數(shù)值模式是認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)和開展天氣氣候預(yù)測(cè)的核心工具,提高模式的水平分辨率能更準(zhǔn)確捕獲中小尺度對(duì)流和復(fù)雜地形區(qū)的環(huán)流特征,有助于提高對(duì)極端降水的模擬和預(yù)測(cè)。面向下一屆CMIP7模式比較計(jì)劃,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LASG)最新研發(fā)了CAS FGOALS-f3氣候系統(tǒng)模式的大氣分量模式FAMIL 12.5km高分辨率版本,并完成了1979~2021年近40多年的大氣模式比較計(jì)劃(AMIP)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。此外,在CMIP6的高分辨率子計(jì)劃HighResMIP中,日本國(guó)立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)等聯(lián)合研制的非靜力二十面體大氣模式NICAM16是分辨率最高的全球模式,其9S版本的水平分辨率約14km。為了理解模式分辨率提高對(duì)極端降水模擬的影響,本文選取了中國(guó)FGOALS-f3和日本NICAM16這兩個(gè)分辨率最高的模式,對(duì)兩模式從低分辨率(約100km)加密到高分辨率(約10km)的幾組AMIP試驗(yàn)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較和分析,為理解高分辨率模式對(duì)極端降水的模擬偏差與技巧提升提供科學(xué)依據(jù)。
研究顯示,西太平洋暖池區(qū)的降水模擬對(duì)分辨率的提高最為敏感,分辨率提高總體上緩解了對(duì)該區(qū)域降水模擬偏多的情況,但兩模式存在差異:FGOALS-f3模式在分辨率提高到12.5 km后對(duì)區(qū)域的降水正偏差明顯減小,而NICAM16模式分辨率提高到14 km后,該區(qū)域的主降水雨帶被明顯削弱,幾乎消失。對(duì)于亞印太季風(fēng)區(qū),F(xiàn)GOALS-f3系列的100km版本模式(FGOALS-f3-L)嚴(yán)重低估了200 mm d?1以上的降水頻次(圖1),而分辨率提高到25 km(FGOALS-f3-H)和12.5 km(FGOALS-f3-HH)后對(duì)極端降水的概率分布有明顯改進(jìn),主要表現(xiàn)在200~500 mm d?1強(qiáng)度的極端降水與觀測(cè)的概率分布更為接近。而NICAM16系列模式對(duì)200 mm d?1以上的降水頻次都有所高估,其分辨率提高到14 km后(NICAM16-9S),反而是降低了極端降水的模擬頻次,減少了模擬偏差。

圖1 不同分辨率模式模擬的亞印太季風(fēng)區(qū)(6~8月,20°S~30°N,60°E~180°E)降水發(fā)生概率分布圖。
對(duì)于中國(guó)地區(qū)的極端降水,從降水的持續(xù)時(shí)間(CWD)、總降水強(qiáng)度(TPA)和平均日降水強(qiáng)度(DPI)這三個(gè)維度來(lái)評(píng)估模式的模擬能力。圖2給出了觀測(cè)和FGOALS模式不同分辨率模擬的結(jié)果。當(dāng)分辨率分別提高到25 km和12.5 km后,模式對(duì)CWD的空間分布模擬提升(圖2(g),(j)),但伴隨對(duì)極端降水的持續(xù)時(shí)間會(huì)更加高估。在TPA方面(圖2(h),(k)),東南沿海局部地區(qū)的總降水強(qiáng)度模擬得到改善。模式對(duì)DPI的總體模擬能力優(yōu)于對(duì)TPA的模擬,其中FGOALS-f3-HH能夠較好展現(xiàn)DPI(圖3(l))的空間范圍和強(qiáng)度特征。這表明提高水平分辨率是提高模式對(duì)中國(guó)地區(qū)極端降水的長(zhǎng)期模擬和預(yù)估準(zhǔn)確率的有效途徑。我們同樣評(píng)估了NICAM16系列模式對(duì)三個(gè)極端降水指數(shù)的模擬結(jié)果,總體來(lái)看,兩模式在CWD和TPA的空間分布上較為一致,而對(duì)于DPI的模擬具有一定的差異,主要體現(xiàn)在FGOALS-f3-HH模擬的DPI大值區(qū)主要位于中國(guó)東部,相比觀測(cè)偏弱,而NICAM16-9S模擬的DPI大值區(qū)主要位于我國(guó)華南以及華北地區(qū),相比觀測(cè)偏強(qiáng)。

圖2 觀測(cè)和FGOALS模式不同分辨率模擬的中國(guó)地區(qū)極端降水指數(shù)。(a) 觀測(cè)的CWD;(b) 觀測(cè)的TPA;(c)觀測(cè)的DPI。(d,e,f)分別與(a,b,c)相同,但為FGOALS-f3-L的模擬結(jié)果。(g,h,i)分別與(a,b,c)相同,但為FGOALS-f3-H的模擬結(jié)果。(j,k,l)分別與(a,b,c)相同,但為FGOALS-f3-HH的模擬結(jié)果。r為空間相關(guān)系數(shù),σ為均方根誤差。
為分析兩模式對(duì)極端降水模擬產(chǎn)生差異的原因,我們?cè)趫D3中比較了兩模式10 km左右高分辨率版本模擬的熱動(dòng)力條件空間分布。結(jié)果表明,NICAM16-9S模擬的垂直速度(圖3(b))在中國(guó)地區(qū)明顯強(qiáng)于FGOALS-f3-HH的模擬結(jié)果(圖3(a))。在低層水汽分布上,NICAM16-9S模擬的水汽大值區(qū)集中于中國(guó)東部(圖3(d)),而FGOALS-f3-HH(圖3(c))在中國(guó)東部的水汽明顯少于NICAM16-9S,這些差異與DPI的空間分布特征較為一致。因此,水汽條件和垂直運(yùn)動(dòng)差異是兩個(gè)模式模擬極端降水強(qiáng)度差異的直接原因。此外,NICAM16高分辨率模式模擬的極端降水強(qiáng)度偏強(qiáng),而FGOALS-f偏弱,說(shuō)明進(jìn)一步研發(fā)與分辨率相適應(yīng)的物理過(guò)程是提高模式模擬能力的關(guān)鍵。這為理解高分辨率模式的偏差來(lái)源及改進(jìn)路徑提供了科學(xué)依據(jù)。

圖3 極端降水事件合成的500 hPa垂直速度(Pa s?1)以及850 hPa比濕(kg kg?1)的模擬結(jié)果。(a) FGOALS-f3-HH模擬的垂直速度;(b) NICAM16-9S模擬的垂直速度;(c) FGOALS-f3-HH模擬的比濕;(d) NICAM16-9S模擬的比濕。
該成果于近期在線發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》。論文的第一作者和通訊作者為中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所何編研究員,其他作者為劉瀟喻博士生,包慶研究員,劉屹岷研究員,吳國(guó)雄院士。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF0802003)和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助(42288101和42475020),本研究的計(jì)算得到了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬設(shè)施”(https://cstr.cn/31134.02.EL)的支持。
參考文獻(xiàn):
何編,等. 2025: 全球模式FGOALS-f和NICAM16大氣分量模式水平分辨率提高對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)極端降水模擬的影響. 科學(xué)通報(bào),https://doi.org/10.1360/TB-2024-1123