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气候模式是研究气候及气候变化、理解气候和气候变率机理的重要工具。由于全球模式分辨率较低，在东亚这样有着复杂地形和海陆分布的区域需要用到区域气候模式。而变网格模式作为区域气候模式的一种独特类型在东亚的应用尚缺乏系统性的研究。本论文在引进一个国外较先进的变网格模式LMDZ的基础上，针对东亚气候的特点，进行了东亚区域加密网格的AMIP(Atmospheric ModelIntercomparison Proiect)积分试验(ZG试验)，并与均匀网格的AMIP积分试验(UG试验)进行了比较。另一方面，基于LMDZ构建了一个区域模式。以再分析资料作为侧边界条件，对1998年东亚夏季风开展了降尺度个例试验。在个例试验基础上，开展了长期积分试验，系统地研究了变网格模式对东亚夏季气候平均态和年际变率的模拟能力，结果表明变网格模式在东亚区域气候模拟中具有较高的应用价值。主要结论如下：
1)变网格模式LMDZ模拟的东亚夏季风气候平均特征
为揭示区域加密对东亚夏季风气候平均态模拟的影响，利用LMDZ同时进行了东亚加密(ZG试验)和全球均匀网格(UG试验)的AMIP型积分，从1979连续积分至2007年。结果表明，较之UG试验，ZG试验模拟的气候态降水和对应的大气环流空间型，东亚夏季风期间雨带、西北太平洋副热带高压(西太副高)以及西风急流轴的季节演变等均与观测更为接近。ZG试验显著改善了对受地形特征影响很大的青藏高原东部和长江流域降水的模拟，大大削弱了UG试验模拟的青藏高原东侧虚假降水，再现了UG试验未能模拟出的长江流域梅雨带。这些改进表明变网格模式的区域加密技术对东亚气候态特征的模拟具有很高的应用价值。但值得注意的是，这两个试验均存在小雨偏多、大雨偏少，华北降水偏强，副高偏弱等系统性偏差。这些偏差可能与LMDZ自身物理过程不够完善有关。
2)LMDZ对1980-2007年东亚夏季风年际变率的数值模拟
在分析了ZG试验对东亚夏季风气候态特征具有较好模拟能力的基础上，研究了其对1980-2007年东亚夏季风年际变率的模拟能力。结果表明，较之UG试验，ZG试验模拟的东亚夏季降水和环流年际变率强度的空间分布特征更接近观测。本文在前人提出的夏季风指数的基础上构建了新的东亚夏季风指数(EASMI)。观测分析表明，该指数能更好地刻画东亚夏季降水的异常变化。较之UG试验，ZG试验模拟的EASMI与观测更为接近，亦能更好地再现降水和环流随EASMI强弱变化的异常型，但ZG试验模拟的夏季风年际变率偏弱。分析表明，这可能与ZG试验对ENSO等强迫的响应偏弱有关。
3)再分析资料驱动下LMDZ对1998年东亚夏季降水异常的模拟研究
基于LMDZ对东亚进行区域加密，并把加密区外作为侧边界，使LMDZ的预报量在加密区外向强迫场恢复，构建了一个有限区域模式，用于对东亚区域气候进行模拟。为检验它的模拟能力，采用NCEP-DOE(NCEP2)再分析资料作为侧边界条件驱动模式，对1998年东亚夏季风异常开展了个例模拟试验。结果表明，LMDZ能在一定程度上再现1998年东亚夏季降水的空间分布特征和江淮地区的“二度梅”现象。与观测相比，模拟的不足在于：在陡峭地形区附近存在虚假降水、华北降水偏多、30° N以南地区降水偏少及相对应的环流偏差。对于1998年的“二度梅”现象，模拟偏差主要表现为长江中下游地区两次(特别是第二次)较强降水的持续时间偏短，强降水范围偏小，而黄淮和华南地区降水偏多。LMDZ区域模式版本的特色一是区域加密，二是加密区内预报场每10天向再分析资料恢复一次。为检验上述两种处理方案对模拟结果的影响，进一步设计了均匀网格模拟试验和加密区内预报场不向NCEP2强迫场做任何恢复的敏感性试验。结果表明，LMDZ在加密区进行恢复总体上对模拟结果影响不大，但有利于提高对华北降水的模拟能力，而对长江流域和华南降水的模拟则有不利的影响。较之均匀网格模拟试验，加密试验由于在东亚的分辨率大大提高，对东亚夏季降水模拟效果更好。
4)再分析资料驱动下LMDZ对东亚夏季风的数值模拟
在1998年个例试验基础上，采用NCEP2再分析资料驱动有限区域版本的LMDZ，开展了1979-2007年长期积分试验，以研究该版本LMDZ对东亚夏季气候平均态和年际变率的降尺度模拟能力。结果表明，LMDZ对东亚夏季降水有着较好的降尺度能力，再现了东亚夏季降水的主要特征。较之NCEP2，大大改进了对降水和温度空间型及主要雨带季节内演变的模拟，具有明显附加值和较好的降尺度模拟性能。LMDZ对环流场亦具有较好的模拟能力，但模拟的夏季风偏强致使模式中水汽向东亚的输送偏强，东亚地区特别是华北大气低层不稳定性偏强，造成东亚降水偏多、雨带存在系统性偏北的模拟偏差。在年际变率上，LMDZ能够较好地再现东亚夏季风降水年际变率的主导模态及相对应的时间序列，较之NCEP2具有明显的改进和附加值。针对不同区域，较之NCEP2，模式亦显著改善了对华南和长江流域降水年际变率的模拟。
5)三套再分析资料驱动下LMDZ对东亚夏季风的数值模拟
前文试验表明，LMDZ作为区域模式使用时，对东亚气候和年际变率模拟较之再分析资料具有明显的改进，但依然存在一定不足，这可能受侧边界条件影响。因此我们设计了一组敏感性试验，分别利用NCEP2、ERA Interim、JRA25等三套再分析资料驱动有限区域版本的LMDZ，进行了1989-2007年连续积分试验，以揭示侧边界强迫场的差异对LMDZ模拟结果的影响。结果表明，各试验对东亚夏季降水气候态特征均有一定模拟能力，但均存在降水强度偏大、雨带系统偏北的模式系统性偏差。三套再分析资料之间水汽输送场的差异对LMDZ模拟的降水有直接影响，表明LMDZ对侧边界资料具有较高敏感性。各试验对长江流域和中国东南部(华北)降水年际变率强度均存在低估(高估)。对东亚季风降水和低层风场年际变率进行MV-EOF分析，发现MV－EOF1(MV-EOF2)中降水主要表现为华南(黄淮流域)负异常与江淮流域(长江流域和华南)正异常的偶极子型，对应着低层风场为华南的反气旋异常(中国东南部的西南风异常)和华北地区(长江流域以北)的北风异常。各试验对以上两个模态及相应的时间序列均有较好再现能力，同时存在一定差异和明显模拟偏差。在区域尺度上，各试验总体上都能再现东亚不同区域的年际变化特征，但在不同区域、不同时间尺度有着不同的模拟能力。以上分析表明，LMDZ模拟的东亚夏季降水和环流对侧边界强迫场具有较高敏感性，但在很大程度上模拟偏差主要还是来自模式自身。