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RegCM3模式对东亚夏季风特征的模拟研究 倪文琪 蒋国荣 (解放军理工大学气象学院 南京 211101) 摘 要:利用RegCM3模式对东亚夏季风进行模拟，评估其模拟能力。内容包括：大气环流形势、风场、位势高度场及低频振荡特征。研究表明：RegCM3较成功模拟出季风区大气环流、风场及位势高度场的基本形势及演变，证实该模式适合东亚季风的研究。提取出模拟区域（5S-45N,90-130E）东偏北50角的剖面以获取低频振荡特征。结果表明:季风期间低频振荡水平传播方向大致为东偏北50，周期28-35d，传播速度为500km/d；对比中、低纬低频振荡的垂直结构，发现低纬(10-20N)垂直结构为斜压结构，而中纬(30-40N)则呈正压特征。季风区低频振荡水平传播及垂直结构的模拟结果与实测均较符合。关键词:模式RegCM3，东亚季风，大气低频振荡，数值模拟。1 引言我国地处东亚地区，每年大范围旱涝灾害往往与亚洲季风变异密切相关，因此对东亚季风活动特征的研究十分必要。大气低频振荡与季风的相互作用已有很多研究：李崇银1等的研究表明大气低频振荡对东亚季风和我国气候异常具有重要影响；陈隆勋2等的研究也表明季风区低频振荡对我国季风降水的向北推移及夏季旱涝具有重要作用。因此，通过探究东亚区域大气低频振荡特征及其变化可以了解东亚季风的气候变化特征。本文将主要针对东亚季风的基本形势场及季风系统中低频振荡传播结构特征利用区域气候模式RegCM3进行模拟评估。RegCM3是美国国家大气研究中心于2003年底发布的区域气候模式。作为最新发布的模式,RegCM3目前主要在欧洲和美国等地区进行了试用,其有关物理过程及参数设置是建立在欧洲和美国的试验基础上,是否适合东亚地区以及对东亚季风模拟能力如何有待进一步检验3。本文按照各个不同季风研究工作者给出的季风指数确定的季风年，选定以季风爆发正常年1988年（爆发时间为5月5候）东亚夏季风区季风特征及大气低频振荡传播和结构特征作为研究的个例,考察RegCM3对东亚夏季风气候及低频振荡特征的模拟能力。 2 模式简介和试验方案2.1 模式简介本文选用区域气候模式RegCM3，它采用MM5的动力框架,垂直方向为坐标,水平方向采用“Arakawa B”交错网格。模式的主要物理过程包括辐射方案、陆面过程、行星边界层方案、积云对流降水方案、大尺度降水方案和气压梯度方案。RegCM3中一共有6种侧边界处理方案可供选择,分别是固定边界、线性松驰边界、时间相关边界、时间变化及流入流出边界、海绵边界和指数松驰边界。气压梯度方案可以选择正常方式或静力平衡扣除方式。模式输出包括大气模式、地面模式和辐射模式的结果,输出的物理量有40多种。最新版本的RegCM3较以前的版本做了以下改进:第一,用NCAR CCM3的辐射传输方案代替了原来的CCM2方案；第二,改进了云和降水的物理过程。引入次网格显式湿度方案(SUBEX) ,以更好地处理非对流性云和降水过程,减少数值点风暴的产生。积云对流降水方案除原来的Grell方案和Kuo方案外,新增了Betts-Miller方案作为选择；第三,用USGS的全球陆地覆盖特征和全球30分高度资料创建模式地形,使模式能更精确地表示出下垫面的状况；最后改进了程序的设计,使模式更易于调试和应用。2.2 资料及试验方案2.2.1 资料本文所用资料为：季风爆发正常年1988年的NCEP/NCAR的OISST周平均海温资料;每日4次、水平分辨率为2.52.5的NCEP再分析资料,包括气温、位势高度、垂直速度、相对湿度、经、纬向风和地面气压场等物理量场,插值到模式各层为模式提供初边值场,每6h更新一次;全球陆地覆盖特征(GLCC)资料,包括地形和植被数据,分辨率分别为10和30.2.2.2 试验方案模式水平分辨率选择50 km 50 km, 水平格点数取 80100, 垂直方向18层,模拟区域中心位于(110E,20N),模拟范围为5S-45N,90-130E,模式层顶气压为5hPa,积分时间步长100s。侧边界选择指数松驰方案,海洋通量参数化选择Zeng方案,压力梯度计算采用静力扣除方式。为确保资料分析的完整及模式的稳定性，模式积分时间为1987年11月1日1988年12月31日,前两个月作为初始化时间不予分析。3 大气环流形势的模拟3.1 850hPa风场及其演变 不同的季风研究工作者定义的季风指数得到了较为一致的季风爆发时间，认为1988年夏季风爆发于5月5候。图1为季风爆发日850hPa的实测及模拟风场矢量对比图。从图中可以看出，RegCM3模式基本模拟出季风爆发时低层大气环流形势.低纬（0-10N）由孟加拉湾吹来的经过南海上空然后转向菲律宾一带的西南风带的风向、风速均与实测风场比较一致，赤道附近105E的东西风汇合处模拟得较好。不足的是西南风带范围有些偏北，部分地区风向有一定的偏差，例如分析场中纬（40N）附近的风向为偏南风，而模拟结果则为西北风。图1 1988年5月25日850hPa风场矢量实测a及模拟b图 单位矢量分别代表风速为10m/s（左）与20m/s（右）图2为季风爆发前一侯、爆发时及后一侯110E的纬向风经向剖面分布。由图中可以看出，模式较好地模拟出夏季风爆发前、后纬向风经向剖面的分布及低纬底层风向的突变。对于低纬15N以南地区，季风爆发前对流层低层纬向风为东风，在25日之前纬向东风由6m/s突然减少至0，并迅速转变为西风。到30日左右，低纬底层西风风速不断增大，最后完全为西风所控制，且强度增至12m/s左右。高层200hPa纬向风在爆发前、后均保持为东风，但是后一侯的范围由爆发前的12N北扩到了22N左右，强度由6m/s增至26m/s左右。高层200hPa东风控制范围的扩大和强度的增强对应低层西风的增强和季风的爆发。对于中、高纬地区，高层始终维持着强西风带。伴随季风的爆发，中、高纬200hPa强西风轴由原来的两支合并为一支，位置由23N北推到37N。对比分析资料可以看出，模式比较好地再现了爆发前后的纬向风经向分布形势，对低纬底层风向突变的时间、高层东风范围和强度的把握都很准确。不足的是季风爆发前、后一侯对高层强西风带的模拟较实测稍微偏北，而爆发日时高层强西风轴有些偏南,且强度也稍有偏差。图2 1988年季风爆发前一侯、爆发日（5月25日）、后一侯110E的纬向风经向剖面图 上（下）图为实测（模拟）剖面，横轴为纬度,纵轴为高度（单位：hPa）为了更加准确地把握风向随时间的季节演变及模式的模拟能力，作出850hPa风矢量沿110-120E的平均时间-纬度剖面的模拟与实测图进行进一步对比说明（图3）。从图中可以看到,850hPa西风带在5月初位于20-25N，于20日左右逐渐南移至5N（南海域上空），之后5-15N区域一直维持强劲的西偏南风。到6月上旬850hPa西风带范围向北扩张至25-30N，影响长江流域的天气。对比分析资料，5月初至5月中旬西风带维持在20N以北，20 N以南均受东偏南风控制。而从模拟结果来看，在此期间西南风南扩到15N，与实测较为不符。但从底层西南风范围随时间演变的大致趋势来看，模式比较好地抓住了西风带于5月中旬的向南移至5N以及6月上旬的向北推移至长江流域，可以认为该模式把握住了底层风矢量场的时间演变趋势，对季风底层环流场具备一定的模拟能力。图3 1988年4-6月110-120E平均850hpa风矢量时间纬度演变图 上（下）图为实测（模拟）图；横轴为时间（单位：天），纵轴为纬度综合图1-3说明对东亚这一典型季风气候区，模式能够比较准确地把握季风期间的风场及风向转换。从200hPa纬向风场（图略）来看，模拟结果除了在极值区大小有一定的偏差，基本上能反映实际流场的时间演变形势，对其主要特征的把握也比较准确。3.2 500hPa位势高度场 从RegCM3模拟的各月平均500hPa位势高度场来看（图略），模式能较好地抓住大尺度环流分布形势及天气系统的基本位置、强度变化及其时间演变特征4。对于西太平洋副热带高压的位置基本与实测相符，但强度有一定的偏差。图4为模拟的500hPa位势高度值高于5850gpm的范围沿125E的时间-纬度剖面图，其中红线为副高脊线所在平均纬度随时间的变化。从图中可以清楚地看到西太平洋副高脊线在季风期间的阶段性变化情况：6月初之前副高脊线维持在15-20N，6月9日左右副高第一次北跳至22N左右，在此纬度滞留到6月中、下旬。6月底副高略有北抬，移至26N后又于7月1日迅速向北移至30N附近，完成第二次北跳。此时江淮流域受到西太平洋副高的控制。之后7月中、下旬副高脊线不断南撤至20N，形成长江流域的“二度梅”现象。副高脊线的第三次北跳开始于8月初，纬度在35N上下，最北达到40N，造成了华北、东北地区的降水天气。副高脊线于8月中、下旬退至20N左右。与实测资料相比（图略），模式基本上模拟出了季风期间西太平洋副高的时间演变，北跳幅度及相应的时间也比较相似，不足的是强度上稍微偏弱。 图4 模拟的500hPa位势高度值高于5850gpm的范围沿125E时间-纬度剖面图 横轴为时间（单位：天），纵轴为纬度，红线为平均副高脊线纬度随时间的变化4 大气低频振荡特征的模拟4.1 水平传播特征考察110-120E平均的纬向风纬度-时间演变趋势及经度-时间演变趋势（图略），纬向风存在向北和向东的传播趋势。因此，本文从矩形的模拟区域中提取出东偏北约50的剖面（区域对角线），由西南到东北依次取了30个点（将模拟区域对角线30等分），在该剖面的各层上做出纬向风模拟和实测各自的时间剖面图（本文列出850hPa时间剖面图，其余图略）。图5为850hPa层的时间剖面图，图中粗实线为低频振荡随时间的传播方向。从实测剖面（左）可以看出随时间推移纬向风极值区呈现明显地沿对角线方向（东偏北约50）的传播趋势，并且正负区域排列平直且有规律，这使我们可以认为东亚季风区低频振荡的传播方向为东偏北50左右。同时也可以看出随时间推移，要素场有明显的30-40天振荡周期。根据图中极值区随时间由西南向东北传播的距离及对应的时间间隔可以估算出传播速度大致为500km/d，周期大约为28-35d。在850hPa剖面上，模式模拟出了该层上低频振荡的水平传播方向，但是强度的模拟不是很理想。这说明区域气候模式RegCM3对东亚季风区大气30-40天低频振荡水平传播方向具备较好的模拟能力,但对振荡强度的模拟能力还有待进一步改进。 图5 850hPa纬向风时间剖面图实测（左）模拟（右）。横轴为区域西南-东北向对角线的30个点，纵轴为时间 粗实线为低频振荡随时间的传播方向4.2 垂直结构特征 为研究东亚季风区低频振荡的垂直结构特征及模式对此的模拟能力，本文从模拟结果中提取沿110E中（右）、低(左)纬地区高度-时间（4-6月）剖面分析（图6）。从图中我们明显看出低纬（10-20N）区域低频振荡的垂直结构为上、下层呈现相反位相，振荡由高层向底层传播，为典型的斜压结构特征，即底层大（小）值区，对应高层小（大）值区。而中纬（30-40N）区域低频振荡的垂直结构则是上下层具有相同位相，极值带上下层之间的扰动传播不明显，整层分布呈现典型正压结构特征，与实测资料较为吻合。不足之处是模式结果强度较实测资料弱。因此可以认为，区域气候模式RegCM3对东亚季风区低频振荡垂直结构的大致形势也具备一定的模拟能力，但是在强度及各个细节上的模拟能力有待加强。 图6 沿110E中、低纬（10N（左）、40N（右）纬向风高度-时间剖面 横轴为时间（4-6月；单位：天），纵轴为高度（单位：hPa）5 结论本文主要得到以下结论：（一）利用RegCM3对1988年一年进行模拟，基本上成功再现了东亚季风区的大气环流、风场及随时间的演变、位势高度场的基本形势及季节演变；（二）沿模拟区域对角线提取出来的垂直剖面各层上（文中只分析了850hPa）纬向风均具有明显的30-40天的低频振荡，且水平传播方向为西南-东北向，接近于东偏北50, 周期为28-35d, 传播速度大约为500km/d；（三）对中、低纬地区低频振荡的垂直结构进行对比。低纬（10-20N）地区低频振荡的垂直结构为对流层上、下层呈相反位相，为典型斜压结构；而中纬（30-40N）地区低频振荡则是上、下层具有相同位相，呈现正压结构特征；（四）对比结果显示出区域气候模式RegCM3对东亚夏季风特征具备良好的模拟能力，对季风区低频振荡的传播及垂直结构的大致特征模拟得比较好，但是在强度及各个细节方面特征的模拟能力还需要进一步验证和改进。参考文献：1 李崇银，大气低频振荡，1993。2 陈隆勋等，东亚季风，气象出版社，362（1991）3 罗勇，赵宗慈，NCAR RegCM2对东亚区域气候的模拟试验，应用气象学报，1997，8（增刊）：124-133。4 王世玉，钱永甫，P-九层区域气候模式对东亚区域气候季节与年际变化的模拟，2003，9。5 Dickinson,R.E.,R.M. 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