评估的能力三个区域气候模型在模拟CORDEX非洲西非夏季季风降水

文摘

本研究评估的能力三个区域气候模型(rcm)用于协调区域气候降尺度实验(CORDEX)来模拟降雨模式的特点在西非夏季季风从1998年到2008年。季节性气候,年降雨量周期,和风能领域的rcm的输出在三同质条件进行评估和验证使用降水数据从八十一年(81年)和TRMM卫星地面观测点数据。此外,rcm的能力来模拟应对厄尔尼诺和拉尼娜事件进行评估。结果表明,两个rcm (RCA和雷莫)模拟降雨气候学的主要特点和相关动力学三个亚区(几内亚海岸、草原和荒漠草原)西非。rcm还捕捉非洲东风急流(AEJ)和热带东风急流(TEJ)小的位置和强度的变化。分析显示明显的偏见在个体模型根据次区域和季节正在考虑这可能归因于强烈气旋环流观察到850 mb的压力水平。总的来说,这项研究显示了RCA和雷莫相当西非模拟降雨充分,因此可以用于评估西非夏季季风气候预测和未来。

1。介绍

西非季风(WAM)是最重要的之一,西非气候系统的动态现象在夏天期间(1];它起着至关重要的作用在生产大部分地区年降水量。这季风有很大影响天气和气候异常在本地和全球范围内由于其强烈的依赖区域和全球海面温度(SST)的变化(2- - - - - -4]。风的WAM是由季节性逆转由于陆地和海洋之间的微分加热,从而导致的极端降水的季节性模式。先前的研究已经表明,降水分布在西非是至关重要的许多活动,比如水资源监测、雨养农业,干旱和洪水预报5]。WAM系统包括许多大气特性如季风流,非洲东风急流(AEJ),热带东风急流(TEJ),非洲伊斯特利波(AEWs)和中尺度对流系统(mcs)在一个复杂的交互方式提供夏季季风降水(1]。在西非,两个低级偏西风气流政权对水分运输很重要;首先是众所周知的西非季风流,这是由西加速度的陆上流在几内亚海岸。第二个是10°N附近向西流,直接从东部大西洋到西非海岸。这是向西流首先由[被识别6)利用高分辨率散射仪测量及其动力学进行了研究。然而[7命名这个西非西风射流(WAWJ)由于其卓越的特性和动力学的流。最近,这个WAMJ被定义为一个低级的夏天气候学特征传输水分从东部大西洋到非洲大陆8]。先前的研究已经建立了一个关系WAMJ和降水变化在萨赫勒地区的西非的一部分。例如,[8)报道,湿和干燥的荒漠草原与强和弱WAMJ有关,分别。mid-troposphere约700 - 600 hPa存在一个强大的东风水分通量与非洲有关东风急流(AEJ)集中15°N附近用平流输送水分从东部和中部非洲西部6]。AEJ发生由于强大的子午面水分和温度梯度之间的撒哈拉沙漠和赤道非洲(8,9)和垂直风切变。这些梯度维持一个足够强大的东风切变建立上述AEJ lower-tropospheric西风季风流。然而,由于它的重要性,飞机已被确定为最关键的因素之一中尺度对流系统的发展,食物,运动在西非。此外,TEJ的6月到9月的现象位于对流层上部约250 - 200 hPa 10°N附近集中,发生的质量流量从喜马拉雅山脉(亚洲),据报道(8],它只有一个调节影响WAM在AEW天气活动带来了快速模式变化对降雨(10,11不到10天的时间尺度(10- - - - - -13]。AEW是由对流加热在中部和东部非洲(12- - - - - -16),之后向西传播与对流系统(17,18]。AEWs之间的交互和对流结果在同样系统调制效应(例如,飑线和沉淀云团)在西非(19- - - - - -21),与超过40%的中尺度对流系统(mcs) [10]。这些mcs是组织良好系统的个人雷雨胞产生强烈的降水和贡献高达80%的年度地区降雨量萨赫勒地区(22- - - - - -26]。

所有这些组件的WAM讨论展览年际和interseasonal变化模式。此外,WAM已经发现与观察到的厄尔尼诺和拉尼娜事件否则称为厄尔尼诺南方涛动,一个不寻常的气候变暖现象特有的热带太平洋东部和中部的一部分。关键研究这种关系一直探索的结论存在时期政治活动家之间的强和弱相关性和ENSO (27]。作者提出了一个重要的负面影响积极(温暖)ENSO阶段WAM降水在1970年代之后。此外,最近的研究主要全球海温的角色指定模式在推动的数十年可变性WAM降水ENSO事件的主要原因是(28]。

为主,人为活动对气候的影响越来越明显,造成政治活动家的变化。然而,评估这些影响地区重要的行业已成为一个主要问题,尤其对于政策制定者制定行动计划来减轻和适应未来气候变化的影响。评估气候模型是一个基本的步骤,估计在未来气候预测的不确定性29日- - - - - -31日]。政策制定者、关键用户的气候信息,依赖于预测气候变化影响的决策。因为气候模型的关键作用在这个过程中,有必要描述自己的长处,弱点,和不确定性。预测气候的主要工具是硕士环流模型(AOGCMs),模拟未来气候变化下一系列温室气体排放场景和通常运行在100 - 250公里水平分辨率由于大规模计算和数据存储的需求。然而,这些模型在模拟显示表现不佳的主要功能负责触发和维护西非季风降雨(WAM) (32,33];因此一个详细的典型影响评估、高空间分辨率的模型是必需的。降尺度方法已被开发出来并应用于区域局部范围信息来自粗分辨率模型。两个降尺度技术用于生产区域气候信息。统计降尺度实证使用大规模的大气变量和当地气候变量之间的关系,并演示了其可能产生有用的和适用的信息,尽管统计降尺度方法的应用受到缺乏或缺乏足够长的时间观测数据点或车站规模统计模型训练和验证。另一种但计算量的方法,不受这种克制,捕捉中尺度动力降尺度使用高分辨率的全球模型和非线性影响变量空间分辨率(34]。然而,降尺度技术受到不确定性继承从驱动模型和那些与他们的内部工作。针对这一点,几个rcm已经在先前的研究测试了在西非(33,35- - - - - -39为不同的目的。这些研究大部分集中在他们的技能在代表年度或季节性周期的关键气象变量(降雨、温度、湿度、云量等)。文献[39)评估区域气候模型的能力(RegCM3)繁殖季节温度和降水周期在1981 - 2000年期间在西非两种边界条件,再分析数据和ECHAM5输出。系统地探索与动力降尺度相关的不确定性,协调区域气候模型(RCM)模拟是必要的。这种协调的努力在其他地区,如欧洲40)、北美(41),和南美洲(42]。在非洲,协调区域气候降尺度实验(CORDEX)是第一个努力集中在整个非洲,而且把它作为一个优先领域(43]。它包括两个阶段:在第一阶段降尺度中心要求缩减规模参考/验证期间使用ERA-Interim再分析数据集从欧洲中期天气预报中心(ECMWF) [44),而在第二个阶段,耦合模型的数据进行项目阶段5 (CMIP5)模型从1951 - 2100年期间使用。在多大程度上CORDEX rcm可以充分获取重要的气候特点和模拟降水等关键变量在非洲尚未完全了解。然而,这是一个重要的先决条件是气候信息从高分辨率CORDEX获得数据将用于适应气候变化战略和其他应用程序。因此,本文因此客观评估的能力CORDEX参考运行模拟关键气候变量,特别是降水,作为一个重要的第一步之前评估缩减规模在非洲气候变化情况下的结果。参考文献(45,46)使用CORDEX模拟在非洲和证明了模型模拟平均季节和年度充分循环,虽然有空间偏见在模型集合体。结果表明,multimodel平均水平通常优于任何个人模拟和rcm显著提高降水的气候相比ERA-Interim开车。文献[47]分析了CRCM5并发现它充分捕捉季节性降水气候学在大部分非洲和年度周期在东部非洲东南部20°E。轻微的偏见是模拟日降水周期中发现的。在西非,(48)评估的能力CORDEX仿真模拟气候学和年度周期的降水和温度,发现rcm显示可接受的性能在模拟空间分布和变化的主要降水和温度特性。本文详细统计方法进一步应用于评估降雨模拟三CORDEX rcm在西非的夏季季风期间可能混淆。

2。研究区域

本研究的研究区域是西非。如图1大致介于经度纬度20°W和20°E和0°和20°N。地理,几内亚湾南部边界,而北方的北部边界毛里塔尼亚、马里和尼日尔。东部和西部限制分别喀麦隆山和大西洋。西非包括16个国家在政治上:尼日利亚、佛得角、冈比亚、贝宁、加纳、几内亚-科纳克里,几内亚比绍,科特迪瓦、利比里亚、马里、毛里塔尼亚、尼日尔、塞内加尔、塞拉利昂、布基纳法索、和多哥,占地大约500万公里²。然而,后49,50]西非域分为三个气候区,如图1:几内亚海岸(4°8°N),萨凡纳(8°-11°N)和萨赫勒(16°N)。几内亚海岸代表了南部边界的大西洋的特点是湿润气候,年平均降水量1250毫米和1500毫米之间。天时间(GDP)增长的数量变化之间的180和270天。草原地区半干旱地带,年平均降水量750毫米和1250毫米之间。然而,该区域是受小旱季雨季期间跳。萨赫勒地区区域覆盖的北部边界毛里塔尼亚、马里和尼日尔与单个降雨特征峰但短雨季(6),意味着国内生产总值和大约90天,年降雨量750毫米,分别。西非的气候变化也很大程度上影响了地形和一些最重要的高原Fouta Djallon,乔斯高原和喀麦隆高地(见图2)。

3所示。数据和方法

一个三rcm参与CORDEX-Africa程序分析和通量值。rcm集成在整个非洲域连续整个20年间从1989年1月到2008年12月在50公里的空间分辨率(~ 0.44°),采用ERA-Interim再分析(44在横向边界和初始化。rcm数据从气候数值预报建模(CLM)社区(CCLM4.8),瑞典的气象和水文研究所,瑞典(SMHI-RCA35)和马克斯普朗克研究所、德国(MPI-REMO);所有的rcm参与CORDEX-Africa实验。西非的模拟计算域图1展览一些本地化的高地在喀麦隆(喀麦隆山),尼日利亚中部(乔斯高原),和几内亚(几内亚高地);参见图2。模拟数据集都是来自气候系统分析组(CSAG)开普敦大学的南非开普敦。同时,在某种程度上比较和验证rcm输出,该研究使用从地面观察站降水数据和卫星(TRMM)。地面观测数据收集超过81个气象站在西非的段1990 - 2008(见图3为空间分布),而TRMM数据集得到的热带降雨测量任务(TRMM、3 b42版本651,52)为0.25°从1998年到2008年0.25°的空间分辨率。此外,在一种评估rcm的动态压力为使用风能和特定的湿度水平数据。这些数据是从ERA-Interim检索的再分析,产品从欧洲中期天气预报中心(ECMWF) 0.5°0.5°决议从1998年到2008年。值得一提的是,这一分析,所需的压力水平风场评估非洲东风急流的位置和强度(AEJ)缺席CORDEX输出;针对这种压力水平风从Ensemble-AMMA项目数据被用来评估风速剖面模式。所有的数据都进行质量控制和regridded相同空间分辨率的~ 0.44°。

评估方式的性能数据集(卫星和CORDEX rcm)定量相对于地面观测数据,各种统计数据可用来评估模型的性能评价(53- - - - - -55]。然而,没有一个封装了所有方面感兴趣的数据。因此它是有用的考虑几个性能统计数据也理解他们可能提供的信息或见解。以下统计方法被用来评估最好的卫星,网格和rcm数据集研究面积:指偏见(MB),意思是严重错误(兆欧),均方根误差(RMSE)和相关系数()。标准化降水指数,一个工具开发主要监控湿和干几年,在西非计算域的厄尔尼诺和拉尼娜年使用长期的意思是,每年的意思是,和降水数据的标准差。

因为TRMM有限的时间分辨率的数据,一些分析将被限制在1998 - 2008。

4所示。结果与讨论

之前评估rcm能力捕捉interseasonal可变性在西非,模型捕捉空间格局的程度必须检查。月平均环流的空间模式降水从1998年到2008年的CORDEX rcm是检查并与TRMM观察图4。TRMM降水,最高的区/最大降雨观测是在沿海部分从利比里亚(西南)向南东部西非虽然纬度10°以北有适度的低降雨量。这个观察区域的低和高降雨量是一致的在所有的三个CORDEX rcm但降雨量变化从一个模式到另一个地方。这些观察结果在相互同意的工作39,45,48]。观察到一个有趣的特点是,最重的区域降雨恰逢本地化高地在几内亚海岸,喀麦隆山,和在尼日利亚乔斯高原。

每月平均降雨量的time-latitude截面纬度4°20°N,经度之间平均10°W和10°E (a) TRMM、(b) CCLM, RCA (c)和(d)雷莫从1998年到2008年,如图5。TRMM数据显示了一个发病期3月下旬至6月,雨将逐步扩展带从东海岸到8°N。休息观察称为季风跳(48,56,57)在6月和7月之间发生在雨中带向北转移导致的季风降水高约10°N导致西非荒漠草原地区的降雨量伴随着几内亚沿岸降水强度的突然停止。然而大量的差异观察对这些特性的大小和空间范围。例如,RCA未能独特的繁殖季风跳而CCLM和RCA很大程度上高估了预处理和postmonsoon降水。模型无法捕捉的观测特征WAM可能由于他们未能充分模拟WAM降水的触发机制,例如,非洲东风急流(AEJ),热带东风急流(TEJ)和非洲伊斯特利波在先前的研究结论(8,37,58]。总的来说,三个不同的阶段,西非季风降水的年平均周期通常是被雷莫和差复制由CCLM和RCA由于他们过高的估计,分别。

此外,一个详细的年度周期进行了额外的分析考虑月降雨量的area-averaged价值使用地面观测数据从81年站在西非验证TRMM和RCM降雨数据,如图6。这有助于更好地识别降雨量最小值和最大值,从而进一步获得洞察的能力TRMM数据和rcm捕获阶段和振幅降雨(毫米)在特定的同质区域在西非。在几内亚海岸(见图6(一))地面降雨观测资料展览两座山峰,一个主要6月份最大,第二个一个九月,一个相对仲夏低(最小)8月季风雨带季节性迁移的南北方向。然而,观察到一些轻微TRMM之间的强度和rcm的差异主要在降雨的山峰;值得一提的是,rcm复制观察到的模式但高估降雨量。在萨凡纳(见图6 (b)),雨季延伸的长度从5月到9月;然而降雨展品单峰模式,在8月的峰值。所有的模型低估了夏季降雨量月,但是除了CCLM捕获模式。在萨赫勒地区(见图6 (c)),雨季的长度小于4个月8月7月和9月之间有最高降雨量;TRMM资料和rcm捕获模式描述,但低估了数量。立刻,在整个西非域(见图6 (d)),7月至9月是观察到降雨和最高TRMM和rcm是一致的。值得说的是,CORDEX rcm的interseasonal可变性捕获使用降水CCLM除外。

的性能的季风动力学的模型需要进一步检查,特别是确定风场的作用在西非的雨量分布。因此850 mb的分析特定的湿度和风力字段进行图7的方式来评估的水分运输和深度西非西风喷气(WAMJ) [6,7]。在ERA-interim,观察是西风带的窄带位于4°和8°N;这些西风从大西洋向东延伸到20°E有最大速度为3.33 m / s为中心约12°E喀麦隆山。弱西风带(1 m / s)在欧洲大陆向北扩展到18°N,回东风在撒哈拉地区。两座山峰之间找到东风带嵌入式纬度15°20°N。第一个位于20°之间,10°W和最大值约为5.7 m / s。第二个位于10°至20°E和相当规模第一。相比ERA-Interim rcm模拟风往往更强,西风飞机跨越更多的纬度;这些西风带扩展之间的纬向4°和12°N与当地西风maxima 6 m / s集中在大约12°N。此外,rcm模拟最大偏西风气流在12°E但定位再往北,沿着乍得湖10°N气旋环流在毛里塔尼亚的主导地位的两个模型(RCA和雷莫)。 This circulation can be attributed to a very large extent moisture convergence (owing to high specific humidity loading) which can be related to large deviation in precipitation simulated by two RCMs mentioned earlier. Furthermore, the models simulate monsoon that penetrates northward to about 16°N, covering the lower half of the Sahel. The difference in the northward extent of the monsoon between ERA-Interim and RCMs may be due to the differences in the strength of the simulated westerlies as indicated earlier, in particular, the westerly jet. In fact, studies have shown that the low-level westerly jet is an important agent for transporting moisture from the eastern tropical Atlantic Ocean into continental West Africa during boreal summer [56- - - - - -58]。

此外,纬向风的垂直截面在西非(a) ERA-Interim从1998年到2008年,(b) CCLM, (c) RCA和(d)雷莫在西非的夏季季风环流图所示8。ERA-interim分层结构的大气环流位于季风流学报》第4 - 14 (°N)在低水平,非洲向东的笑话(AEJ)中层约600 - 700 hPa中心约12 - 15°N和热带东风急流200 hPa围绕- 11°N。的深度和程度上向北季风流和相关的西风带被rcm合理模拟,虽然强度略低估了。除了ITD前线转载,AEJ模拟在700 hPa RCA和雷莫但它的力量是低估了核心和有点转向北方。在对流层上部,两个rcm明显繁殖的力量,TEJ的位置和深度。然而,射流核心的转变和东风的高估与过分强烈的表面温度梯度对土地所观察到的(8,39),在很大程度上影响了西非沉淀量及其变化。

夏季降水异常在西非的1991/1992,1997/1998,2002/2003与厄尔尼诺年(图9(一个)),1998/1999,1999/2000,2000/2001拉尼娜年(图9 (b))使用地面观测数据作为参考进一步调查。负异常观察在厄尔尼诺年意味着干燥条件。值得说的是,CCLM和RCA捕获这种极端但高估了强度在很大程度上,雷莫只抓住了1997/1998的厄尔尼诺事件。相反,积极的异常盛行在拉尼娜年雷莫复制几乎完全观察到的事件。然而,CCLM和RCA只捕捉这个事件在1999/2000。这些观察积极异常意味着潮湿比正常降水条件在西非。的发现是类似于工作的作者(59- - - - - -62年]报道分别在他们的作品,ENSO影响降雨。

泰勒图(63年)被用来验证模型的结果与地面观测降水数据在每个子区域(数据10 ()- - - - - -10 (d))使用季节性的可能(环流)1998 - 2008。

均值偏移误差,平均总误差,均方根误差(RMSE)、皮尔森相关系数和标准差(SD)是用于验证。概述观测不确定性,TRMM资料也比地面观测数据和绘制在同一图。使用的卫星数据(TRMM)观察与实测资料很好协议,由于其高度的相关性值约90%(大于0.90)与标准偏差和相对较低的错误附近的地面观测数据。这使得数据复制中最合适的降水模式TRMM次区域和整个西非域如表所示1。然而,表1进一步显示了所有rcm表现良好在几内亚海岸和萨赫勒地区由于其高度的相关性值只在萨凡纳RCA表现良好。然而,CCLM和雷莫展览RMSE高,MB,相比RCA在几内亚海岸和萨赫勒兆欧。

5。结论

在这项研究中,三个CORDEX rcm分析的能力捕捉和描述降雨模式在西非地区的季风季节期间可能从1998年到2008年。结果表明,低和高降雨量的观测区域是一致的在所有三个CORDEX rcm但降雨量变化在某种程度上。结果进一步表明,三个不同的阶段,西非季风降水的年平均周期通常是被雷莫和差复制CCLM和RCA。然而,基于interseasonal亚区降水的变化,整个西非,rcm倾向于低估夏季降雨量月,但是除了CCLM捕获模式。此外,850 mb的特定的湿度和风场的分析揭示了rcm模拟风往往更强,西风jet生成更多的纬度。还观察到的是一个主导地位的气旋环流在毛里塔尼亚的两个模型(RCA和雷莫)。这个循环是在很大程度上归因于水分融合(由于高比湿加载)可以与大偏差在降水模拟两个rcm前面提到的。rcm捕获季风层、AEJ TEJ位置和强度的变化。模型被发现模拟干燥过程中观察到比一般情况比正常条件下观察到的厄尔尼诺事件和湿润在拉尼娜事件虽然强度是高估了rcm的大多数。总的来说,这项研究表明,三个CORDEX rcm西非模拟降雨相当,因此可以用于评估西非夏季季风气候预测和未来。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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