基于Nudging同化技术的黄河源区气候动力降尺度研究

The characteristic and variability of regional climate in the Source Region of Yellow River (SRYR) has received widespread attentions under the background of the global climate warming. The regional climate dynamical downscaling is a useful method for studying the climate of complex terrain and land cover. However, the traditional dynamic downscaling based on long-time continuous integration will deviate from its large-scale driving field, and result in "climate drift". As a four-dimensional assimilation technique, Nudging can effectively restrain the "climate drift" in the process of climate simulation, and has been widely used in regional climate dynamic downscaling studies. Based on the existing research, a series of numerical sensitivity simulations about nudging parameters (e.g. variable, intensity) will be conducted to analyze the impact of different nudging assimilation methods on the climatic dynamical downscaling of SRYR, and to explore the optimal nudging strategy synergistically assimilating analysis fields and observation data near the surface. Based on the optimal nudging technology, the regional climate fields with high spatial-temporal resolution in SRYR will be constructed and evaluated with observations. Furthermore, the climatic characteristics, variation trends and the key atmospheric thermal processes of SRYR are elaborated from the perspective of dynamic downscaling. The conduction of the project is helpful to deepen the understanding of the climate state of SRYR, which could provide a scientific basis for the effective management and sustainable development of the water resources and ecological environment under the background of climate change in SRYR.

在全球气候变化背景下，黄河源区气候及其变化特征受到广泛关注。区域气候动力降尺度是研究复杂地形和下垫面区域气候特征的有效途径，但基于长时间连续积分的传统动力降尺度会偏离其大尺度驱动场，产生“气候漂移”。Nudging四维同化技术能有效解决这一问题，已被广泛应用于区域气候动力降尺度研究。本项目拟在已有研究的基础上，从分析场和地面观测资料两个方面出发，分析不同Nudging同化方法对黄河源区气候动力降尺度的影响，研究两种资料的最优组合Nudging同化策略；然后结合最优组合Nudging同化策略，构建黄河源区高时空分辨率的气候资料并对其进行评估；最后基于构建的资料，研究源区的气候特征、变化趋势及其关键大气热动力过程。本研究有助于加深对黄河源区气候状态的认识，为气候变化背景下黄河源区水资源和生态环境的有效管理和可持续发展提供理论基础和科学依据。

青藏高原是亚洲水塔，是我国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地，认识高原区域气候特征及其变化趋势，对气候变化背景下高原水资源和生态环境的有效管理和可持续发展至关重要。区域气候动力降尺度是获得高分辨率降水资料的常用方法，但准确模拟高原区域气候一直是地球科学领域的难点和热点问题。本项目研究了谱Nudging同化方案、对流解析模拟以及三维变分同化常规观测等对青藏高原区域气候模拟的改进效果，发现（1）高原对流允许模拟较好地再现了高原地区的降水和气温等气候特征，而对青藏高原区域气候的真实再现可以进一步提高对2011年6月梅雨降水的空间分布、最大降水中心和强降水过程的模拟，这主要得益于对青藏高原对流允许模拟对复杂地形的详细描述，有助于捕获更合理的500 hPa涡旋动能，使得大气的热力和动力环流场（如季风环流和南亚高压）的偏差减小；（2）谱Nudging的三个张弛变量中，张弛位温时对气象要素模拟效果改进最大，张弛风次之，张弛位势高度改进最小，其合适的截止波长为：张弛风500或1000km，张弛位温1000-2000km，张弛位势高度1000km；（3）采用重力波拖曳方案以及三维变分同化方法同化全球电信系统观测数据可以改善大气高层的风速预报，提高高原降水的模拟，这是因为同化GTS数据后，来自低纬度洋面的由于季风输送的水汽减弱，夏季南亚高压的加热作用减少，同时高原东侧的垂直上升速度变小，从而使得降水减少；（4）集成了谱Nudging同化方案、对流解析模拟以及三维变分同化常规观测等，得到针对青藏高原这一复杂下垫面区域的最优动力降尺度方案，并模拟了青藏高原高时空分辨率的气候数据；（5）通过谱Nudging同化方法以及分段积分方法，在比较准确的模拟极端降水过程的基础上研究了气候变化引起的大气热力和动力的变化对此次极端降水事件发生发展的影响及其物理机制，发现1980年以后区域气候变化引起的东亚夏季风环流减弱使2020年夏季极端梅雨总降水量减少约9.2% ~ 14.1%。本项目的研究加深了对Nudging同化方法、对流解析模拟等改进区域气候模拟的认识，对气候变化背景下高原水资源和生态环境的有效管理和可持续发展具有重要的科学意义。