基于大气环流指数与区域降水关系的模式评估方法及其应用

发布时间：2020-10-28 16:30

　　 东亚夏季风、西太平洋副热带高压和副热带西风急流是影响中国夏季降水主要的东亚大气环流系统。本论文利用NCEP2、ERA-interim、MERRA、JRA-55四套再分析资料,评估了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project phase 5)中的31个模式对东亚大气环流的模拟能力。基于观测中四项东亚大气环流指数与长江中下游夏季降水的物理联系,结合Taylor模式技巧评估方法,发展新的模式评估方法,并探讨了CMIP5模式模拟、预估中国夏季降水和极端降水的不确定性问题。全文主要结论如下：一、夏季东亚大气环流模拟能力评估评估了CMIP5模式对东亚大气环流气候态的模拟能力。研究发现,多模式集合平均可以较好的再现850hPa和200hPa纬向风场以及850hPa位势高度场气候平均态,而大部分模式对500hPa位势高度场气候平均态的模拟偏弱。基于CMP5模式对各气象要素场的模拟能力,选取适合CMIP5模式评估的四个东亚大气环流指数：东亚夏季风强度指数(EASM)、西太平洋副热带高压强度指数(WPSHI)、南海副热带高压强度指数(SCSHI)、副热带西风急流轴线指数(EASJI)。四套再分析资料在描述环流指数之间关系方面有较好的一致性,EASMI、WPSHI和SCSHI这三个环流指数是相互关联的,EASJI是独立的环流指数。CMIP5模式对环流指数年际变化幅度模拟效果差异较大,多模式集合的结果与实况接近。二、CMIP5模式中大尺度环流与夏季区域降水的联系观测显示,东亚大尺度环流与长江中下游夏季降水有显著的、稳定的相关关系,这种相关关系可以合理表征大尺度环流系统影响中国夏季降水的物理过程。基于观测中东亚大尺度环流与长江中下游夏季降水的物理联系,结合Taylor模式技巧评估方法,我们提出一种新的模式评估方法。该方法适用于模式对中国地区夏季降水的模拟及预估。模式对现代气候的模拟能力是其对未来气候变化情景预估的基础,因此在研究CMIP5模式预估未来中国地区夏季降水之前,首先必须评估模式对现代降水的模拟能力。本论文采用Taylor提出的技巧评估方法定量评估每个模式对中国夏季降水时空变化的模拟能力,发现该方法可以区分模式对降水的模拟能力,但不能减小模式对未来预估的不确定性。线性回归分析发现,模式模拟的四项大气环流指数与长江中下游夏季降水的相关系数与Taylor模式技巧评分没有显著的相关关系,因此我们将两者结合建立一套新的模式评估方法,根据模拟性能的优劣将31个CMDP5模式分为三组：模拟最优的前5个模式(Top5),模拟能力居中的21个模式(Middle21)和模拟能力最差的5个模式(Bottom5)。这样选出来的能够合理模拟东亚大尺度环流与长江中下游夏季降水物理联系的模式对我国夏季降水也具有较好的模拟能力。通过比较三组模式对未来中国地区夏季降水预估的差异,发现该方法不但可以区分模式对现代气候的模拟能力,还可以减小模式对未来中国夏季降水变化预估的不确定性。三、CMIP5模式对中国夏季极端降水的模拟及预估利用中国地区台站逐日降水资料,考察CMIP5模式对4个极端降水指数的模拟能力,并对基于东亚大尺度环流与长江中下游夏季降水物理联系的模式评估方法适用性问题进行探讨。结果表明,CMIP5模式集合平均可以较好的模拟出中国地区夏季强降水量(R95pTOT)气候态的空间分布,模拟的西北以外地区最长连续湿日数(CWD)较实况偏高,青藏高原东部至西南的最长连续干日数(CDD)较实况偏低。CMIP5模式整体对水文强度指数(HY-INT)的模拟能力较弱。对比三组模式集合平均对极端降水指数的模拟能力,发现能够合理模拟东亚夏季风、西太平洋副热带高压和南海副热带高压与长江中下游夏季降水物理联系的模式对中国地区R95pTOT具有较好的模拟能力,对CWD和CDD具有一定的模拟能力,但相对R95pTOT,CWD和CDD的模拟结果在所有模式中没有特别突出的表现。进一步研究表明,该方法不但可以区分模式对中国地区R95pTOT的模拟能力,还可以减小模式对未来中国地区R95pTOT预估的不确定性。CMIP5模式预估未来CWD、CDD和HY-INT变化存在较大的不确定性。因此,从CMIP5模式集合成员预估性能的一致性角度出发,通过分析中国地区每个格点模式集合成员预估极端降水指数一致增加或减少的概率,对未来中国地区极端降水变化进行合理预估。结果表明：21世纪末,60%以上的模式预估CWD在东北和华北部分地区增加,CDD在长江以南以及青藏高原东部部分地区一致增加。CMIP5模式成员预估中国地区HY-INT变化的一致性不高。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P426.6;P434
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 中国夏季降水以及极端降水模拟和预测的不确定性研究
    1.3 气候模式评估和预估方法
        1.3.1 气候模式评估方法
        1.3.2 气候模式评估、预估方法——多模式集合
    1.4 中国夏季降水与大尺度环流的联系
        1.4.1 观测事实
        1.4.2 数值模拟研究
    1.5 内容安排
    1.6 论文的创新点
    本章参考文献
第二章 夏季东亚大气环流模拟能力评估
    2.1 CMIP5模式和再分析数据
        2.1.1 CMIP5模式介绍
        2.1.2 再分析数据介绍
    2.2 CMIP5模式对东亚夏季大气环流气候态的模拟能力评估
    2.3 典型东亚夏季大气环流指数评估
        2.3.1 东亚夏季大气环流指数定义
        2.3.2 东亚夏季大气环流指数评估
    2.4 总结
    本章参考文献
第三章 CMIP5模式中大尺度环流与夏季区域降水的联系
    3.1 资料和方法
        3.1.1 资料
        3.1.2 Taylor模式技巧评分方法
    3.2 再分析资料中大尺度环流与夏季区域降水的联系
    3.3 CMIP5模式中大尺度环流与夏季区域降水的联系
        3.3.1 CMIP5模式对中国夏季降水的模拟
        3.3.2 CMIP5模式对大尺度环流与夏季区域降水关系的模拟
        3.3.3 CMIP5中大尺度环流与夏季区域降水关系的稳定性
    3.4 CMIP5模式对未来夏季降水的预估
    3.5 CMIP5模式对未来大气环流的预估
    3.6 总结和讨论
    本章参考文献
第四章 CMIP5模式对中国夏季极端降水的模拟及预估
    4.1 极端降水指数定义
    4.2 新的模式评估方法在CMIP5模式模拟极端降水研究中的适用性分析
    4.3 CMIP5对中国夏季极端降水历史模拟能力
    4.4 CMIP5对未来中国夏季极端降水的预估
    4.5 总结和讨论
    本章参考文献
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 讨论和展望
    本章参考文献
Refereed Publications
致谢

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1 王蕾;基于大气环流指数与区域降水关系的模式评估方法及其应用[D];南京大学;2015年

本文编号：2860335