区域气候模式对东亚夏季风降水的模拟能力分析

古丽海赛丽·伊米提

摘要：利用ReGCM3 和WRF模式对东亚季风区域(1980 ~ 1999)年间20年的地表温度和降水进行数值模拟，重点分析模式对我国西北干旱地区和东南地区地表温度和降水的模拟能力，分析中可以看出，在我国地表温度的模拟偏低，尤其在西北地区偏差较大。WRF模式对地表温度的模拟能力优于ReGCM3模式，能较好的模拟出地表温度的季节变化特征。 而ReGCM3模式对降水的模拟能力在华南地区优于WRF模式，在西北地区差于WRF模式。

关键词: 东亚夏季风，区域气候模式，模拟能力，性能检验

引言：

我国地处东亚季风区，东亚地区因为独特的地理位置，植被分布和季风环流的影响，是世界上气候变化率最大，最复杂的地区之一。由于东亚季风年际和年代变化, 我国洪涝干旱等气候灾害和极端气候事件发生频繁, 引起了严重的气候灾害, 尤其是旱涝等重大气候灾害每年造成数百亿公斤的粮食损失和数千亿元以上的经济损失。 降水年际变率的变化是衡量气候变化的一个重要指标, 与未来旱涝灾害的发生有密切联系。如果未来降水年际变率强度减弱(增强), 则意味着由此而带来的气候异常灾害有可能减少(增多)。 东亚夏季降水具有很强的年际变率, 强度达到气候平均降水的6%~7%, 因而导致东亚地区经常出现严重的旱涝灾害。 因此, 研究东亚季风区降水年际变化率，搞清楚其演变特征和规律对我国生态环境建及更好地理解和治理西北沙漠化过程，减少东部季风区洪涝灾害等均具有重大的现实意义和深远的战略意义。

1.东亚地区区域气候模拟的研究现状：

RCMs作为一种信息区域化工具，一方面对东亚地区区域气候状况进行多年模拟，提供有意义的气候统计特征和模式性能评价。另一方面用来模拟或预测洪水和干旱这类异常气候事件的季节内和年际变化，从而检验不同时间尺度的气候变率，并分析这类事件的起因和机制。虽然不同模式之间的模拟结果存在较大的差异，且在模拟不同季节时的多个变量各有所长，但大部分RCMs对模式气候态的改进均取得了稳定的发展，结果明显优于目前大多数CGMs 的预报技巧，主要表现在以下几个方面：

（1）环流：多数RCMs 都不同程度地模拟出东亚地区季风系统的大尺度环流特征及其爆发、中断、突然跳跃等演变过程，常常冬季系统的模拟优于夏季，对流层中高层天气系统的模拟优于低层。

（2）降水：大部分RCMs 再现了东亚各主要气候区降水的年际、季节和季节内变化及主要雨带的季节进退和降水的时空演变特征，包括爆发、持续时间、降水型、降水强度、降水量和降水峰值。

（3）温度：绝大多数RCMs 均能重现不同季节平均温度、最高温度和最低温度的空间分布以及不同区域温度的年变化，尤其是ReGCM 能捕获温度的极值和地形导致的温度中心。

总的来说，RCMs能较好地模拟出季节内、年变化和年际变化，其中以年变化模拟最好，尤其是年际变化的位相和量级［3］，而日变化模拟最差。在几种要素中，环流系统模拟得最好，温度场次之，降水最差，这是目前大多数模式的通病。具体而言，大部分RCMs 对东亚地区区域气候的模拟仍存在着如下一些不足：

（1）大部分RCMs 都没能很好的模拟出东亚地区大尺度特征的强度和量值，尤其是副热带高压的模拟偏强，选择较大的区域可能改进大尺度特征的

模拟。

（2）目前，不同的RCMs 都对东亚地区季节降水爆发、结束、雨量、雨强、雨带分布以及降水极值模拟的细节与观测之间的关系，还不很稳定，有些时段非常好，有些时段基本可以，有些时段很不好。

（3）一些研究高估降水，分析其原因可能是由于不同的对流降水参数化方案或云—辐射参数化方案的选取造成的，或者是陆面过程的简单描述造成，也可能是模拟的低层副高和西风槽偏强或陆地偏暖而海洋偏冷的系统性偏差导致梅雨锋偏强造成。Lee 等发现若考虑海洋地区，RegCM2 模拟的东亚大陆10 年日降水率偏差由1.1mm /d 减小到0.05 mm /d，从而可见考虑区域海气耦合模式是非常必要的。而一些区域模拟的降水量被低估,可能是由于边界方案湿度处理或青藏高原大地形处理的不当造成，或者与对流参数化方案的某些特征有关，也可能是由于过量低层云和简化的陆面过程方案导致，又或是模式中缺少海—气相互作用造成。通常出现在陡峭地形区和边界附近的数值点风暴（NPS，Num ericalPoints Storm s）会降低降水的模拟，这可通过大尺度地形特征的特殊处理或扩大模拟区域来减少。模拟的雨带偏北可能与驱动RCMs的再分析资料和模式中积云对流参数化方案有关。对梅雨锋的模拟过强则是由于SST 强迫导致BATS 方案产生了偏差，Baiu 锋降水太弱是由于从副热带地区传输给锋区的水汽不足造成，若调整对流参数方案，在副热带地区合理抑制降水，锋区降水可以增加。但若模拟的北太平洋副高北移，可能会模拟不出梅雨锋。

（4）RCMs 的另一个重要优势是能够模拟日变化，这对于减少月和季节平均场的误差是非常必要的。但从目前的模拟来看，虽然RCMs 可以模拟出日变化的总体趋势，但模拟的降水和温度日变化的量级显示出较大的偏差，尤其是局地最小值和最大值，这可能是由于地面辐射与云量的模拟不好，造成地表太阳辐射和云量的日循环被高估。

许多研究者对不同的区域、不同的季节及持续期进行了当前气候模拟，并与观测的气候态相比，结果发现温度常偏低2 ～5℃，降水误差在观测值的5％ ～50％范围内。值得注意的是，用RIEMS 对东亚地区进行连续10 年积分，模拟的季和月平均表面大气温度与观测之间偏差一般大约在1 ～2℃，这与IPCC（2001）报告中所述在区域尺度105 ～106 km季节表面大气温度偏差1 ～2°C 较为一致。对于降水，大多数区域不同季节降水偏差在50％左右。夏季，除江淮以外，其他地区RIEMS 模式模拟的降水偏小；秋季，除华北地区以外，其他地区降水偏差都在50％以内；春季，除华北、江淮以外，其他地区降水偏差都在50％以内。而模拟的雨带较观测偏北大约2 ～3 纬度。另外，RCMs也能为影响评价研究提供更详细的区域气候变化情景，许多学者研究了植被变化及CO2 增加对东亚地区区域气候的影响，结果发现，大范围植被退化使我国地表温度升高，东亚夏季风环流减弱，降水减少，华北干旱加剧。而大气中CO 2 的增加将使华北和华中沿海区的年降水增加约20％，华南增加8％，华北夏季增温最高达4°C 。通常，在CO 2 加倍下，除了华北的内陆地区变成暖干，其他地区将变成暖湿。还有一些学者用RCMs 研 究了东亚地区古气候的变化。

模拟结果的检测：在此文中在已有研究的基础上,选用往年（1980年-1999年）20年内 WRF，RegCM3这两种模式的对东亚地区温度与降水的模拟结果与观测结果进行对比，从而检验出 模式的模拟能力。东亚地区幅员辽阔，为了更好地了解模式的预报效果，下面对东亚地区进行了分区评估，   分区的时候太大了不能进一步评估模式的模拟能力，太小了则测边界条件等 对 模式性能的影响太大了，所以考虑各方面的因素进行了以下的分区：日本地区（123-148°E，30-46°N），蒙古区域（78-123°E，43-53°N），华北区域（107-123°E，34-43°N），江淮区域（107-123°E，26-34°N），华南区域（107-123°E，18-23°N），西北区域（78-107°E，26-43°N），印度区域（72-98°E，6-26°N），赤道上区域（92-130°E，-4°S-6°N），赤道下区域（103-152°E，-14°S-4°S），东亚陆地区域（75-145°E，5-55°N），东亚海洋区域（75-145°E，5-55°N）…其中重点分析我国西北区域和华南区域。

RegCM3模式 ：RegCM3模式是一种在美国国家大气研究中心（NCAR）第二代区域气候模式RegCM2（1996 年版本）的基础上，通过改进和发展，研制形成的一套高分辨率的东亚区域气候模式。

WRF模式：WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）是由美国国家大气研究中心（NCAR）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）联合众多大学及研究部门共同研发的新一代中尺度数值模式。

2.地面气温的模拟

2.1两种模式模拟出来的温度与观测结果的偏差对比（整个东亚地区）：

从图表中可以明显看出来对于整个东亚地区RegCM3模式模拟出来的温度较WRF模式模拟出来的结果更接近于观测结果。WRF模式的模拟结果与观测值的偏差约在-2℃和1℃之内，可以说 较好地模拟出了多年的月平均地面温度。而ReGCM3模式的模拟结果明显偏小，偏差约在-3℃~-0.4℃。而且偏差的时间分布并不均匀。

2.2（1）两种模式地表温度结果与观测资料的平均随月份的变化（我国西北地区）：

1.2（2）两种模式地表温度结果与观测资料的平均岁月份的变化（我国华南地区）：

从图表中可以看出对于我国西北地区，两种模式模拟出来的结果均偏低，也就是观测结果高于模拟结果。两种模式中WRF模式的模拟结果更接近于观测结果，偏差较小。在观测资料和WRF模式模拟出来的模拟结果中我国西北地区最高温度均出现于7月份，而在ReGCM3模式中最高温度出现在8月份。最低气温则均出现于一月份。而对于我国华南地区，ReGCM3模式模拟出来的结果偏低，而WRF模式模拟出来的结果春夏偏高，秋冬偏低。不过还是相对于ReGCM3更接近于观测结果。最高地表温度均出现在七月份，最低地表气温均出现在一月份。

2.3（1）两种模式地表温度结果与观测资料的平均随年际变化（我国西北地区）：

2.4（2）两种模式地表温度结果与观测资料的平均岁年际变化（我国华南地区）：

整体来看，从1982年到1999年模式模拟出来的温度基本上比实际观测结果偏低，而这种偏差在西北地区很明显，不管是WRF模式还是ReGCM3模式的模拟结果都比观测结果低很多，最大偏差幅度达到了4℃。不过在华南地区WRF模式模拟出来的温度和实际观测结果偏差很小，除了1998年和1999年模拟结果越观测结果的偏差，偏差幅度都小于1℃。ReGCM3模式模拟出来的结果明显偏低。可以说WRF模式已经较好地模拟出了华南地区地表气温。

3.降水的模拟：

3.1两种模式模拟出来的降水与观测结果的偏差对比（整个东亚地区）：

从图中可以看出，整体上来看，REGCM3模式模拟出来的降水结果跟观测结果最接近，偏差幅度约在-2.12~2.02，而WRF模式模拟出来的降水偏多，偏差约在1.05~5.91  。

3.2两种模式降水结果与观测资料的平均岁月份的变化（我国西北地区）：

两种模式降水结果与观测资料的平均岁月份的变化（我国华南地区）：

两种模式一定程度地模拟出了降水随季节变化的特征，在西北地区观测值，WRF模拟出来的降水最大值出现于七月份。而REGCM3模拟出来的降水最大值出现于六月份，上半年两种模式模拟出来的降水均偏多。不过模拟出来的最大值（七月份的）均偏少。。在华南地区,观测值与ReGCM3模拟出来的降水最大值都出现于七月份。WRF模式模拟结果偏大，ReGCM3模式模拟结果偏小。

3.3两种模式降水结果与观测资料的平均随年际变化（我国西北地区）：

两种模式降水结果与观测资料的平均随年际变化（我国华南地区）：

从图中可以分析出，在西北地区WRF模式模拟的降水结果与观察结果偏差小，很好的模拟出了西北地区的降水情况，而ReGCM3模式的模拟结果偏高。在我国华南地区，ReGCM3模式模拟的降水结果与观察结果偏差较小，均偏小，而WRF模式模拟的降水结果均偏高，偏差幅度也较大。

参考文献

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[3] 萌 魏, 启 舒, 振亚 宋,等. CMIP6 气候模式对 21 世纪初全球增暖减缓现象模拟能力评估与归因分析[J].  2021.

作者简介：古丽海赛丽·伊米提（1990.07）女，维吾尔族，新疆维吾尔自治区哈密市人，大学本科学历，气象预报助理工程师，从事民航气象预报员工作。