青藏高原陆面过程参数化的不确定性及其对高原地-气耦合作用的影响

Studying the effects of land-atmosphere interactions in the Tibetan Plateau (TP) on regional and global climate variability is one of the most challenging issues in the climate research. Uncertainty in land-surface models in coupled weather and climate models is a great limiting factor for correctly simulated land-atmosphere interactions in TP. This proposal will develop a systematic approach for evaluating land-surface models, and use this approach to analyze the uncertainties in current land-surface-process parameterizations in TP. Based on such analysis, this project aims at improving current land-surface parameterizations and developing new schemes reflecting specificity of Tibetan complex land processes. The ultimate goal is to, through coupling the improved Noah-MP land-surface model with the GRAPES global model, improve the accuracy of representing land-surface interactions in TP in coupled weather and climate models.

研究青藏高原地-气耦合系统变化及其全球气候效应已成为一个重要的国际气候和地球系统科学的前沿问题。天气、气候模式中陆面模式的不确定性是目前制约青藏高原地－气耦合系统及其对区域、全球天气气候影响研究的一个瓶颈，亦是气象灾害预测前沿性理论问题研究的基础。本项目以构建陆面模式系统评估方法的新思路为出发点，借鉴目前天气集合预报系统的先进物理集合方法，利用新一代Noah-MP陆面模式物理集合模拟检验不同的科学假设，系统性研究多种陆面过程参数化方案在青藏高原区域的适用性与不确定性, 在此基础上发展针对青藏高原复杂陆面过程的新物理参数化方案，建立针对青藏高原的、改进的陆面过程模拟系统，并将这一系统与GRAPES耦合以研究陆面模拟不确定性对高原地－气耦合作用的影响，最终达到提升我国自主天气、气候模式对高原及其周边区域地－气耦合作用模拟精度的目标。

针对陆面模式的不确定性对耦合数值模式对青藏高原地－气相互作用模拟影响的重大科学难题，项目以构建陆面模式系统评估方法的新思路为出发点，借鉴目前天气集合预报系统的先进物理集合方法，利用新一代Noah-MP陆面模式物理集合模拟检验不同的科学假设，系统性研究了多种陆面过程参数化方案在青藏高原区域的适用性与不确定性, 在Noah-MP基础上改进具有青藏高原陆面过程特色的参数化方案，建立了针对青藏高原的、改进的陆面过程模拟系统，耦合改进的Noah-MP陆面模式于中国气象局业务天气模式GRAPES以改善我国自主天气模式对高原及其周边区域地－气耦合作用模拟及预报精度的目标。.项目围绕基金重点研究目标，基于长期观测及多次青藏高原科学试验加密观测的站点数据、多源信息资料及集合模拟综合应用，统计诊断分析陆面模式应用于青藏高原的不确定性取得了具有创新性及应用价值的研究成果：1）发展了系统评估陆面模式不确定性的新方法；2）剖析了陆面模式青藏高原不确定性的主要来源、范围及特征；3)融合不同时间分辨率、空间分辨率及观测时间段的FY-3A、FY-3B、FY-3C、IMF及MODIS的积雪覆盖数据，研究近十年青藏高原积雪覆盖变化；4）利用第三次青藏高原试验10个站点数据研究地表能量平衡，通过不确定性阈值归因分析方法，给出了感热及潜热的不确定性范围，为改进陆面模式提供了重要的参考；5）改进了对青藏高原模拟不确定性贡献最大的现有物理参数化方案（农田灌溉参数化、土壤垂直属性分层参数化、土壤有机质参数化、及植被根系参数化等），发展了针对青藏高原的新陆面物理过程参数化方案；6）构建了改进的GRAPES/Noah-MP耦合业务天气预报模式；7）发现了高原土壤湿度干异常与中国南部极端降雨触发呈显著相关，揭示了陆面模拟不确定性对预报华南暴雨的重大影响。 .在 Atmosphe.Chem.and Physics、J. Climate、Nature子刊、J. Geophy. Res.、Climate Dynamics、Mon.Wea.Rev.、Bulletin of the Ame. Meteorol.Soc.、Env. Res. Let.、Agricul.and Forest Meteorol.等国际较高影响刊物，共发表 SCI(E)论文23篇，核心期刊论文2篇。