基于动态下垫面和Nudging同化技术的高时空分辨率气候场构建研究

The common methodology in dynamical regional climate downscaling employs a continuous integration of a limited-area model with a single initialization of the atmospheric fields and frequent updates of lateral boundary conditions based on general circulation model outputs or reanalysis data sets. However, it generally drifts away from large-scale driving fields. The nudging technique is used to balance the performance of dynamic downscaling at large and small scales, but the performances of the two nudging techniques (Analysis Nudging and Spectral Nudging) are debated. In addition, the change of underlying surface information has a significant influence on the model simulation. But most studies use the same data of underlying surface for different simulated time. .In this study, MODIS data will be used to dynamically update the underlying surface data of model. The impact on the simulation will also be evaluated. Then sensitivity analysis of nudging coefficient, cutoff wavelength, nested scheme and nudged domain numbers to the two nudging techniques will be studied to determine the optimal schemes for nudging. Finally, along serial of high spatiotemporal resolution climate filed for a region with complex underlying surface will be obtained.

传统的动力降尺度利用全球气候模式输出场或全球再分析资料给更高分辨率的有限区域模式提供初始条件和边界条件，进行长时间连续积分，但其结果会逐渐偏离驱动它的大尺度气候场。Nudging技术可用来平衡区域中小尺度信息和大尺度环流信息,但有关Nudging两种方法（Analysis Nudging and Spectral Nudging）的同化性能还争论不休。此外，下垫面变化对模拟结果准确性的影响尤为明显，但目前大多数降尺度研究仍然使用模式默认的静态地表数据集。. 本项目首先利用MODIS遥感数据动态更新模式下垫面参数，并评估其对模拟结果的影响；然后探讨对降尺度效果影响的张弛系数、截断波长、嵌套方案和Nudging区域个数等因素，得到最优Nudging降尺度方案，最终得到一组复杂地形和下垫面地区的长时间、高时空分辨率的气候数据。

全球模式或再分析资料由于其较低的时空分辨率，往往无法满足对区域尺度高时空分辨率信息的分析。为了得到高时空分辨率的气象资料和气候数据集，通常对大尺度气象资料进行降尺度分析。Nudging作为提升动力降尺度效果的一种重要方法，研究不同Nudging方法及其参数设置的敏感性对实现区域气候模式的更好模拟具有重要作用。. 首先对两种Nudging方法（格点Nudging和谱Nudging）进行了中国大陆夏季降尺度适用性的评估研究，结果表明格点Nudging试验对10 m 风速、2 m 相对湿度和环流系统的模拟优于谱Nudging，而谱Nudging实验模拟的降水量级和落区都更加接近观测。.针对格点Nudging对Nudging系数（强度）比较敏感的情况，本项目讨论了中国大陆不同地区格点Nudging的参数设置选择方案，结果表明大陆东部地区气象要素模拟的改进优于西部地区，同时不同地区、不同Nudging 变量下，模拟不同高度层气象要素的最优Nudging 时间尺度和高度也各不一致。而谱Nudging对张弛的截断波长设置较为敏感，分析了张弛不同变量和不同截断波长设置下对不同气象要素的模拟效果，得出了适宜不同地区模拟的谱Nudging方案。.由于模式默认的土地利用和植被覆盖信息不能准确的反映陆面的动态变化，因此采用MODIS数据更新土地利用和植被覆盖信息后，结合谱Nudging技术，证明对近地面气象要素（2m温度和2m相对湿度）的模拟具有明显的影响效果。. 同时也开展了两种Nudging方法在一次旱涝急转极端事件中的应用分析，同时利用分段积分结合谱Nudging方法研究了一次CP-El Niño对中国西南干旱以及鄱阳湖和洞庭湖的气候效应。. 针对区域气候模式，本项目优化了WRF模式的湖泊参数化方案改进了WRF模式对湖-气相互作用的模拟。由于再分析资料在青藏高原地区误差较大，采用三维变分技术对青藏高原复杂下垫面地区开展了动力降尺度的模拟试验。. 最后基于动态下垫面信息和同化技术产生了中国大陆地区30km、青藏高原地区6km，辽宁省4km和天津市2km的高分辨率气候数据集。