中国降水模拟的小时尺度精细化评估

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由于我国降水的独特性和复杂性,其模拟偏差普遍存在于各类数值模式中,合理准确地再现我国及周边地区的空间分布和各时间尺度变率一直是数值模拟研究领域的难题。本文聚焦小时尺度特征和基于事件的评估方法,针对我国降水模拟偏差开展全面、细致的评估分析,希望以此促进对偏差成因的深入理解,为后续模式改进提供思路。在对我国及周边地区降水进行整体评估的基础上,综合考虑不同尺度地形作用和海陆差异等因素,确定了青藏高原东坡、华北地区和华南沿海地区三个典型偏差区,有针对性地开展了精细化评估。论文的主要结论如下:(1)我国及周边地区整体评估。高分辨率气候系统模式模拟的我国夏季降水气候态偏差与地形紧密相关。青藏高原地区为降水量正偏差区,过多的降水量主要来自模式对降水频率的高估。相反的,在我国第三地形阶梯(我国东部500 m等高线以东地区),模式模拟的降水量、降水频次和降水强度均以低估为主。东亚地区存在六个典型偏差区,包括四个正偏差区(青藏高原南缘、青藏高原东北坡、青藏高原东坡、华北山区)和两个负偏差区(长江下游地区、中国华南沿海地区)。在四个正偏差区(两个负偏差区),降水频率高估(低估)主要源于弱降水(中等强度降水)的模拟偏多(少)。进一步对降水日变化进行评估可知不同区域日变化偏差源于不同类型的降水事件:青藏高原周边地区降水日变化振幅偏小主要受长持续性降水事件影响,华北山区降水日变化峰值提前、振幅偏小受长持续性清晨降水和午后短时降水的共同影响,长江下游和华南沿海地区的午后降水峰值提前是由于短时降水峰值较观测偏早。(2)青藏高原东坡评估。考虑到该地区存在显著的强度-频次结构模拟偏差,区分强、弱降水事件并进行分类评估。针对高原东坡强降水事件的时空演变情况进行评估,发现模式能够再现降水过程自关键区的西北侧向其东南侧移动的特征,但降水事件的开始时间多早于观测,这可能与模式低层散度场状况密切相关。针对高原东坡弱降水偏多这一问题设计了天气预报型试验(Transpose-AMIP,TAMIP),通过与真实降水过程的对比,筛选TAMIP试验中存在虚假弱降水的时次并考察相应环流模拟偏差。研究发现模式存在虚假弱降水时,对流层低层呈现异常辐合,近地面大气偏冷、偏湿。进而开展敏感性试验,在水汽方程中增加额外的水汽散度项,可显著减少陡峭地形区周边的虚假降水。这种改进主要源于敏感性试验减少了对弱降水频次的高估,证实了水汽散度的模拟偏差对虚假弱降水的触发作用。(3)华北地区评估。聚焦华北陡峭地形区,气候模式无法再现该地区降水量随地形高度增加而逐渐减小的空间分布型,高海拔(低海拔)地区呈现降水量模拟正偏差(负偏差)。气候模式也完全无法再现该地区降水量日变化峰值时刻的区域差异。在相对真实的环流背景下,TAMIP试验可以较好模拟出华北地区降水日变化峰值时刻的分布型,但对降水量空间分布的模拟偏差未见明显改善。进而评估具备良好初始场且分辨率更高的ECMWF预报产品,发现模式不但能够合理再现降水量随高度的分布,还能够合理模拟日变化峰值位相的区域差异。这说明降水量与地形关系受分辨率影响,而日峰值主要受环流场调控。值得注意的是,华北地区降水日变化和降水事件的开始、峰值和结束时间日变化都显示出自高海拔地区向下游平原地区滞后的特征,而TAMIP和ECMWF中降水日变化沿地形的演变不连续,说明对降水系统下坡过程的模拟仍存在偏差。(4)华南沿海评估。华南沿海地区降水受海陆分布以及华南内陆小尺度山地共同作用,时空分布较为复杂。沿海岸线降水量和降水频率呈现以雷州半岛为中心的东西两侧多、中间少的“三极型”分布,相应的降水日变化峰值表现为“清晨-午后-清晨”分布。气候模式对华南沿海地区降水模拟的偏差主要表现为系统性低估,且高分辨率的气候模式也不能合理再现沿海岸线的“三极型”降水量分布。相较于气候模式,ECMWF预报产品合理再现了“三极型”空间分布。但是,对于降水的日变化特征,ECMWF预报产品并没有明显优势。高分辨率气候模式可合理再现日峰值位相沿海岸线的变化特征,特别是较好模拟出了雷州半岛西部降水清晨单峰的特征。ECMWF高估了西部的午后降水,使该地日变化呈午后与后半夜双峰型。
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