区域气候模式RegCM 3初始和侧边界条件的敏感性分析

吴 迪，裴源生

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

区域气候模式RegCM 3初始和侧边界条件的敏感性分析

吴 迪，裴源生

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

不同初始和侧边界条件的选取对区域气候模式的模拟结果有着直接影响。本文分别采用NNRP1和ERA40两套应用广泛的全球再分析资料作为区域气候模式RegCM 3的初始场和侧边值，采用20km水平分辨率和An⁃thes-Kuo积云对流参数化方案对海河流域1998年夏季（6—8月）降雨和温度进行了模拟。结果表明：两套资料驱动下模式都能够模拟出海河流域降雨和温度的大尺度空间分布特征。从降雨中心、高（低）温中心位置和分布范围上，使用ERA40资料要好于NNRP1资料；从不同时间（日、月、季）尺度站点降雨和温度模拟与观测值上，ERA40资料也好于NNRP1资料，但两套资料驱动下对降水极值过程模拟效果均不理想。就本次模拟而言，ERA40再分析资料的可信度更高，更适合海河流域气候变化的数值模拟研究。

区域气候模式RegCM 3；初始和侧边界条件；NNRP1再分析资料；ERA40再分析资料；海河流域

1 研究背景

再分析资料（Reanalysis Datasets）是一种利用完善的数据同化系统把各种类型与来源的观测资料（如卫星、高空、地表、试验等资料）与短期数值天气预报产品进行重新融合和最优集成过程后的产品［1］。目前，再分析资料已在气候监测和季节预报、气候变率和变化、全球和区域水循环和能量平衡及大气模式评估等研究领域得到广泛应用；尤其在一些全球、区域气候变化模拟和预测中，再分析资料可为中尺度数值模式及区域气候模式提供初始和侧边界场资料［2］。

全球环流模式（GCM）水平分辨率较低，一般在150～400km间，对此尺度下的区域（或局地）气候变化模拟具有较大的不确定性［3］；与GCM比较，区域气候模式（RCM）具有较高的分辨率，能细致地描述地形、海陆分布以及地表植被等下垫面特征，对局地强迫引起的区域气候特征有较好的模拟能力，因此，近年来高分变率RCM已成为获取区域气候变化信息的重要工具。由于区域气候模式或嵌套到一个全球环流模式中，或采用再分析资料作为模式驱动的初始场和侧边界条件，而整个模拟过程中均需要有侧边界场作为驱动。因此，初始和侧边界数据的选取对RCM的模拟效果起着直接的决定作用。

当前国际上主要的区域气候模式中，以NCAR的RegCM系列应用最为广泛。2003年，意大利国际理论物理研究中心（ICTP）推出了改进后的新一代区域气候模式RegCM 3，该模式在世界各地气候变化模拟和预测中取得了较好的效果［4-6］。RegCM 3的初始和侧边界数据主要有再分析资料和全球环流模式的输出结果。在常用的再分析资料中，主要包括美国环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP&NCAR）的NNRP1再分析资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）40年的ERA40再分析资料［7］。NNRP1再分析资料是采用T62L28模式、3DVar同化方案，对来源于地表、船舶、无线电探空仪、测风气球、飞机等多种观测资料进行同化得到的，始于1948年且一直更新至今；其水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向分17层，包括地面层资料，气温、位势高度、垂直速度、相对湿度、经/纬向风和地面气压场［8］；ERA40再分析资料由ECMWF公布，其采用了T159L60模式和4DVar同化方案。资料时间长度为1957年9月—2002年8月，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向分23层，包括地面层资料［9］。由于两套资料集在模式、同化系统以及资料来源上存在一定差异，同时再分析过程中引入了模式资料，而观测系统、同化系统以及模式在不同时段也有所不同或改进。因此，采用两套再分析资料分别作为区域气候模式的初始和侧边界条件，其模拟效果也不尽相同。

本文选择人类活动干扰频繁的海河流域作为模拟区域，采用20km高水平分辨率区域气候模式RegCM 3为模拟工具，分别选取NNRP1和ERA40两套再分析资料作为RegCM3的初始场和侧边界值，对海河流域1998年夏季（6—8月）的降水和温度进行了模拟，并与观测值进行对比分析，以期找出适合该区域气候变化模拟的模式初始场和侧边界数据，为海河流域气候变化数值模拟和预测提供参考。

2 模拟方案设计

模拟区域为海河流域（35°～43°N；112°～120°E），模拟区域中心位于39°N，116°E，模式水平分辨率取为20km，格点数80×80（东西—南北），模拟范围包括整个海河流域及其周边地区。模式垂直坐标取18层非均匀垂直分层，模式层顶气压为5hPa。侧边界选择指数松弛方案，缓冲区12圈，缓冲区范围内模拟结果不进行分析；积云对流参数化方案选择Anthes-Kuo方案［10-11］，海表通量参数化方案选择Zeng方案，压力梯度方案选择流体静力递推方案。大气模式积分时间步长为60s，陆面模式积分时间步长为120s。模式积分时间为1998年5月15日—8月31日，其中5月作为模式的初始化时段，不进行分析。

图1和图2分别给出了模拟区域在中国的位置、范围以及地形分布。由图可见，RegCM 3模拟出了海河流域西北高、东南低的地形特点。西部为海拔1 400m以上的山西高原和太行山区，北部为海拔1 000m左右的蒙古高原和燕山山区，燕山、太行山由东北至西南呈弧形分布。东部和东南部为海拔100m左右的广阔平原。表明RegCM 3能够较细致的刻画海河流域的地形分布和海岸线特征。

图1 模拟区域在中国的位置

图2 模拟区域地形等高线分布（单位：m）

本文设计了两个模拟方案，即在保持模式水平分辨率、主要物理参数化方案和其它模式输入数据（地形、植被类型、海表温度）不变的条件下，分别采用NNRP1和ERA40两套再分析资料来驱动RegCM 3对海河流域1998年夏季（6—8月）降雨和温度进行模拟。其中，采用NNRP1再分析资料的模拟方案为Ex1；采用ERA40再分析资料的模拟方案为Ex2。NNRP1和ERA40再分析资料主要参数比较见表1。

除了初始和侧边界数据，模式采用的其它资料还包括：美国地质勘探局（USGS）分辨率10′×10′的GTOPO30地形资料；植被和土地利用资料采用USGS基于卫星观测反演的分辨率10′×10′的全球陆地覆盖特征（GLCC）数据库资料；美国国家海洋大气管理中心（NOAA）的分辨率1°×1°的OISST周平均海表温度资料。国家气象信息中心751站观测数据的插值格点场资料，用于降雨和温度场的检验；海河流域山东境内惠民站（37°30N，117°32E）1998年6月1日—8月31日逐日降雨和温度观测资料，用于模式输出结果插值到站点进行比较和相关性分析。

表1 NNRP1和ERA40再分析资料主要参数

3 模拟结果分析

3.1 降雨模拟对比分析图3是NNRP1和ERA40两套再分析资料驱动下RegCM 3对流域夏季各月月平均降雨模拟和观测场对比结果。由于观测场缺少海洋资料，文中仅对陆地部分的模拟结果进行分析。从图3中（a）—（c）可以看出，1998年6月观测降雨场在流域北部和西南部有2个降雨高值区（4mm等雨量线）。与观测场比较，Ex1和Ex2中模拟的流域北部降雨高值区范围明显偏大，降雨强度偏强，而流域西南部的降雨高值区在两方案中均没有模拟出来，模拟的2mm等雨量线位置和范围与观测场分布基本一致。总体来看，两方案对流域6月降雨的模拟结果均不十分理想。

从图3中（d）—（f）的观测降雨场分布可知，1998年7月海河流域东北部有一降雨大值区（10mm等雨量线），雨带大致呈东西走向分布；两个降雨低值区（4mm等雨量线）主要位于海河流域河北和山东两省交界地带，呈南北走向分布。与观测场比较，Ex1方案模拟的降雨中心位置明显偏东，雨带范围偏小；模拟出了两个降雨低值区，但雨区范围偏小，位置明显偏东北；Ex2方案模拟的降雨中心位置偏东，与观测场比较吻合，但雨带范围偏大；而两个降雨低值区却没有模拟出来，且流域南部地区有虚假降雨中心产生。从7月模拟降雨的空间分布上看，Ex1模拟结果要好于Ex2，但两方案对流域7月降雨模拟结果也不是十分理想。

从图3中（g）—（i）的观测降雨场分布可见，1998年8月海河流域降雨中心（12mm等雨量线）位于山东境内，雨带（8mm等雨量线）大致呈东西走向分布。降雨低值区（4mm等雨量线）主要沿着燕山-太行山一线的西北部地区分布。Ex1模拟的降雨中心位置和雨带分布与观测场拟合较好，但雨带范围比观测的雨带略小；Ex2中模拟的降雨中心位置与观测比较吻合，模拟的降雨中心位置与观测比较范围偏大、偏强，模拟的降雨低值区（4mm等雨量线）分布与观测比较一致。总体来看，Ex2模拟的8月平均降水要好于Ex1，较好的再现了流域降雨随地形变化的空间差异特征。

为进一步比较两套资料驱动下RegCM 3对月降雨总量的模拟效果，将模式输出结果插值到站点与站点观测值比较，选择山东境内惠民站作为参照，将模拟的6—8月日降雨与观测值比较（图4）。由图4可见，Ex1和Ex2中模拟的日降雨变化过程在6月和8月与站点观测拟合较好，但模拟值相对于观测值在某些峰值点上存在较大的偏差，表明模式对降水极值过程模拟还有待于进一步提高。

图5是惠民站月、季平均降雨与观测值比较结果。由图5可见，6月Ex1方案模拟的月降雨量为69mm，而Ex2方案模拟的月降雨量为121mm。与观测月降雨量（109mm）相比，Ex1方案偏低了39.7mm，而Ex2方案偏高了13mm；7月Ex1方案模拟的降雨量为372mm，Ex2方案模拟的降雨量为345mm，比观测值（290mm）分别偏大了82mm和55mm；在8月，Ex1方案模拟的月降雨量为38mm，Ex2方案模拟的月降雨量为150mm，比观测值（38mm）分别偏大112mm和46mm。从各月降雨量模拟结果看，Ex2方案模拟的月降雨量比Ex1方案更接近观测值。从季节降雨量模拟结果看，Ex1和Ex2方案模拟的夏季降雨量分别为591mm和549mm，与观测的夏季降雨量（436mm）比较，两方案模拟结果与观测值分别相差了154mm和113mm。从Ex1和Ex2方案与观测值相关性上看，两方案模拟的相关系数较低，分别为0.32和0.37，与观测值相关性较差。

图3 夏季（6—8月）模拟与观测的月平均降雨场（单位：mm）

总体来看，两方案中采用20km高水平分辨率模拟结果提供了对流域降雨更细致的空间分布描述。从模拟结果看，6月两方案对降雨的模拟结果均不理想，7月Ex1方案模拟结果略好于Ex2方案，而8月Ex2方案模拟结果要好于Ex1方案。由于区域降雨受大气环流、副热带高压、地形等综合因素影响，导致降雨变化较为复杂；且本次模拟只是一个夏季的个例模拟，所以两套再分析资料驱动下RegCM 3对流域降雨场模拟效果区别并不明显。站点插值结果与观测值比较表明，模式对夏季降雨极值过程模拟并不理想，主要原因可能是区域气候模式物理参数化过程（如云物理参数化过程等）还不完善；同时所采用的区域气候背景场驱动数据在分辨率上低、数据质量还有待于提高。两套资料驱动下降雨模拟效果的差异主要反映在数据同化方案和同化技术、所用到的数据类型、采用模式的分辨率、质量控制方法及相关的偏差校正方法上的差异，从而影响到数值预报初值场和侧边界的质量。

图4 惠民站实测与模拟日降雨变化过程

图5 惠民站月、季平均降雨量比较

图6 夏季（6—8月）模拟与观测月平均温度场比较（单位：℃）

3.2 温度模拟对比分析图6是NNRP1和ERA40两套再分析资料驱动下流域1998年夏季（6—8月）模拟与观测温度场比较。从6月模拟和观测温度场比较来看（图6中（a）—（c）），由于RegCM 3水平分辨率较高，模式很好的再现了沿燕山-太行山一线由东北向西南分布的等温线密集带，较好的反映了温度随地形的变化特征。从观测温度场分布上看，6月海河流域26℃高温中心主要位于流域南部的平原区，而温度低值区（16℃等温线）主要分布在流域北部的蒙古高原地区。Ex1和Ex2方案均没有模拟出这一高温中心，与观测场比较，Ex1方案中25℃等温线范围明显偏小，而Ex2方案中25℃等温线分布范围和走向与观测场拟合较好。Ex1和Ex2方案都能够模拟出流域北部高原地区低温带的走向，16℃低温中心位置和分布范围与观测场基本一致，尤其是模拟的18℃等温线分布范围与观测场拟合较好，但Ex1中18℃等温线断成两个部分，而Ex2中18℃等温线范围与观测基本一致。

从7月模拟和观测温度场对比来看（图4中（d）—（f）），Ex1和Ex2方案中28℃温度高值区范围明显大于观测场。Ex2方案中模拟的流域北部蒙古高原地区20℃等温线从分布范围和走向上与观测拟合较好，而Ex1方案中模拟的20℃低温区也是断为两个部分；Ex2方案中模拟的19℃等温线分布范围和位置与观测场拟合较好，Ex1中模拟的低温中心分布范围与观测场比较相对较小。

从8月温度场模拟效果和观测场对比来看（图6中（g）—（i）所示），Ex2方案中模拟的18℃等温线分布范围和位置与观测基本一致，尤其是沿着太行山脉走向的延伸部分刻画的较为细致，而Ex1方案模拟的18℃等温线分布范围相对较小。Ex1和Ex2方案中模拟的海河流域平原区25℃温度等值线闭合区位置和范围与观测拟合较好，Ex2方案中26℃高温中心分布范围也与观测场基本一致，而Ex1方案模拟的高温中心范围明显偏大。

图7是惠民站6—8月模拟的站点日气温值与观测值比较。Ex1和Ex2方案中模拟的逐日温度变化趋势与站点观测基本一致，但模拟的温度值相对于观测有总体偏低的倾向，除个别点误差偏大外，总体来看，在数值上模拟值低于观测值1～3℃，出现系统性的“冷偏差”。从模拟与观测值的相关系数上看，Ex1方案中模拟值与观测值相关系数达到了0.74，Ex2方案中模拟与观测两者相关系数达到了0.77，且两者在0.01显著水平上相关。可见，Ex2方案的模拟与观测在数值上拟合的较好。

图8是惠民站月、季平均温度与站点观测值比较结果。由图8可见，6月Ex1方案模拟的平均温度为24.13℃，而Ex2方案模拟的平均温度为24.42℃。与观测月平均温度相比，两者分别偏低了1.51℃和1.21℃；Ex1方案模拟的7月平均温度为28.25℃，Ex2方案模拟的7月平均温度为27.98℃，比观测值分别偏大了0.49℃和0.21℃；8月Ex1方案模拟的月平均温度为26.56℃，Ex2方案模拟的月平均温度为26.33℃，比观测值分别偏大1.12℃和0.89℃，整体来看，Ex2方案模拟的月平均温度比Ex1更接近观测值，尤其是7月模拟与观测值拟合较好。从季平均温度看，Ex1和Ex2方案模拟的夏季平均温度（26.31℃和26.24℃）与观测的夏季平均温度（26.28℃）基本一致，两方案模拟结果与观测值分别相差了0.03℃和0.04℃。

总体来看，两套资料驱动下RegCM 3都能很好的再现流域内温度的高低趋势分布及与地形分布有关的局地特征，说明RegCM 3对温度场的模拟效果要好于降水场。但从高温和低温中心分布范围和位置等细节上看，ERA40再分析资料要好于NNRP1资料；从站点插值结果比较来看，ERA40资料在不同时间（日、月、季）尺度的站点插值要好于NNRP1资料，同时从温度场的分布和冷、暖中心的位置和强度上看拟合的也较好。这一结果与赵天保等［11］认为ERA40资料比NNRP1再分析更接近观测值，且温度场的可信度好于降雨场的结论是一致的。

图7 夏季惠民站实测与模拟日温度 化过程

图8 惠民站月、季平均温度比较

4 结论

本文以海河流域为模拟区域，分别采用NNRP1和ERA40两套再分析资料作为驱动数据，进行了20km水平分辨率区域气候模式RegCM 3的初始和侧边界条件的敏感性分析。通过对1998年夏季（6—8月）模拟的降雨和温度与观测值的对比分析，可以得到以下结论：

（1）与降雨观测场比较，两方案中采用高水平分辨率区域气候模式模拟结果提供了对流域降雨更细致的空间分布描述，模拟出了流域降雨的大尺度空间分布特征。从模拟的降雨中心位置和范围看，6月两方案对降雨的模拟结果均不理想，7月Ex1方案模拟结果要好于Ex2方案，而8月Ex2方案模拟结果好于Ex1方案，表明两套再分析资料驱动下的降雨场模拟效果差异并不明显。从模式站点插值结果与观测值比较来看，两方案下对降水极值过程模拟均不理想。从不同时间尺度（日、月和季）降雨量比较上看，Ex2比Ex1方案更接近观测值，但两方案与日观测值相关系数均较低。由于区域降雨受大气环流、副热带高压、局地地形等综合因素影响，情况较为复杂；且本次模拟只是一个夏季的个例模拟，还需要进行更长时段的模拟来发现其规律性。

（2）与温度观测场比较，两方案均能模拟出流域由西北向东南温度逐渐升高的大尺度空间差异特点，模拟出了燕山-太行山一线的等温线密集带，较好的反映了温度随地形的变化特征。从模拟的温度高（低）值区位置和范围上看，采用ERA40再分析资料对温度高（低）值区模拟的更为细致，与观测场拟合较好；从模拟结果的站点插值与站点观测对比看，日尺度上，两方案模拟的温度变化过程与观测基本一致；从相关系数上看，ERA40再分析资料模拟结果更接近观测值；月尺度上，ERA40再分析资料模拟效果明显要好于NNRP1；而季尺度上，两方案模拟结果基本一致，无明显差别。整体来看，随着时间尺度的逐渐增大，两方案模拟的温度效果与观测值越接近。

（3）从降雨和温度的模拟结果与观测综合对比来看，对于海河流域气候变化模拟，ERA40再分析资料驱动RegCM 3模拟效果要好于NNRP1再分析资料；但从时间序列上看，ERA40再分析资料时间序列没有NNRP1长，因此需要根据研究进行选取。同时，两套再分析资料驱动下的降雨场和降水极值过程模拟效果并不十分理想，主要原因：一是模式物理参数化过程还不完善；二是初值场和侧边界资料分辨率和质量还需要进一步提高。

（4）就中国区域而言，NNRP1与ERA40两套再分析资料在针对中国不同地区和时间段上的表现并不一致，都有其各自的优缺点。如与观测资料比较分析发现［13］，两者基本上都能够反映中国区域的温度场和降雨场的时空分布；在地理区域上，东部的可信度高于西部；温度场的可信度高于降雨场。但NCEP资料在用于气候长期趋势变化研究时不确定性比较大。相对而言，在研究东亚气候的年代际变化时，应用ERA40资料更好［14］。

（5）目前，国内气候变化研究中使用的区域气候模式的初始和侧边界驱动数据主要来自国外相关科研部门（NCEP/NCAR、NASA/DAO、ECMWF等）的数据同化产品，而国内在数据同化方面相对比较薄弱，迫切需要提高数据同化技术水平，以及加强无资料地区气象观测站网建设，通过采用遥感、卫星、雷达、地面观测站等“天-地”一体化综合观测技术手段，建立先进的数据同化系统，以提供更高质量的数据同化产品，为我国气候变化下的水资源及其相关问题研究奠定坚实的基础。

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Sensitivity experiments on different initial and lateral boundary cond itions of Regional Clim ate Model（RegCM 3）

WU Di，PEI Yuan-sheng
（State Key Laboratory of Simulation and Regulation of River Basin Water Cycle，China Institute of Water Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Different initial and lateral boundary conditions have direct influence on the simulated results of Regional Climate Model.Using two sets of NNRP1 and ERA40 reanalysis datasets as the initial and bound⁃ary driving fields，two simulated schemes by RegCM 3 with 20km grid space and the cumulus parameteriza⁃tion scheme of Anthes-Kuo are conducted to analyze the precipitation and temperature in the Hai River Ba⁃sin in summer（June.-Aug.），1998.The simulated results indicate that RegCM 3 driven by two datasets of NNRP1 and ERA40 can perform the large scale characteristics of precipitation and temperature in the Hai River Basin.In the aspects of location and distributed scope of precipitation and high（or low）temperature centers，the simulated results of ERA40 are better than those of NNRP1，while the simulated results of precipitation and temperature interpolated to station in daily，monthly and seasonal scales are also better than those of NNRP1.However， the simulation of extreme precipitation process is not good in two schemes.In this case，the ERA40 reanalysis datasets with much reliability is suitable for the numerical sim⁃ulation of climate change in the Hai River Basin.

Regional Climate Model（RegCM 3）；Initial and lateral boundary conditions；NNRP1 reanaly⁃sis datasets；ERA40 reanalysis datasets；Hai River Basin

P412

：A

1672-3031（2012）02-0112-08

（责任编辑：王成丽）

2011-08-02

国家重点基础研究发展计划项目（2010CB951102）；国家自然科学基金项目（51009150）；国家自然科学基金项目（51109224）

吴迪（1978-），男，辽宁彰武人，博士生，主要从事气候变化与水资源研究。E-mail：wudisyau075@163.com