其與實(shí)況CRU(圖2a)相比,ERA-40的空間分布特征與觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,主要的高低值區(qū)域分布的范圍與位置和實(shí)況基本對(duì)應(yīng)。ERA-40與NCEP資料(圖4a)相比,ERA-40在烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和阿富汗北部一帶的數(shù)值較NCEP要低,并且與北部俄羅斯境內(nèi)的低值中心不一致。兩個(gè) BCC模式對(duì)中亞地區(qū)感熱的模擬以高估為主,從差值場(chǎng)看,隨著模式水平分辨率的提高,BCC_CSM1.1(m)的模擬性能較BCC_CSM1.1有較大改善,在哈薩克斯坦北部地區(qū)模擬偏高的區(qū)域數(shù)值減少了5 W m-2以上。結(jié)合圖6f和圖6d,模式性能改善最大的區(qū)域集中在正負(fù)值中心區(qū)域,如中國(guó)新疆塔里木盆地和新疆北部,中國(guó)、俄羅斯、哈薩克斯坦、蒙古交界處等,與前面利用NCEP資料的分析結(jié)論一致。

        圖7a是ERA-40年平均潛熱空間分布,烏茲別克斯坦中部和土庫(kù)曼斯坦一帶的低值區(qū)域以及在俄羅斯境內(nèi)的高值區(qū)域,均較NCEP要小,但中國(guó)新疆南部的低值區(qū)域遠(yuǎn)大于NCEP資料。兩個(gè)BCC模式對(duì)中亞地區(qū)感熱的模擬結(jié)果與ERA-40差異總體上小于10 W m-2,以低估為主,僅在中國(guó)新疆塔里木盆地和里海東岸為高估。由差值場(chǎng)(圖 7d和圖 7e)能夠看出,隨著模式水平分辨率的提高,BCC_CSM1.1(m)的模擬性能較BCC_CSM1.1有較大改善,與ERA-40再分析資料更為接近,主要表現(xiàn)為哈薩克斯坦中部和中國(guó)新疆,模擬誤差減少 2 W m-2以上。結(jié)合圖7f和圖7d,BCC_CSM1.1(m)相對(duì)于BCC_CSM1.1模式的改進(jìn)區(qū)域與圖5f所示相同。

        3.3 地表輻射分析

        由圖6和圖7的分析可知,NCEP資料與ERA-40均能夠較好的反應(yīng)中亞地區(qū)的氣候變化特征,兩類再分析資料與 BCC模式的分析結(jié)論一致。因此,在后面的分析中,僅加入了NCEP資料的輻射通量,以對(duì)兩個(gè)模式的模擬效果做進(jìn)一步檢驗(yàn)。圖8是中亞地區(qū)NCEP再分析資料的年地面短波凈輻射,兩個(gè) BCC模式的模擬結(jié)果以及差值場(chǎng)的空間分布。從圖 8a可見,中亞地區(qū)的短波凈輻射總體呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢(shì),高值中心出現(xiàn)在中國(guó)西藏及新疆南部和土庫(kù)曼斯坦南部及阿富汗北部一帶。在中亞北部的俄羅斯境內(nèi)出現(xiàn)最低值。地面短波凈輻射受地形影響較大,圖中塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦一帶的數(shù)值明顯較同緯度地區(qū)要低。BCC-CSM1.1和BCC-CSM1.1(m)模式均能夠模擬出中亞地區(qū)短波凈輻射由南向北遞減的趨勢(shì)特征,并且對(duì)土庫(kù)曼斯坦及阿富汗北部一帶的高值區(qū)域模擬較好。BCC-CSM1.1(m)模式較BCC-CSM1.1有所改進(jìn)。BCC-CSM1.1的模擬結(jié)果,在中國(guó)新疆西部與吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦交界處呈現(xiàn)出一個(gè)低值區(qū)域。在BCC-CSM1.1(m)模式下,該誤差區(qū)域不僅數(shù)值減小,而且區(qū)域明顯縮小。結(jié)合圖2a分析短波凈輻射對(duì)年平均氣溫分布的影響,在烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和哈薩克斯坦南部,年平均氣溫由南向北遞減的趨勢(shì)與圖 8a中的較為一致,可以推測(cè),該地區(qū)的年平均氣溫空間差異主要是由于太陽(yáng)短波輻射所引起。地形和下墊面對(duì)年平均氣溫?cái)?shù)值分布的影響不可忽略,在中國(guó)新疆塔里木盆地和新疆南部表現(xiàn)較為明顯。

        圖6 1958~2001年:(a)ERA-40再分析資料感熱通量空間分布;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面感熱;(d、e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與ERA-40再分析資料以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位:W m-2)Fig. 6 The spatial distribution of the (a)ERA-40 reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface sensible heat fluxes,and difference between ERA-40 reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m)and (f)modeled mean annual surface sensible heat flux differences of the two models over Central Asia averaged over 1958-2001 (units: W m-2)

        圖7 1958~2001年:(a)ERA-40再分析資料潛熱通量空間分布;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面潛熱;(d,e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與ERA-40再分析資料以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位: W m-2)Fig. 7 The spatial distribution of the (a)ERA-40 reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface latent heat fluxes, and difference between ERA-40 reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m)and (f)modeled mean annual surface latent heat flux differences of the two models over Central Asia averaged over 1958-2001 (units: W m-2)

        圖8d和圖8e是BCC模式和NCEP資料的差值場(chǎng)。BCC-CSM1.1模式模擬結(jié)果主要體現(xiàn)為偏低10 W m-2為主,在中國(guó)的新疆南部地區(qū),偏低程度最高。僅僅在阿富汗北部一帶以及中國(guó)的新疆北部出現(xiàn)模擬偏高區(qū)域。BCC-CSM1.1(m)模式與BCC-CSM1.1相比,除了有模擬偏低區(qū)域,還存在較明顯的偏高區(qū)域,以阿富汗北部、吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦一帶最為明顯,此外還出現(xiàn)在中國(guó)新疆北部及哈薩克斯坦南部。圖8f是兩個(gè)BCC模式之間的差異場(chǎng),在整個(gè)中亞地區(qū)以正值為主。兩個(gè)模式最大差異出現(xiàn)在中國(guó)新疆南部的塔里木盆地地區(qū),其次是哈薩克斯坦東南部、塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦一帶。兩個(gè)模式差異為正的區(qū)域,在圖8d中表現(xiàn)為負(fù)值,這說明BCC_CSM1.1(m)模式對(duì)短波凈輻射的模擬效果在整個(gè)中亞地區(qū)較BCC_CSM1.1有較大改進(jìn),尤其是中國(guó)新疆塔里木盆地一帶。模式分辨率的提高,能夠更好地表現(xiàn)出地形及下墊面的影響。

        圖9是中亞地區(qū)NCEP再分析資料及模式模擬的年長(zhǎng)波凈輻射空間分布及模式與實(shí)況及模式之間的差異場(chǎng)。由圖 9a可知,中亞地區(qū)的年均長(zhǎng)波輻射分布主要表現(xiàn)為由南向北遞減的趨勢(shì)。最低值出現(xiàn)在俄羅斯境內(nèi),數(shù)值在60 W m-2以下。高值區(qū)域集中于土庫(kù)曼斯坦和阿富汗北部地區(qū)以及中國(guó)新疆南部和西藏北部一帶,數(shù)值超過100 W m-2。兩個(gè) BCC模式對(duì)中亞地區(qū)長(zhǎng)波凈輻射由南向北遞減的趨勢(shì)均模擬較好,但高、低值區(qū)域的分布仍存在差異。BCC-CSM1.1模式對(duì)俄羅斯境內(nèi)低值中心的模擬偏低10 W m-2,對(duì)土庫(kù)曼斯坦和阿富汗北部高值區(qū)域的模擬較好,但對(duì)中國(guó)新疆和西藏北部的高值區(qū)域模擬效果較差,僅模擬出一小塊 90~100 W m-2的區(qū)域。BCC-CSM1.1(m)模式較 BCCCSM1.1有較大改進(jìn)。對(duì)俄羅斯境內(nèi)低值區(qū)域的模擬,數(shù)值和區(qū)域位置與實(shí)況較為接近。對(duì)于中國(guó)新疆地區(qū)高值區(qū)域的模擬較 BCC-CSM1.1有較大改進(jìn),模擬數(shù)值更接近實(shí)況,只是區(qū)域范圍偏北。

        圖9d和圖9e是兩個(gè)BCC模式對(duì)中亞長(zhǎng)波凈輻射模擬結(jié)果與實(shí)況的差異場(chǎng)。兩個(gè)模式對(duì)中國(guó)新疆南部和西藏北部區(qū)域的模擬均呈現(xiàn)較明顯的偏低,數(shù)值差異在50 W m-2以上。BCC_CSM1.1模式對(duì)中亞地區(qū)的模擬以偏低為主,僅在阿富汗北部地區(qū)出現(xiàn)偏高區(qū)域;BCC-CSM1.1(m)模式的模擬效果要好于 BCC-CSM1.1模式,模擬誤差在-2~2 W m-2的區(qū)域明顯增多,模擬偏高的區(qū)域也多于BCC-CSM1.1模式,主要體現(xiàn)在中國(guó)新疆北部及塔里木盆地、烏茲別克斯坦南部、土庫(kù)曼斯坦西部和阿富汗北部一帶,誤差在20 W m-2以下。圖9f是兩個(gè)BCC模式的差異場(chǎng)。整體來看,BCC-CSM1.1(m)模式比BCC-CSM1.1的模擬偏高,差異最大的地方位于中國(guó)新疆的塔里木盆地,數(shù)值達(dá)到了30 W m-2,其次是新疆南部、哈薩克斯坦南部到阿富汗北部一帶以及中蒙交界處。

        4 結(jié)論

        (1)BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)兩個(gè)模式均能夠模擬出中亞地區(qū)顯著增溫以及地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差由南向北遞增的總體趨勢(shì)。BCC_CSM1.1(m)對(duì)中亞地面年平均氣溫空間分布的模擬效果優(yōu)于BCC_CSM1.1,誤差數(shù)值減小,同時(shí)低估區(qū)域縮小,在中國(guó)新疆的塔里木盆地表現(xiàn)尤為明顯。而對(duì)中亞年平均地面氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的模擬,BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m),其模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)更為接近。

        (2)兩個(gè) BCC模式對(duì)中亞地區(qū)年感熱通量空間分布的模擬結(jié)果中,對(duì)土庫(kù)曼斯坦和烏茲別克斯坦等地的高值區(qū)域模擬較好,但對(duì)俄羅斯境內(nèi)的負(fù)值區(qū)域,模擬效果不理想;兩個(gè)模式對(duì)中亞地區(qū)的年潛熱模擬誤差均以偏低為主。與BCC-CSM1.1模式相比,BCC-CSM1.1(m)對(duì)中亞地區(qū)熱通量的模擬效果改進(jìn)最大的區(qū)域集中在中國(guó)、俄羅斯、哈薩克斯坦、蒙古交界處到中國(guó)新疆北部、中國(guó)新疆西南部到阿富汗北部以及里海地區(qū)。

        圖8 1948~2011年:(a)NCEP再分析資料短波凈輻射;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面短波凈輻射;(d、e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與NCEP再分析資料以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位: W m-2)Fig. 8 The spatial distribution of the (a)NCEP reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface net shortwave radiation,and difference between NCEP reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m)and (f)modeled mean annual surface net shortwave radiation differences of the two models over Central Asia averaged over 1958-2001 (units: W m-2)

        圖9 1948~2011年:(a)NCEP再分析資料長(zhǎng)波凈輻射;(b)BCC_CSM1.1和(c)BCC_CSM1.1(m)模擬的中亞地區(qū)年平均地面長(zhǎng)波凈輻射;(d、e)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果與NCEP再分析資料以及(f)兩個(gè)BCC_CSM模式模擬結(jié)果之間差異場(chǎng)的空間分布(單位: W m-2)Fig. 9 The spatial distribution of the (a)NCEP reanalysis, (b)BCC_CSM1.1 and (c)BCC_CSM1.1(m)modeled mean annual surface net longwave radiation,and difference between NCEP reanalysis and the simulation from (d)BCC_CSM1.1 and (e)BCC_CSM1.1(m)and (f)modeled mean annual surface net longwave radiation differences of the two models over Central Asia averaged over 1958-2001 (units: W m-2)

        (3)BCC-CSM1.1和BCC-CSM1.1(m)模式均能夠模擬出中亞地區(qū)短波凈輻射和長(zhǎng)波輻射由南向北遞減的趨勢(shì)特征。模式分辨率的提高,能夠更好地表現(xiàn)出地形對(duì)長(zhǎng)/短波輻射分布的影響。BCC-CSM1.1(m)模式的模擬結(jié)果較 BCC-CSM1.1有較大改進(jìn),數(shù)值和區(qū)域位置與實(shí)況較為接近,對(duì)于中國(guó)新疆地區(qū)短波凈輻射數(shù)值模擬以及長(zhǎng)波凈輻射高值區(qū)域模擬改進(jìn)明顯,模擬數(shù)值更接近實(shí)況。

        比較兩個(gè) BCC模式對(duì)地面凈通量(包含長(zhǎng)/短波輻射、感熱、潛熱等)與地面氣溫的模擬誤差,兩者的數(shù)值大小和空間分布均有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。模式對(duì)地面凈通量模擬性能提高的區(qū)域,同時(shí)也是地面氣溫模擬性能得到改善的地方。盡管不同水平分辨率的 BCC模式對(duì)不同氣象要素的模擬能力存在較大差異,但大氣模式、陸面過程模式分辨率的提升,對(duì)氣溫及與之相關(guān)的感熱通量模擬性能的改善均影響較大。

        Gao et al.(2013)利用BCC_CSM1.1模式的歷史試驗(yàn)結(jié)果以及RCP4.5 和 RCP8.5情景下對(duì)未來氣候預(yù)估結(jié)果來驅(qū)動(dòng)區(qū)域氣候模式 RegCM4.0(分辨率為50 km),進(jìn)而對(duì)兩個(gè)模式的模擬性能進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明:模式分辨率的提高,使 RegCM4.0模式能夠更好地模擬出氣溫和降水氣候變化信號(hào)在空間上的細(xì)節(jié),比如高分辨率的RegCM4.0模式對(duì)中國(guó)東部地區(qū)氣溫的模擬能力較 BCC_CSM1.1有較大改進(jìn);高分辨率模式才能精確重現(xiàn)降水量的空間分布,尤其是地形效應(yīng)所引起的降水。本研究的結(jié)論與上述文獻(xiàn)基本一致,高分辨率模式在中亞地區(qū)氣溫模擬中表現(xiàn)出了一定優(yōu)勢(shì),不過低分辨率也有少數(shù)優(yōu)于高分辨率的地方。因此,全面提高模式模擬性能不僅需要提高分辨率,而且同時(shí)要對(duì)其他方面(如對(duì)流、積云等)進(jìn)行改進(jìn)。

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