大气环流模式对青藏高原陡峭地形区降水模拟的改进研究

The bias in simulated precipitation over the eastern and southern steep edge of the Tibetan Plateau is a widely recognized problem in all kinds of numerical models. This problem has existed for a long time and has impacted the reliability and accuracy of climate simulation, prediction and projection over the Tibetan Plateau. Through comprehensive and detailed assessments of model results, this proposal plans to investigate the source of biases for different types of precipitation, and design numerical experiments to distinguish two aspects of the causes: one is the bias in large scale circulation and the other is the bias in local circulation and detailed precipitation distribution. This proposal simplifies the complex problem of the precipitation bias over steep mountains by distinguishing different types of precipitation events and distinguishing biases at different scales. The research contents of the project include: (1) Analyzing and classifying rainfall processes over the eastern and southern edge of the Tibetan Plateau, building physical models for different types of precipitation, and establishing metrics for model evaluation; (2) Evaluating the simulation of the climate features of different types of precipitation, and analyzing the biases in the evolution of precipitation and circulation under given initial conditions; (3) Designing sensitive experiments to understand the source of the biases in the ratio between different types of precipitation and the biases in the evolution of precipitation and circulation, and putting forward an overall improvement scheme.

青藏高原东坡、南坡陡峭地形区降水模拟偏差普遍存在于各类数值模式中，且长期未得到有效解决，此偏差严重影响着青藏高原地区的气候模拟、预测和预估的可靠性和准确率。本项目拟从对高原陡峭地形区模拟偏差的细致评估和理解入手，针对不同类型的降水过程分别考察偏差来源，并针对大尺度环流背景场偏差和局地环流及降水分布偏差两方面的问题分别设计数值试验及改进方案。项目特色在于通过对陡峭地形区不同类型降水的区分，以及对大尺度和局地尺度两类偏差的区分，简化地形降水模拟偏差归因这一复杂问题。研究内容包括：（1）高原陡峭地形区降水过程分析与归类，给出不同类型降水的物理模型并建立模式评估参照标准；（2）评估大气环流模式对不同类型降水气候态的模拟偏差，评估模式在给定初值情况下模拟的降水和环流场演变过程偏差；（3）针对不同类型降水间比例偏差和各类降水事件的过程演变偏差，分别设计敏感性试验以确认偏差来源，提出整体改进方案。

青藏高原陡峭地形区降水模拟偏差长期普遍存在于各类数值模式中，严重影响了青藏高原地区气候模拟、预测、预估水平和数值天气预报的准确率。本项目针对陡峭地形区降水，开展了精细化特征分析、模拟结果评估、模式方案改进三方面工作。从青藏高原及其周边陡峭地形区的观测分析入手，综合运用一系列针对小时尺度降水的新方法，在对降水过程进行细致分类的基础上，揭示了复杂地形区降水的日变化、持续时间、频次-强度结构、传播移动、过程演变等精细化特征及其与地形的关联，并提炼出相应的数值模式模拟能力评估方法和关键指标。对不同分辨率的CMIP6模式结果进行评估，发现CMIP6模式对青藏高原地区降水的空间分布及其精细化特征的模拟仍存在较大偏差，特别是高原边缘陡峭地形区的模拟偏差尤为突出。进一步聚焦青藏高原东坡典型偏差大值区，深入分析了模式降水偏差的特性，从降水频次-强度结构来看，模式偏差主要来自弱降水的贡献；从降水事件过程演变来看，尽管模式对降水事件峰值时刻的模拟接近观测，但事件较观测开始（结束）的更早（晚），持续时间偏长，且模式不能再现降水过程演变的不对称性特征。通过开展可对模式环流场进行约束的片段式AMIP型试验，实现了气候模式结果与真实天气过程的对照评估，发现高原东坡出现虚假弱降水时，模式中对流层中低层异常偏湿，这种水汽偏差是导致降水偏差的一个重要因子。进而指出水汽偏差与次网格地形的复杂程度紧密相关，次网格地形起伏越大水汽正偏差越大。最终构建了依赖于网格内地形复杂程度的水汽耗散系数，调整了模式中的水汽倾向计算，片段式AMIP和连续AMIP试验的结果均表明改进后的模式可以有效改善高原周边陡峭地形区降水的模拟。项目提出的降水精细化特征评估诊断方法和相应指标体系已应用于中国气象局区域高分辨率数值预报检验评估业务。