 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 294-300 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.25042 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Application of Regional Climate Model-RegCM4 in The Simulation of Precipitation and Temperature in Hanjing Basin* Yu Cheng, Hua Chen, Jiali Guo, Chongyu Xu State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan Email: chengyu199319@live.com Received: Sep. 7th, 2013; revised: Oct. 22nd, 2013; accepted: Oct. 25th, 2013 Abstract: This work simulated climate factors in Hanjiang Basin by using dynamical downscaling method, transforming large scale observed climate variables into station precipitation and temperature. A 10-year (1991-2000) numerical integration simulation of climate over Hanjiang Basin was conducted with the latest version of a regional climate model RegCM4 nested in one-way ERA40 Re-analysis data. The Grell, Anthes- Kuo, MIT-Emanuel and Tiedtke cumulus convection parameterization schemes were applied in the running of RegCM4 to test their capability in simulating precipitation and temperature of Hanjiang Basin. The results demonstrated that RegCM4 was capable of well simulating the values and the changing trend of ground tem- perature during a year. In most cases, the error between simulated mean monthly temperature and observa- tion was within 2˚C, but there existed systematic “cold bias”. However, the simulation accuracy of precipi- tation is not as optimal as that of temperature. Different cumulus convection parameterization schemes dis- played different capability in simulating annual precipitation. Among all 4 cumulus convection parameteri- zation schemes, the MIT-Emanuel scheme had been proven to be the most accurate in simulating monthly precipitation. The accuracy of the scheme also showed great difference in simulated station interpolation of precipitation, which urges the improvement for the simulation capability of spatial distribution of precipita- tion. Keywords: Regional Climate Model; RegCM4; Precipitation; Temperature; Hanjiang Basin 应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温* 程 昱，陈 华，郭家力，许崇育 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 Email: chengyu199319@live.com 收稿日期：2013 年9月7日；修回日期：2013年10月22 日；录用日期：2013 年10 月25 日 摘 要：本文使用动力降尺度方法模拟汉江流域气象因素，将大尺度气象观测值转化到流域上，得到 流域站点降水和气候模拟值。使用RegCM4 区域气候模式，嵌套ERA40再分析资料，分别采用Grell 方案、Kuo方案、Emanuel 方案和 Tiedtke 方案等积云对流方案，对汉江流域进行了 10年(1991~2000 年)模拟试验，重点分析了 RegCM4 对汉江流域地表气温和降水的模拟结果。结果表明，模式对汉江 流域地表气温温度值和变化趋势具有较好的模拟能力。月平均温度模拟值与实测值误差小于 2℃，但 存在系统性的“冷偏差”。该模式对降水的模拟精度比温度模拟要差。对年降雨量的模拟，不同积云 对流方案模拟结果相差较大；在几种对流方案比较中，Emanuel 方案对月平均降水量相对模拟效果最 *基金项目：国家自然科学基金(51279138)。 作者简介：程昱(1992-)，湖北人，主要研究方向水文水资源；陈华(1977-)，福建建瓯人，主要从事水文水资源研究。 Copyright © 2013 Hanspub 294  程昱，等：应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温 Copyright © 2013 Hanspub 第2卷 · 第5期 295 好；然而RegCM4 对不同站点的插值模拟效果差异比较大，表明模式对降水的空间分布还有待改进。 关键词：区域气候模式；RegCM4；降水；地表温度；汉江流域 1. 引言 汉江流域是南水北调中线工程的水源地，同时其 下游是湖北省的重要经济走廊，2012 年已成为国家最 严格的水资源管理唯一试点流域。汉江流域地处亚热 带季风区，具有明显的季风气候变化特点，干旱和洪 涝发生的频率高。已有一些研究结果表明，季风系统 对全球增暖的响应较为敏感，是研究区域气候变化的 重要地区[1]。同时汉江流域在20 世纪下半叶大部分地 区气温呈上升趋势、20 世纪90 年代降水明显减少[2]， 因此，研究该地区气候变化对汉江流域水文水资源的 影响和汉江流域可持续发展的战略问题有重要意义。 RegCM 系列模式在东亚和中国区域得到了广泛应用， 包括气候变化、土地利用、当代气候模拟以及古气候 研究等很多方面。鞠丽霞等[3]研究认为RegCM2基本 准确地模拟出了东亚现代气候年平均地面气温的空 间分布形势，包括对局地冷暖中心位置的模拟， RegCM2 也很好地模拟了地面气温的季节循环。 RegCM2 模拟出了中国区域内雨带由东南向西北逐渐 递减的趋势，对区域内几个强弱降水中心的模拟与观 测有很好的对应降水的季节循环也得到较好模拟。高 学杰等[4]研究表明中国地区的土地利用/植被覆盖改 变，通过影响环流和改变地表能量平衡状态等，对降 水和气温等都产生了较大影响。罗勇等[5]研究认为 RegCM3 具有一定的再现该特大异常降水过程的时空 分布以及模拟和预测东亚环流异常的能力，可以作为 研究该地区季风降水物理机制和短期气候预测的基 本工具。以上研究表明区域气候模式RegCM 系列对 于中国区域降水和温度等气候要素的模拟是合适的， 同时也需要深入的模拟研究为区域气候模拟的改进 做出试验。 区域气候模式对降水模拟的精度要明显优于全 球气候模型，同时尺度上能和流域水文模型的尺度相 匹配，已经在气候变化对水文水资源影响研究中得到 了应用。本文通过建立汉江流域区域气候模型 RegCM4(Regional Climate Model4)，比较不同的边界 层和积云对流参数化方案对降水和气温场的影响。所 建立的区域气候模型将为评估气候变化对汉江流域 水文水资源的影响提供重要的气候情景输入。 2. RegCM4及实验方案 很多研究表明，提高气候模式水平分辨率对改进 其模拟性能可能是十分重要的，特别是对东亚地区气 候的模拟[6]。但由于计算机条件的限制，全球气候模 式的分辨率至今依然较低。RegCM 系列区域气候模式 建立在美国宾西法尼亚州立大学(PSU)和美国国家大 气研究中心(NCAR)联合创建的 MM4 和MM5的基础 上，具有较高的时空分辨率，能够描述中小尺度地形、 地表特征和其他因子对区域气候变化 的影响。RegCM4 是在 RegCM3 基础上发展改进而来，较旧版本的不同 特点：RegCM4/CLM3.5 耦合器；在采用 Zeng 方案计 算SSST 海平面温度时，预后方案可用；海冰 SeaIce 被引入 SST 海温边界；RegCM3中的 Dust/Chemistry 包得到修改和改进。RegCM4 有多种参数化方案，而 且不同方案在不同气候区域的气候因子模拟结果有 比较大的区别，因此在建立RegCM4 区域气候模型过 程中，需要综合比较不同参数化方案对模拟结果的影 响，最终确定一种最优方案。 2.1. 模拟区域设置 汉江流域地处我国华中地区，位于东经 105~115 度，北纬 29.5~35.5度。实验采用Lambert 投影，模 拟区域中心位于北纬 32.1 度，东经 110 度，模式水平 分辨率为20 km，南北、东西方向格点数分别为 44 和 28，包括整个汉江流域及周边地区。大气模式积分时 间步长为30 s，模式垂直方向非均匀分为18 层，顶层 气压 5 hPa；模拟实验从 1990 年1月1日积分到200 0 年12 月31 日，其中 1990 年作为模式的初始化时段， 不进行分析。 2.2. 模型参数化方案选择 本试验工作在 RegCM4 中模式侧边界采用指数松 弛方案，缓冲区 12 圈，压力梯度方案为流体静力递  程昱，等：应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温 第2卷 · 第5期 推方案，行星边界层方案采用Holtslag PBL 方案，大 尺度降水法案采用SUBEX[7]，压力梯度方案采用full fields 方案，海表通量方案采用 Zeng 方案(Zeng et al., 1998)。由于积云对流参数化方案对区域气候有关键的 影响，试验中分别采用了 Grell 方案、Kuo方案、 Emanuel 方案和Tidetke 方案，对区域气候场景进行模 拟。 2.3. 模型输入数据 汉江流域总的地势是：流域地势西北高，东南低， 地质构造大致以淅川–丹江口–南漳为界，以西为褶 皱隆起中低山区；东以平原丘陵为主。构建模型过程 中，模型输入的资料有：美国地质勘探局(U SGS)制作 的GTOPO30 的10' × 10'(经度 × 纬度)地形资料； USGS基于卫星观测反演的分辨率为 10'的 全球陆 地 覆盖特征(GLCC)数据库资料(植被和土地利用)；美国 国家海洋大气局(NOAA)分辨率为 1 km的OISST 周平 均海表温度资料；利用European Centre for Medium- Range Weather Forecasts(ECMWF, the Centre)每日 4 次、水平分辨率 2.5˚ × 2.5˚格点的再分析资料(ERA40)， 并插值到模式各层，为模式提供初始场合边界值。 3. 试验结果分析 RegCM4 的输出气象因子有：温度、降水、蒸发、 气压、显热通量、表面短波直射反照率和风速等。其 中地表温度和降水是许多动力过程和物理过程相互 作用的结果和检验模式模拟效果的重要参数，也是流 域水文模型的主要输入。由于在此研究中最终关注的 是气候变化对汉江流域未来水文水资源的影响，因此 这里重点分析降水和气温的模型结果。气象实测资料 来自中国气象科学数据共享服务网，通过比较实测降 水和气温数据与RegCM4 的Emanuel，Kuo，Ti e dt ke 和Grell 等积云对流模式的模拟结果，对 RegCM4的 模拟效果进行评估。 3.1. 降水模拟结果分析 图1为采用 Grell，Kuo，Emanuel和Tiedtke 等4 种积云对流方案对汉江流域1991年到 2000 年十年各 月月平均降水的模拟。由图可知：1) 这四种模拟方案 都能模拟出一年中降水量随月份的变化趋势，即 6~9 月份降水较多，其他月份降水较少。2) 从模拟的年平 均降水总量来看，Emanuel 方案和Grell 方案模拟的年 平均降水量偏大，分别偏大比实际值偏大 17.9%和 41%，Kuo 方案和 Tiedtke 方案模拟的年平均降水量偏 少，分别偏少 35.3%和52.9%。根据 10 年的模拟情况 可知，Emanuel 对年平均降水量的模拟效果最好，Kuo 方案次之，Tidetke 方案则模拟的相对最差。3) 对降 水强度较大的6~9 月的模拟情况，Emanuel 方案和 Grell方案比较明显的模拟出降水强度大的月份，且都 比实测降水值大，而 Kuo方案和 Tiedtke方案对强降 水的月份降水情况也有显示但是不太明显。事实上， 从图 1中数据可知，对于降水不多的月份如 1月、2 月、11月、12 月等个模拟方案与实测值差值都不太 大，影响模拟降水方案准确性的主要是夏季降水的准 确程度，Emanuel 方案在这点上也最佳。 表1是将 RegCM4 模式输出降水插值到安康等 10 个汉江流域典型站点的比较结果。从表中可以看出： 1) 对各个站点的模式输出插值进行比较，可知 1991~ 2000 这10 年年平均降水量 Emanuel 与实际偏差最小， Grell方案也比实测值大，Kuo 方案和Tiedtke 方案插 值到站点的降水比实测值分别小36.2%和59.6%；这 与以上得到的四种模拟方案所得汉江流域月平均降 水量与实测值差值所吻合。2) 同一种模拟方案对不同 站点的插值模拟结果相差较大，模拟效果较好的 Emanuel 方案所得降水量在钟祥站与实测值仅相差 3%，但在略阳站与实测值相差 30.3%；其他模拟方案 与在不同站点的模拟值与实测值的差值也相差较大。 3) 对于略阳站的模拟各种模拟方案与实测值都相差 30%以上，这可能是因为该地区处于模拟区域边缘， 0 50 100 150 200 250 300 350 123456789101112 降水（mm） 月 实测 Emanuel Kuo Tiedtke Grell Figure 1. Comparison of mean monthly precipitation between observation and RegCM4 simulationover the Hanjiang Basin 图1. 汉江流域降水 RegCM4 模拟和实测多年月平均比较 Copyright © 2013 Hanspub 296  程昱，等：应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温 Copyright © 2013 Hanspub 第2卷 · 第5期 297 Table 1. Comparison of mean annual precipitation between observation and RegCM4 simulation in10 hydrological stations in Hanjiang Basin 表1. 汉江流域降水 RegCM4 模拟和实测站点多年年平均比较 模拟均值 测站 实测 Emanuel RE(%) Kuo RE(%) Tiedtke RE(%) Grell RE(%) 安康 737.5 878.1 19.1 575.6 −22.0 609.3 −17.4 859.0 16.5 佛坪 804.0 961.6 19.6 402.9 −49.9 218.0 −72.9 734.3 −8.7 汉中 737.5 928.3 25.9 685.5 −7.0 423.2 −42.6 860.2 16.6 栾川 794.4 828.3 4.3 444.3 −44.1 247.2 −68.9 806.5 1.5 略阳 680.2 474.1 −30.3 376.7 −44.6 130.1 −80.9 891.2 31.0 尚州 612.5 590.8 −3.5 463.9 −24.3 224.7 −63.3 763.0 24.6 石泉 797.5 942.1 18.1 453.9 −43.1 398.3 −50.1 839.1 5.2 天门 1188.8 1045.5 −12.1 577.7 −51.4 228.0 −80.8 1381.6 16.2 镇安 687.8 854.1 24.2 454.1 −34.0 369.7 −46.2 744.5 8.3 钟祥 997.4 1027.2 3.0 691.3 −30.7 402.6 −59.6 1573.4 57.8 平均值 803.8 853.0 6.1 512.6 −36.2 325.1 −59.6 945.3 17.6 0 5 10 15 20 25 30 123456789101112 气温（C0） 月 实测 Emanuel Kuo Tiedtke Grell 而且下垫面地形及地表状况较为复杂，给出的侧边界 条件不够充分所致。3) RegCM4 降水模拟方案对于具 体站点的模拟效果不太好，Kuo 方案和 Tiedtke 方案 对天门、钟祥的于强较大的站点没有做出较符合实测 降水值的预测，Grell方案对钟祥站的模拟降水则比实 测值大很多。表明模式对降水中心的模拟的精度还有 待提高。 表2为插值到各站点的年降水标准方差比较。从 表中可以看出：1) Grell方案的 1991~2000 年降水标 准差与实测值最为接近，能够较好的反应降水的年际 分布离散程度，Emanuel 方案模拟的标准方差比实测 值偏小 17.1%，对降水年分布离散程度模拟稍差，模 拟结果最不好的是 Tiedtke 方案，与实测值相差 40.9%。2) 同一种模拟方案对这 10 个不同站的插值模 拟标准差与实测值比较差别比较大，Emanuel 方案对 略阳站的标准方差模拟比实际值偏小46 .5%，对佛坪 站的模拟币实际值偏大 29.3%，表明模拟方案对具体 站点的历年降水分布离散程度的近似还不够精确。其 他各方案对不同站点的标准方差模拟结果也有类似 情况。3) 对于某些站点的模拟出现 4种方案普遍较差 的情况，比如天门站，Emanuel、Kuo 和Tiedtke 方案 对其年际降水分布的离散程度刻画都偏小较大，而 Grell方案则偏大达 47.6%，说明对于该站点附近的降 Figure 2. Comparison of mean monthly temperature between observation and RegCM4 simulationover the Hanjiang Basin 图2. 汉江流域 RegCM4模拟和实测气温多年月平均比较 水年际离散变化模拟情况都不太好，可能与天门站在 模拟边界附近而受到影响有关。 3.2. 温度模拟结果分析 图2为采用 Grell、Kuo、Emanuel、Tiedtke 等4 种积云对流方案对汉江流域1991年到 2000 年这十年 各月月平均地表温度的模拟。由图可知：1) 各方案都 能较好的模拟出一年中气温变化的总趋势，一年中夏 季7月份温度最高，向两端呈递减趋势。2) 各模拟方 案对各月地表平均温度模拟准确程度都较高，对所有 月份的地表温度平均值模拟与实际值相差都不超过 2  程昱，等：应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温 第2卷 · 第5期 Table 2. Comparison of standard deviation of annual precipitation between observation and RegCM4 simulation in10 hydrological stations in Hanjiang Basin 表2. 汉江流域 RegCM4模拟和实测站点多年年降水方差比较 标准方差 测站 实测 Emanuel RE(%) Kuo RE(%) Tiedtke RE(%) Grell RE(%) 安康 144.61 128.97 −10.8 114.33 −20.9 186.39 28.9 163.37 13.0 佛坪 143.59 185.61 29.3 87.18 −39.3 56.34 −60.8 152.56 6.2 汉中 160.61 122.25 −23.9 127.18 −20.8 86.10 −46.4 98.13 −38.9 栾川 168.85 204.98 21.4 86.67 −48.7 75.43 −55.3 122.48 −27.5 略阳 118.97 63.59 −46.5 52.13 −56.2 23.87 −79.9 127.83 7.4 尚州 134.34 96.33 −28.3 109.16 −18.7 61.37 −54.3 186.68 39.0 石泉 137.60 122.51 −11.0 100.67 −26.8 146.27 6.3 185.02 34.5 天门 197.73 121.41 −38.6 141.12 −28.6 53.27 −73.1 291.94 47.6 镇安 106.64 86.75 −18.7 70.34 −34.0 91.23 −14.5 89.52 −16.1 钟祥 216.16 135.06 −37.5 178.32 −17.5 123.66 −42.8 271.58 25.6 平均值 152.9 126.7 −17.1 106.7 −30.2 90.4 −40.9 168.9 10.5 ℃；而且对所有月份的月平均地表温度的模拟都偏 小，存在系统性的“冷偏差”，与张冬峰等[8]研究符合。 3) 从模拟的年平均地表温度来看，Kuo方案与实测值 最为接近，其次是 Emanuel方案，表明这些方案在模 拟汉江流域地表温度是比较有效的，对于整个区域的 年平均地表温度模拟状况与梁玲等[9]研究相符。4) 除 Grell 方案外，其他方案模拟出的年末(11 月、12月) 年平均地表温度表现出偏暖的特征，高学杰等[10,11]指 出，RegCM3 在高纬度地区冬季气温模拟偏暖在使用 再分析资料驱动时也可以明显看到。 表3是RegCM4模式输出结果插值到安康等 10 个汉江流域典型站点和实测值的比较结果。从表中可 以看出：1) 对各个站点的模式输出插值进行比较，可 知1991~2000 这10年年平均地表温度 Kuo 方案和 Tiedtke 方案模拟值与实测值偏差最小，Emanuel方案 和Grell 方案插值到站点的降水比实测值分别小 0.8℃ 和1.3℃；这与以上得到的四种模拟方案所得汉江流 域月平均地表温度与实测值的差值所吻合。2) 同一种 模拟方案对不同站点的插值模拟结果相差较大，模拟 效果较好的 Kuo 方案所得降水量在钟祥站与实测值 仅相差 0.3℃，但在安康站与实测值相差2.3℃；其他 模拟方案与在不同站点的模拟值与实测值的差值也 相差较大。3) 对于安康站的模拟各种模拟方案与实测 值都相差 2℃以上，对汉中站的模拟基本上较大，反 应RegCM4 模式对具体站点地表温度的模拟还存在不 够准确之处，即温度场的模拟的高低温中心不准确。 4) RegCM4 温度模拟总体效果比降水要好，表现为月 平均值比较准确，具体站点的误差也比降水模拟小。 4. 结论 通过区域气候模式对汉江流域1991~2000 年的数 值模拟研究，分析了其对汉江流域的模拟性能，得到 以下主要结论： 1) 积云对流参数化方案的选取对降水模拟结果 影响较大。本次试验中，Emanuel 方案对月平均降水 量的模拟与实测值最为接近，比Kuo 方案更为精确， 这与李建云等[12]得出的 RegCM3 模式中Kuo 方案对 降水的模拟结果好于 Emanuel有所差距，应该指出的 是李建云等所做的分析为 2003 年6月~8 月，水平分 辨率为 60 km，而本文模拟 1991~2000这10 年水平分 辨率为 20 km，得到的结论差异可能由于模式本身设 置上的不同引起的；另外，本次模拟的区域范围较小， 以往的研究[13,14]所模拟的范围大多比本次模拟大很 多，影响到 RegCM 的模拟效果，更为深入地比较不 同积云对流模式的差异还需要更多的RegCM 模拟实 验。在本次模拟中 Tiedtke 方案得到的月平均降水量 Copyright © 2013 Hanspub 298  程昱，等：应用 RegCM4 模拟汉江流域降水和气温 第2卷 · 第5期 Table 3. Comparison of mean annualtemperature between observation and RegCM4 simulation in the whole Hanjiang Basin 表3. 汉江流域 RegCM4模拟和实测站点多年平均气温比较(℃) 均值 测站 实测 Emanuel Difference Kuo Difference Tiedtke Difference Grell Difference 安康 15.85 13.08 −2.8 13.55 −2.3 13.68 −2.2 12.68 −3.2 佛坪 12.02 11.50 −0.5 13.17 1.1 12.97 1.0 11.53 −0.5 汉中 14.71 12.64 −2.1 12.57 −2.1 13.60 −1.1 12.28 −2.4 栾川 12.33 12.67 0.3 12.66 0.3 13.70 1.4 11.90 −0.4 略阳 13.71 14.16 0.5 14.25 0.5 15.20 1.5 12.53 −1.2 尚州 12.97 10.99 −2.0 11.13 −1.8 12.28 −0.7 10.36 −2.6 石泉 14.75 13.48 −1.3 15.21 0.5 14.67 −0.1 13.32 −1.4 天门 17.02 16.38 −0.6 16.24 −0.8 17.56 0.5 16.10 −0.9 镇安 13.86 12.11 −1.7 13.19 −0.7 13.16 −0.7 12.16 −1.7 钟祥 16.53 16.42 −0.1 16.88 0.3 17.80 1.3 15.79 −0.7 平均值 14.2 13.4 −0.8 13.9 −0.3 14.5 0.3 12.9 −1.3 总体偏大较多，可能是该方案在本次实验区域边界条 件下不能表现其较好的性能，另外，这一方案在以往 的试验中尚未有比较明显的模式效果评价，对 Ti e dt ke 方案的降水模拟效果还需要更多更普遍的试验。 2) 对汉江流域地表温度的模拟效果四种模拟方 案都比降水模拟效果要好，表现为模拟月均值与实测 值相差较小，而且地表温度的模拟一年中随月份的变 化其趋势也比降水模拟要好。四种模拟方案对这十年 的月平均地表温度都表现为系统性的冷偏差，具体原 因可能是RegCM4 模式对热量转移、地气辐射等过程 存在系统偏差，Kuo方案和 Emanuel 方案对地表温度 的模拟相比 Grell 方案和 Tiedtke 方案月平均值更接近 实测值。 3) 本次试验中采用ERA40在分析数据，张东峰 等[6]认为 ERA40 资料在东亚地区也存在一定的问题， 尽管 KieuThiXin 等[15] 对比了 NCEP 、ERA40 和 ECMWF 三种不同初始条件对模拟东南亚典型湿年和 典型干年的影响发现，使用 ERA40的效果最好，但 是针对不同的下垫面条件和模拟边界设置仍然需要 可以采用其他的在分析资料来进行比较，以找到较合 适的模拟分析资料。高学杰等研究[16]表明高分辨率的 区域气候数值模拟能有效地改善模式的模拟能力，分 辨率和地形对区域气候模拟有同等重要作用，更高的 分辨率对下垫面的复杂地形有更准确的描述，比较不 同分辨率的区域气候模式模拟效果有助于确定合适 的分辨率。 4) 本次试验对于温度和降水的模拟结果有待于 今后更多高分辨率和对小范围地区的区域气候模式 的检验，更加具有说服力的结论有赖于今后对 RegCM4 应用于不同地区、采用不同参数化方案和分 辨率的模拟中，以便将RegCM4 修改以适应于不同地 区的区域气候模拟中。 参考文献 (References) [1] 符淙斌, 叶笃正. 全球变化和我国未来的生存环境[J]. 大气 科学, 1995, 19(1): 116-126. 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