科研进展

QJRMS: 对流解析模式更准确刻画青藏高原中东部地区夏季降水特征

  青藏高原位于副热带欧亚大陆的中东部,平均海拔超过4000m,是海拔最高的高原,素有“世界屋脊”,“亚洲水塔”和“地球第三极”的美誉(图1)。同时,高原的热力强迫和机械强迫对亚洲季风系统的形成具有重要作用,并对周边地区乃至全球的水资源及生态系统产生重大影响。

  降水是高原水循环的重要组成部分。然而,准确合理地再现高原地区降水仍是世界性的难题,当前数值模式普遍存在对于青藏高原地区降水的高估。模式对于青藏高原地区降水的系统性高估,可能来自于模式本身的动力框架、模式中不恰当的物理参数化过程,以及较为粗糙的水平分辨率不能精细刻画水汽通道等局地和大尺度环流系统等。其中,对流参数化方案被广泛地认为是造成模式不确定性的重要来源之一。

  高分辨率模式发展的国际趋势是迈向对流解析尺度的长时间气候模拟。由于对流解析模式(convection permitting model;CPM)能够显式表征深对流过程,无需再依赖传统大尺度环流模式中所必需的、但被广泛认为是降水模拟偏差主要来源的对流参数化方案,从而为我们理解云和降水的物理机制提供了一种全新的重要途径[1]。随着计算资源的快速发展,对流解析模式已经在气候模拟研究领域中被逐渐应用。

  近日,在Climate Science for Service Partnership China (CSSP-China;https://www.metoffice.gov.uk/research/approach/collaboration/newton/cssp-china/index)项目和Convection-Permitting Third Pole (CPTP, which was endorsed by WCRP-CORDEX as a Flagship Pilot Study; http://rcg.gvc.gu.se/cordex_fps_cptp/) 的共同支持下,中国科学院大气物理研究所、中国气象科学研究院模式团队以及英国气象局的研究人员开展合作,共同研究了CPM对于青藏高原地区夏季降水特性的模拟增值,同时分析了造成传统大尺度环流模式(large-scale model;LSM)对于青藏高原夏季降水高估的可能原因。

  研究表明,两组LSM对于高原夏季降水均呈现出显著的正偏差,两组LSM在高原中东部地区(即三江源及周边地区)降水的最大偏差可达4.0mm/day。同时,两组LSM均显著高估了高原夏季的高频弱降水,单纯提高模式水平分辨率(由35.0km提升至13.0km)并不能减少LSM模式对于高原夏季降水的高估。进一步的分析表明,两组LSM中的对流性降水均呈现出对于对流有效位能(convective available potential energy;CAPE)不真实的准线性响应,进而产生的虚假午后降水峰值导致了两组LSM对于高原地区夏季降水的高估(图2)。“LSM中降水对于CAPE不真实的准线性响应,或会造成模式对于高原水循环在全球增暖下产生不真实的变化,此类潜在的模式不确定性需要在围绕第三极开展气候预估时被研究人员注意”,李普曦博士说到(本文第一作者,现工作于中国气象科学研究院)。

  相对的,CPM剔除了LSM午后虚假的降水峰值,从而显著地改善了LSM对于青藏高原夏季降水的湿偏差(图3)。“同时,CPM更好地刻画了青藏高原夏季的降水频率、强度、频谱结构等降水特征,因此CPM有望成为面向高原开展动力降尺度的有利工具”,来自英国气象局的Kalli Furtado博士补充道(本文第二作者)。

  以上研究成果发表于Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society。

  Citation:

  Li, P., Furtado, K., Zhou, T., Chen, H., & Li, J. (2020) Convection-permitting modelling improves simulated precipitation over the central and eastern Tibetan Plateau. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. https://doi.org/10.1002/qj.3921

  参考文献:

  Stevens, B., et al. (2020). The added value of large-eddy and storm-resolving models for simulating clouds and precipitation. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II. https://doi.org/10.2151/jmsj.2020-021

图1 远眺喜马拉雅山脉(摄影:张琦;http://photography.zhangqibot.com)

图2 观测和模式中青藏高原中东部地区(三江源地区)的区域平均夏季降水日变化(单位:mm h-1)。其中黑色实线表示国家级台站的观测结果,黑色虚线代表卫星台站降水融合资料的结果;蓝色/橙色实线、虚线、点线分别代表LSM-13(~13km)/ LSM-35 (~35km)的总降水、对流降水、大尺度层云降水;红色实线代表CPM (~4km)的总降水。

图 3 观测和模式中青藏高原地区2009年夏季降水(单位:mm day-1)的空间分布:(a)国家级台站;(b)卫星台站融合降水;(c)CN05.1;(d)CPM的模拟结果;(e)LSM-13的模拟结果;(f)LSM-35的模拟结果。

 
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