东亚地区气候模式的回顾与展望

工程3（2017）766研究气候变化评论RegCM系统在东亚地区的应用：回顾与展望Xuojie Gaoa，Filippo Giorgib，*a中国科学院大气物理研究所气候变化研究中心，北京100029bAbdus Salam International Center for Theoretical Physics，Trieste 34151，ItalyARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年11月8日收到2017年9月14日修订2017年9月30日接受2017年10月31日在线提供保留字：中国区域气候模式社区土地模式Abdus Salam国际理论物理中心（ICTP）的RegCM系统是东亚地区最常用的区域气候模式在本文中，我们提出了一个简单的回顾RegCM系统及其应用于东亚地区。描述了模型的历史和未来发展的计划过去和正在进行的应用，以及在东亚地区的模型系统中发现的优势和偏见，进行了总结。模式偏差主要存在于冷季，其特点是高纬度地区偏暖，南部地区降水偏少这些偏差与大多数全球气候模式（GCM）的偏差相似最后，未来计划的应用和发展的模式，特别是在协调区域气候降尺度实验（CORDEX）的背景下，进行了介绍。本文旨在为东亚地区RegCM系统的未来用户提供参考© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在过去的几十年中，区域气候模式（RCMs）越来越多地用于在比全球气候模式（GCMs）更精细的尺度上产生世界各地的气候信息[1]。第一个为气候降尺度而开发的RCM系统是RegCM系统，该系统起 源 于 20 世 纪 80 年 代 末 和 90 年 代 初 的 美国 国 家 大 气 研 究 中 心（NCAR）[2-4]RegCM系统目前由Abdus Salam国际理论物理中心（ICTP）开发和维护。它是一个公开的开源代码，被广泛的研究社区使用，形成了所谓的区域气候研究网络（RegCNET）。该模型可应用于世界所有地区[9]，并通过与海洋[11，12]，湖泊[13]，气溶胶[14]，沙漠尘埃[15]，化学[16]、水文[17]和陆地过程[18]。其中一个大陆地区的区域协调机制可以特别重视-东亚是最适合的地区，其特点是复杂的地形、海岸线和土地利用分布，以及影响当地气候的区域环流（季风、热带风暴等）。东亚的气候也受到与亚洲国家经济快速发展相关的人为强迫的强烈影响，例如气溶胶排放和土地利用变化[19，20]。此外，东亚季风主导气候的模拟已被证明取决于模型分辨率-例如，关于夏季季风雨带的定位和时间[21]。由于这些原因，从RCM发展的早期阶段[22-25]起，RCM就被应用于东亚地区，并且从那时起以不断增长的速度应用目前，东亚是协调区域气候降尺度试验（CORDEX）框架下的标准区域之一[26，27]，并且可以获得该区域的大型气候预测集合[28，29]。在适用于东亚的区域协调机制中（例如，[30]，IPRC- RegCM[31]，PRECIS[32]，P-σRCM[33]，MM5[34]，and WRF[35]），RegCM系统是最常用的系统之一。RegCM在气候变化模拟中的首次应用* 通讯作者。电子邮件地址：giorgi@ictp.ithttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.0192095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engX. Gao，F.Giorigi/工程3（2017）766767区域由参考文献记录。[22、24]。特别是，后一项研究是第一个在东亚区域以50 km网格间距完成5年现今和2 ×CO2时间切片的研究，该模型由NCAR社区气候模型（CCM 1）的气象场在横向边界驱动从那时起，不同代的RegCM系统在东亚地区被用于多种应用，从过程研究和气候预测到气溶胶和土地利用变化影响的模拟。这些研究还强调了一些系统性的模型偏差，这些偏差导致了旨在改善模型性能的大量模型开发。多年来，该区域RegCM用户群体稳步增加，并组织了各种培训讲习班，包括辅导班（例如，2015年5月在菲律宾马尼拉举办的东南亚区域气候变化管理培训班，以及2006年7月在中国北京举办的第三届气候系统与气候变化国际研讨会期间举办的培训班）。RegCM社区计划在CORDEX-东亚倡议的背景下将该模式越来越多地应用于鉴于这一点，在这里，我们提出了一个简短的回顾，以前和正在进行的RegCM应用到东亚地区，以及未来相关的模型开发计划。我们的目标是提供一份文件，可作为该地区未来模型用户的基本参考。2. 东亚地区表1 [22 - 24，28，36 -102]提供了在东亚地区使用RegCM系统进行的研究列表，按研究类型和次区域重点划分。该区域的模型性能是最受关注的;因此，已经使用模拟由观测的再分析或GCM驱动这些研究表明，RegCM很好地再现了该地区现今气候特别值得注意的是，该模式能够改善东亚夏季风模拟中的基本GCM偏差。事实上，不同代的GCM在模拟东亚季风降水中心时显示出很大的偏差，与观测相比，东亚季风降水中心通常位于太远的北部和西部（即，而不是在中国东南部）。Gao等人使用GCM驱动的RegCM 2的不同分辨率进行了一系列实验[36]，他发现这种偏差主要是由于GCM的粗分辨率。如图1所示，模拟的降水模式与分辨率不断提高的观测结果越来越匹配，从而得出一个重要的结论，即为了准确模拟东亚雨带的演变，需要60 km或更高的分辨率。这些发现通过用RegCM 4的进一步实验（例如，参考文献[37]）以及其他区域协调机制（例如，参考文献[103]）。Fig. 1. 不同模式分辨率下中国年平均降水量模拟值与实测值的空间相关系数（虚线为0.99显著性水平）。（修改自Ref。[21]）表1东亚和中国上空RegCM模拟列表模型验证RegCM模拟参考网格大小持续时间感兴趣今天的模拟，Liu等人[24]50公里3个月EASrameterization测试，和Liu等人[38]50公里3个月EASZhao等人[23日]60公里4个月EASGiorgi等人[39]第三十九章60公里13个月EAS吕和陈[40]40公里2 × 3个月华北Kato等人[41]50公里，25公里月之久EAS陈和傅[42]60公里3年华东Luo等人[四十三]60公里4个月EAS李和丁[44]60公里5年中国（修订版）Chow等人[45个]60公里3个月EASBao等人[46个]50公里4 × 3个月华西朱和王[47]60公里11年中国Ding等人[四十八]60公里10年中国（修订版）Gao等人[三十六]452 × 6 × 5年E-EAS，中国Im等人[四十九]60公里/20公里30年EAS/韩国（双嵌套）Zhang等人[50]50公里15年E-EAS王和余[51]60公里2 × 10年青藏高原邹和谢[52]60公里2 × 41岁中国Zou等人[五十三]50公里80 × 4个月南中国、西太平洋、东印度洋、南中国海Gao等人[五十四]25公里5 × 1年E-EAS，中国Gao等人[55]25公里20年E-EAS，中国768X. Gao，F.Giorigi/工程3（2017）766表1（续）RegCM模拟参考网格大小持续时间感兴趣气候变化模拟[22]第二十二话50公里2 × 5年EASKato et al. [56]50公里10年EASGao等人[57，58]60公里2 × 5年E-EAS，中国[59]第五十九话20公里2 × 30年中国东部Im等人[第六十章]60公里/20公里2 × 6 × 5年EAS/韩国（双嵌套）Gao等人[61，62]20公里2 × 30年E-EASIm等人[第六十三章]60公里/20公里130年EAS/韩国（双嵌套）Gao等人[64，65]，25公里150年E-EASXu等人[第六十六话]Gu等人[67个]50公里2 × 30年E-EAS[68]第六十八话50公里/10公里150年/2 × 10年中国/青藏高原（双重嵌套）Liu等人[69]第六十九届30公里2 × 11年（2种情景）E-EAS，中国Gao等人[37个]50公里150年（2种情景）E-EASOh等人[70个国家]50公里72年（2种情况）CORDEX-东亚Wu等人[28日]50公里2 × 150年CORDEX-东亚，中国[71]第七十一话50公里2 × 25年CORDEX-东亚，中国土地利用效应模拟Lv和Chen[72]50公里2 × 3个月中国Zheng等人[七十三]120公里2 × 10个月中国Gao等人[第七十四章]60公里2 × 5年E-EAS，中国Ding等人[第七十五章]60公里2 × 5年E-EAS，中国Li等人[第七十六章]60公里2 × 25个月E-EAS，中国Gao等人[第七十七章]50公里2 × 15年E-EAS，中国Wu等人[78个国家]50公里/10公里3 × 10年中国/中国西南部（双重嵌套）Yu and Xie[79]60公里2 × 24岁中国Chen等人[80个]50公里2 × 22岁中国Hua et al.[八十一]50公里3 × 15年中国气溶胶效应模拟[82]60公里月之久EASGiorgi等人[第八十三章]60公里4 × 5年EASGiorgi等人[八十四]60公里4 × 5年EASGao等人[第八十五章]60公里2 × 5年E-EAS，中国Li等人[第86话]75公里2 × 2 × 1个月中国（修订版）Zhang等人[八十七]50公里2 × 10 × 8个月E-EASJi等人[八十八]50公里2 × 15年E-EAS，中国Su等人[八十九]60公里2 × 10年E-EASJi等人[第九十章]50公里2 × 21年青藏高原Zhang等人[九十一]50公里3 × 10年E-EAS其他组件的耦合-Wang等人[九十二]100公里月之久中国（化学模型）[93]第二十三话60公里2 × 40 × 4个月EAS（海洋模式）李和周[94]60公里2 × 20年E-EAS（海洋模式）陈和谢[95]60公里20年中国（作物模式）Qin等[96个国家]60公里45年中国（地下水模型）[97]第97话45公里2 × 26岁中国东部、西太平洋（海洋模式）古气候和季节预报Ding等人[98]60公里10年中国（修订版）Juet al. [九十九]60公里2 × 11年EASJu and Lang[100]60公里20 × 6个月中国陈和谢[95]60公里10 × 9个月中国，华东Zhang等人[101]50公里10 × 7个月E-EAS，中国EAS是指参考文献[102]中定义的东亚，包括中国东部、韩国和日本。E-EAS是EAS的扩展，它类似于CORDEX-东亚II期域，包括整个中国大陆。X. Gao，F.Giorigi/工程3（2017）766769已经测试了模型物理参数化和/或参数的不同选项，以确定该区域的最佳模型配置。例如，Emanuel总体而言，RegCM系统在再现季风（暖）季温度和降水方面表现出良好的性能。然而，相对较大的误差（类似于大多数的GCM）持续在寒冷的海子，其特征是在高纬度的温暖的偏差，低估了南部的降水，高估了北部的降水。如参考文献[54]所示，与大多数GCM一样，RegCM 4不能很好地模拟中国南方12月-1月-2月的降水中心[104，105]。此外，在ERA中期再分析中也存在类似的偏差，尽管程度较小，表明模拟该地区冬季降水的困难。红外发射率等表面特征已被证明可能改善冬季温度的模拟[106]。RegCM系统广泛用于GCM气候降尺度改变对东亚的预测。通常，与驱动GCM相比，该模型不仅显示了更详细的地理特征，而且还提供了对当今条件下大尺度降水模式的改进表示。关于未来降水变化预测，Gao等人[61，65]表明RegCM系统引入了细尺度地形诱导的信号结构;然而，与驱动GCM相比，它也模拟了一些显著不同的大尺度变化模式。在这些研究中，虽然驱动GCM模拟了季风降水的主要增加，与大多数其他GCM预测一致，但RegCM4预测了降水减少的扩展区域。同样，在不同的GCM驱动下，中国东部地区的变化模式也不同。这些结果表明，在这个人口稠密地区的季风降水预测的不确定性仍然很大，因此需要完成大型多GCM/RCM集合，以充分的特点。RegCM也是第一个使用双重嵌套方法[41，60，63]以相对较高的分辨率在某些东亚次区域（如日本和韩国）运行的区域气候模型之一，该方法显示了该应用程序如何提供有关地形和海岸线如何影响这些地区气候信号的详细信息RegCM系统在东亚地区的应用之一，一直在调查与长期农业活动和高人口相关的土地利用效应。迄今为止进行的土地利用实验包括使用理想化的简单植被在扩展区域（例如，从沙漠到树木，反之亦然），潜在植被覆盖和当前土地利用之间的比较，以及对20世纪后期几十年来土地利用变化影响的研究，以应对这一时期的快速经济发展。所有研究都表明土地利用对该地区气候的重大影响然而，关于这些效应的空间细节和幅度，得出了不同的结论，需要使用多RCM相互比较实验。此外，有人指出，国际数据库的土地覆被数据通常对中国有很大的偏差例如，在CLM数据集[107]的默认土地类型中，青藏高原上占主导地位的裸露土壤覆盖并不代表该地区观察到的主要草覆盖事实证明，使用基于当地数据集的更可靠的土地覆盖数据确实可以改善模型模拟[108]。中国人为气溶胶的气候效应在过去的几十年里，由于与该国的工业和经济发展相关的污染排放迅速增加，引起了越来越多的关注。RegCM系统是第一个应用于这一问题研究的区域协调机制，特别是，第一个模型，其中辐射相互作用的气溶胶耦合到一个RCM在东亚地区，包括直接和间接气溶胶的影响[82-84]。RegCM系统的模拟显示，由于气溶胶，特别是在最工业化的地区，如中国中部/西南部的四川盆地，由于气溶胶效应的复杂性，需要进一步的研究，以便更定量地评估颗粒物对降水的影响，特别是关于与云的相互作用，RegCM系统的工作为这一方向铺平了道路。东亚也是沙尘暴最突出的地区之一，特别是在中国西部和蒙古的沙漠地区。包括沙尘气溶胶在内的几个模拟表明，RegCM系统在再现近地面浓度、质量负荷、光学厚度和来自主要源区（例如，参考文献[87]）。我国开展了RegCM4耦合的研究与气候系统的其他组成部分，包括不同的海洋模型，作物模型和地下水位模型。例如，结果表明，将RegCM与相互作用的海洋耦合可以大大提高模式RegCM的其他应用包括古气候研究和季节预报实验。对于后者，Zhang等人。[101]发现在东亚的某些特定地区和年份以及特定年份使用RegCM的技能有所提高。但是，该模型在中国的应用还需要进一步的研究。3. 东亚地区东亚地区RegCM4.4的物理量和参数配置由Gao等人推荐[54、55]。更具体地说，当使用Emanuel对流方案和CLM陆面方案以及基于中国数据集的最新土地覆盖数据时，该模型在该地区表现与此同时，RegCM系统正在经历与东亚地区应用直接相关的各种发展。与Giorgi et al.[9]中，增加了Tiedtke[109]和Kain和Fritsch[110]的两个新的积云对流方案，它们在热带地区的对流模拟中显示出特别令人鼓舞的结果与中尺度模式MM5[111]一样，已经实施了动力核心的非静力版本，以及明确说明云水和冰、雨和雪变量的完整云微物理方案[112]。这使得该模型的应用实验在非常高的分辨率，在几个公里的顺序。关于耦合模型的发展，MIT-OGCM海洋模式现在与RegCM 4结合运行，并已在多个区域进行了测试，同时还采用了CLM4.5陆面方案[18]，其中包括城市环境和植被对气候强迫的动态响应的表示选项。陆地水文模型CHYM[17]的交互耦合也已完成，目前正在测试中。与海洋生物地球化学模型相结合的工作也在进行之中。除了第2节讨论的问题外，还计划在东亚和中国地区广泛应用RegCM 4的新版本到目前为止，只有有限的非流体静力学研究已经进行了几公里的分辨率，这可能是困难的，在整个东亚地区进行这样的模拟，由于770X. Gao，F.Giorigi/工程3（2017）766巨大的计算机成本。然而，对某些特定地区的研究将有助于更好地了解当地的气候条件，并为影响研究提供当地规模的气候变化预测。通过使用RegCM 4[113]中可用的陆地子网格方案，也可以获得增强的精细尺度表面信息-这是一种迄今为止尚未充分利用的模型功能。RegCM4与新的云微物理方案的一些初步测试显示了令人鼓舞的结果，在寒冷季节减少高纬度地区的暖偏差，特别是因为云量模拟的改进。虽然这一结果需要进一步验证，但最终结果将为其他区域气候模型以及全球气候模型的发展提供有益的建议作为CORDEX活动下一阶段的一部分，计划将大陆尺度CORDEX域的RCM分辨率提高到10-20 km [1]，因此需要在这些分辨率下对将使用CORDEX框架下的配置进行仿真。区域协调机制的相互比较也将有助于更好地理解该模型总之，RegCM系统在东亚地区进行了许多模拟，为该地区的模拟活动提供了非常有价值的结果。该模式的应用和发展将继续促进该地区的气候研究，包括气候变化预测、土地利用对气候的影响、气溶胶和污染研究（即，分布，运输和对气候的影响），以及古气候和季节预报。预计新一代东亚区域环流模式模拟将为政府间气候变化专门委员会（气专委）第六次评估报告、CORDEX以及影响和脆弱性研究的应用作出重大贡献。确认作者感谢博士。吴杰先生及吴博士。英士在搜集、整理文献方面所 作 的 贡 献 。 本 研 究 得 到 了 国 家 重 点 研 究 发 展 计 划（2016YFA0600704）的资助。遵守道德操守准则高雪洁和Filippo Giorgi声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 作 者 ： George F. 区 域 动 力 降 尺 度 和 CORDEX 倡 议 。 Annu Rev Env Resour2015;40：467-90.[2] Dickinson RE，Errico RM，Giorgi F，Bates GT。美国西部的区域气候模式。Clim Change 1989;15（3）：383[3] Giorgi F，Bates GT.复杂地形区域模式的气候学技巧《星期一天气评论》1989;117（11）：2325[4] 乔治·F用嵌套在大气环流模式中的有限区域模式模拟区域气候。J Clim 1990;3（9）：941[5] Giorgi F，Marinucci MR，Bates GT.第二代区域气候模式（RegCM2）的发展。第一部分：边界层和辐射传递过程。《星期一天气评论》1993;121（10）：2794[6] Giorgi F，Marinucci MR，Bates GT，De Canio G.开发第二代区域气候模式（RegCM2）。第二部分：对流过程和侧边界条件的《星期一天气评论》1993;121（10）：2814[7] Giorgi F，Mearns LO.专题介绍：区域气候模拟再探。J Geophys Res Atmos1999;104（D6）：6335[8] 1999年，J.J. 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