《Science Bulletin》：A physically-refined regional climate model for the Tibetan Plateau
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青藏高原气候模型TPCSM基于WRF改进，通过地形拖拽、云分数和积雪参数优化，显著降低降水过湿和冬季低温偏差，支撑区域水资源与灾害预测。
杨坤|周旭|马晓刚|陈德亮|陈发虎|戴永久|江耀志|黄安宁|林彦鸾|刘家瑞|卢辉|孙静|王建民|王燕|岳思宇|赵定池|李欣
中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统、环境与资源国家重点实验室，北京100101，中国
摘要
对青藏高原（TP）进行可靠的气候建模对于理解亚洲季风的变异性、水资源以及相关的能量和水循环至关重要。然而，现有模型在准确模拟该地区复杂的气候方面仍面临挑战，这些模型往往高估降水量并低估冬季气温。在这项研究中，我们提出了青藏高原气候系统模型（TPCSM），也称为TP-WRF，它是基于天气研究和预报（WRF）模型开发的。我们改进或加入了与地形、陆地、湖泊、积雪和云层相关的关键物理过程，这些过程在标准气候模型中常常被忽略或表示不准确。这些改进显著提高了模拟的准确性。夏季降水量中的偏湿现象（通过气象站平均得出）从2.0毫米/天减少到0.5毫米/天，这主要归功于实施了湍流地形阻力方案和概率云分数方案。同样，冬季到春季的气温偏冷现象也几乎消失（从-1.8℃变为0.1℃），这主要得益于对浅层积雪反照率的改进以及对复杂地形对积雪覆盖影响的更好描述。TPCSM已参与两个国际模型对比项目，并被用于开发高分辨率气象数据集，从而加深了我们对TP水循环和能量循环的理解。TPCSM的开发标志着在复杂地形区域气候建模方面的重大进展，对改善水资源管理、灾害预报以及第三极地区的气候变化影响评估具有重要意义。
引言
青藏高原（TP）面积超过300万平方公里，平均海拔超过4000米，在调节亚洲气候和环境方面起着关键作用[1,2]。近几十年来，TP的气候、水圈、冰冻圈和生物圈经历了快速变化[3,4]。要理解这些变化，需要可靠的气候数据，而现有的网格化数据集无法充分提供这些数据[5]。
高分辨率的区域气候建模有望超越当前山区降水观测的能力[6]，从而加深我们对TP水文过程的理解[7]。此外，随着可再生能源行业的增长以及减轻TP地区水文气象灾害的需求，开发可靠的区域天气和气候模型的紧迫性日益凸显。
当前的气候模型在TP地区的降水量和温度仍存在显著偏差。区域气候模型中的正降水偏差可超过50%[8]。特别是在冬季，气温的负偏差尤为明显[9]。尽管一些研究优化了模型配置以减少偏湿现象，但偏差仍然存在。德国开发的二十面体非静力（ICON）模型在降水模拟方面表现较好，但在TP中部地区存在显著的偏干现象[10]。这些持续的错误表明现有模型在描述TP物理过程方面存在根本性缺陷。
改进TP气候建模的一个关键挑战是理解和表示其基本的物理过程。在过去三十年中，TP地区的广泛野外实验收集了宝贵的观测数据，推动了过程理解并支持了模型开发。然而，某些过程（如与地形相关的阻力作用和中小尺度云层）尚未得到足够的关注。到目前为止，还没有专门为这一独特地区开发出专门的气候模型。
鉴于这一需求，中国科学院青藏高原研究所（ITPCAS）和清华大学地球系统科学系于2020年启动了青藏高原地球系统模型（TPESM）的开发工作，该模型基于开源的WRF4.0模型。目标是捕捉大气、冰冻圈、水圈、生物圈、岩石圈和人类活动之间的相互作用，使模型能够真实模拟TP的气候，理解气候变化对地表的各种响应，并支持这一脆弱地区的气候变化适应和减缓工作。
如图S1（在线）所示，模型开发分为三个阶段：TP气候系统模型（TPCSM）、TP地表系统模型和TP地球系统模型。经过五年的努力，TPCSM在减少偏湿和偏冷现象方面取得了显著进展。本文描述了其开发过程、在模拟TP气候方面的表现以及进一步改进的前景。
模型物理过程改进概述
模型开发的前提是正确理解影响TP气候的关键物理过程。数十年的研究已经确定了若干这样的过程。
首先，TP的高海拔和复杂的陡峭地形对气流产生强烈阻力，改变了水文过程，重新分配了积雪，并使辐射传输变得复杂。其次，TP接收强烈的短波辐射，但长波辐射较弱，导致明显的季节性和昼夜变化
模型评估
上述所有改进的参数化方案均已整合到TPCSM中。由于之前研究已经证明了这些单独改进的有效性，本节通过比较标准WRF模型和改进后的TPCSM生成的TP气候模拟结果来评估这些方案的整体影响。
图S2（在线）展示了研究区域的范围和海拔。模拟设置包括两个单向嵌套域：外层域（D01）
结论与展望
TPCSM基于WRF4.0开发，并结合了野外调查和基于观测的过程理解，成功减轻了模拟TP复杂气候时存在的显著偏差。通过采用TOFD方案和高斯-概率密度函数（Gauss-PDF）云分数方案，TPCSM大大减少了降水偏湿现象。此外，对浅层积雪反照率和受地形影响的积雪覆盖分数参数化的改进几乎消除了冬季到春季的气温偏冷现象
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42588201）和中国华能集团有限公司（HNKJ24-H166）的支持。我们感谢国家大型科学和技术基础设施“地球系统数值模拟设施”（https://cstr.cn/31134.02.EL）和计算机网络信息中心的CASEarth Cloud（http://portal.casearth.cn）在模拟方面提供的技术支持。这是CORDEX-FPS-CPTP项目的第22项贡献。
作者贡献
杨坤、周旭等
