Nudging 土壤湿度改进气候预测的应用研究

摘要

季节尺度和次季节尺度的气候预测是一个挑战性的问题。为改进气候模式在季节尺度上的气候预测的能力，在模式中同化初边值变量是一条有效的路径。本文使用Nudging大气变量方案及间接Nudging土壤变量（Indirect Soil Nudging）方案改进短期气候的预测，探讨了陆面状态变量土壤湿度在短期气候中重要作用。借助WRF中尺度数值模式，对2009年中国地区夏季气候使用不同Nudging方案进行模拟试验，比较了格点、谱和观测Nudging大气变量方案，间接Nudging土壤湿度在气候模拟中的效果，分析各方案改进的可能原因；在此基础上，分别在地形较为平坦、靠近海洋的中国东部地区和大陆内部，地形复杂的青藏高原地区使用间接Nudging土壤变量方案进行2010年夏季短期降水的预测试验，分析了同化土壤湿度改进气候预测的机理及其作用。得到以下主要结论：　　1．WRF模式本身对于区域气候模拟上降水存在―南干北湿‖的偏差，气温存在明显的冷性偏差，添加Grid和Spectral Nudging方案能有效校正降水和温度偏差，两方案之间差别较小，N ud ging大气变量以后环流场上减弱了西南部的季风强度，夏季风开始在30N附近向东转向，东南部上空辐散中心东移，消除了虚假干舌，是改进降水模拟的主要原因。　　2．ISN（Indirect Soil Nudging）方案对温度和降水改进效果明显，降水模拟上改进长江以北及华南部分区域的空间分布，温度模拟上主要拉近了全区域观测和模拟的空间变化幅度。ISN通过更新土壤湿度的这样的慢过程变量来改善模拟结果，能够有效改善与地面水分平衡的温度和相对湿度的模拟，温度和相对湿度分别在700hPa、850hPa以下RMSE明显减少，而该方案对同期的位势高度影响则相对较小。　　3．东部地区的降水的预测中，通过添加ISN方案相对于其他Nudging大气变量方案的试验和控制的试验对降水预测的结果，有效地降低了北方的湿偏差和南方的干偏差，说明了大气初始场对后期降水影响较小，而土壤湿度初始场对夏季降水有着重要作用，可以影响到整个夏季。在ISN方案更新土壤初始场的空间分布后，相应的地面水汽和热力状况都会在空间分布和时间变化上有所变化，激发出对流层低层及高层经纬向的垂直环流出现明显的变化，从而有效改变了低层水汽聚合情况，提高模式对降水的预测能力。　　4．在青藏高原地区的数值试验中，添加ISN方案后，能够更真实的再现高原降水的空间分布。对土壤初始场进行更新，地面水汽和热量通量都会有相应空间上的变化，高原上空的垂直环流也明显增强，尤其在纬向平均上高原地区产生明显的南北向辐合，500hPa副高东移，300hPa上反气旋系统向西移动。

目录

声明

第一章 绪 论

1. 1 研究意义

1. 2 短期气候的可预报性问题

1. 3 土壤湿度观测与模拟现状

1. 4 资料同化在短期气候预测中的应用

1. 5 本文需要解决的科学问题及章节安排

第二章 方法和资料介绍

2. 1 模式简介

2. 2 物理参数化方案

2.3 松弛逼近方法介绍（Nudging）

2. 4 模式驱动及同化资料说明

2. 5 统计方法

第三章 Grid和Spectral Nudging方法对区域气候模拟的改进试验

3. 1 模式及试验设置

3. 2 不同Nud ging方案模拟效果的比较

3. 3 夏季降水和温度变率及误差的分析

3. 4 Nud ging方案改善模拟结果的可能原因

3. 5 本章小结

第四章 Indirect Soil Nudging对区域气候模拟的改进试验

4. 1 试验设计

4. 2 试验结果分析

4. 3 本章小结

第五章 Nudging大气和土壤湿度变量对中国东部地区短期降水预测的试验

5. 1 试验设计

5. 2 不同方案预测结果的比较

5. 3 预测改进原因分析

5. 4 本章小结

第六章 ISN在青藏高原地区短期降水预测的适用性检验

6. 1 试验设计

6. 2 降水结果比较

6. 3 改进原因分析

6. 3本章小结

第七章 总结与展望

7. 1 主要结论

7. 2不足与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢