湖泊,作为陆面的重要组成部分,由于其湖水的粗糙度、热传导等特征与陆地差异显著,会引起湖-气相互作用,对区域天气气候产生重要影响。鄱阳湖和洞庭湖,是我国最大和第二大的淡水湖,显著地影响着局地的天气和气候。数值模式是研究湖泊区域天气气候效应及机理的有效工具,而耦合了湖泊模块的模式可实现对湖泊水动力过程及湖-气相互作用的准确模拟,故成为研究湖泊气候效应,深入理解其机理的重要手段。然而,现有的湖泊模式对大湖的模拟仍存在较大不确定性,且耦合了湖泊模式的Weather Research and Forecasting(WRF/Lake)模式在中国两大淡水湖的适用性有待评估。此外,由于模式和初始场存在误差,长时间的气候模拟会出现“气候漂移”,导致模拟的气候状态存在明显误差,并可能掩盖湖泊气候效应的“真值”。因此,如何减小湖泊气候效应模拟的不确定性,提高模式对湖泊气候效应的模拟性能具有十分重要的科学意义。基于此,本文首先评估WRF/Lake模式在鄱阳湖和洞庭湖区域的适用性,并优化WRF/Lake模式中表征水热力过程及湖-气相互作用的重要参数,以提高其对鄱阳湖和洞庭湖湖-气相互作用的模拟能力。其次,在湖泊气候效应的模拟研究中,引进“分段积分”方法。再次,针对“分段积分”方法,评估将观测或分析资料引进模式模拟过程的两种四维同化方法(格点nudging和谱nudging)提高气候模拟准确性的效果,选择最优的同化方法;同时分析NCEP/FNL、NCEP/R2和ERA-Interim三种资料作为初始场和边界场驱动区域气候模式WRF的模拟差异,选出模拟误差最小的再分析资料,并探讨和验证其“适宜”的截断波长。最后,利用优化后的WRF/Lake模式,结合“分段积分”方法,研究鄱阳湖和洞庭湖的区域气候效应。论文的主要结论如下:(1)WRF模式提供的湖泊参数化方案不适用于鄱阳湖和洞庭湖区域,修改湖泊模块的部分参数能改进WRF模式对两湖湖-气相互作用的模拟。本文选取不同天气背景(冬季有雨、冬季无雨、夏季有雨和夏季无雨)的8个个例,利用WRF/Lake模式设置敏感性试验(不使用湖气耦合参数化方案的试验、使用WRF模式中默认的湖泊参数化方案试验和使用修改部分参数后的湖泊参数化方案试验)对鄱阳湖、洞庭湖区域天气进行模拟。结果表明,WRF/Lake模式对温度、露点温度及降水的模拟效果明显受到天气状态的影响。对冬季有雨个例,不使用湖气耦合参数化方案比使用该方案的效果更好,说明WRF模式中默认的湖气耦合参数化方案在两湖区域不适用。修改湖水吸收太阳光的比例、衰减系数以及粗糙度后的湖气耦合参数化方案能明显减小冬季有雨个例的模拟误差。尽管修改部分参数后的湖泊参数化方案对其它个例中温度的改进效果不一致,但其能明显减小露点温度的模拟误差。长时间的模拟结果也表明,修改部分参数后的方案比默认的方案模拟效果更好。所以修改部分参数后的WRF/Lake模式更适合应用于鄱阳湖和洞庭湖的天气气候效应的模拟研究。(2)在鄱阳湖和洞庭湖气候效应的理想试验模拟研究中,分段积分方法可有效地提高模式对有湖时的参考态、无湖时的扰动态和湖的效应的模拟精度。本文在湖泊气候效应的模拟研究中,引进“分段积分”方法,并以冬季鄱阳湖和洞庭湖的局地气候效应为研究对象,利用WRF模式进行理想数值模拟试验,检验分段积分方法用于两湖气候效应敏感性试验的可行性和有效性。结果表明:分段积分方法可以有效地减少长时间连续积分造成的误差累积,并且能够明显提高参考态和扰动态的模拟精度,进而提高变化场的模拟精度。这表明分段积分方法应用于鄱阳湖和洞庭湖气候效应的模拟研究中以提高模式对湖泊气候效应的模拟性能是有效的。(3)格点nudging和谱nudging都能有效地抑制长时间气候模拟出现的“气候漂移”,但谱nudging可明显的改善降水的模拟效果,因此谱nudging更适合用于分段积分方法以协调地将分析场引进模式模拟过程。在分段积分方法中,可采用牛顿张弛逼近四维同化方法(nudging)协调地将观测资料或者分析场引进模式模拟过程中。本文多组试验的模拟结果表明:传统连续积分试验模拟的降水落区偏差较大,格点nudging和谱nudging都能有效的提高模式对降水落区的模拟精度,但是格点nudging低估了整个中国区域的降水,模拟的降水偏差最大,而谱nudging试验虽然低估了长江流域的降水,但其降水偏差是最小的。各组试验对长江中下游一次旱涝急转事件的模拟结果表明:两种nudging方法都能明显的减小连续积分过程中的模拟误差,但只有谱nudging能明显的改善降水的模拟效果,能较好的重现长江中下游的此次旱涝急转事件的过程。造成两种nudging方法模拟差异的主要原因是格点nudging在限制模式大尺度环流场偏离其驱动场的同时,也使模式的小尺度信息向其驱动场逼近,而谱nudging则只对模式中大尺度场进行调整,使大尺度环流接近驱动场,同时让模式自由的发展小尺度信息。对小尺度信息的不同处理使得模式模拟出不同的水汽输送和辐合,进而影响云的生成,并进一步改变降水的模拟。(4)ERA-Interim再分析资料在长江中下游区域的模拟效果最好,其作为驱动场时,谱nudging的截断波长应选取2000 km左右。考虑到分析资料误差会影响分段积分方法的模拟效果,而且分析资料的误差越小,分段积分方法的模拟效果越好,本文进一步评估了NCEP/FNL、NCEP/R2和ERA-Interim三种资料作为初始场和边界场驱动WRF模式的模拟差异。结果表明:三种资料在中国各个区域的模拟结果差异明显,但ERA-Interim再分析资料在长江中下游区域的模拟效果更好。所以在研究鄱阳湖和洞庭湖的气候效应时,应该选取ERA-Interim再分析资料作为初始场和边界场。ERA-Interim再分析资料作为驱动场时,谱nudging同化方法中的截断波长可选取1500-2000 km左右。ERA-Interim再分析资料“适宜”截断波长的敏感性试验表明在嵌套模式的内外重区域,ERA-Interim再分析资料的“适宜”截断波数分别为4和1,其对应的“适宜”截断波长分别是1950 km和1830 km,即其“适宜”截断波长在2000 km左右。(5)在鄱阳湖和洞庭湖气候效应的模拟研究中,分段积分方法模拟的有湖时的气象场比连续积分方法更接近观测资料;鄱阳湖和洞庭湖在夏秋季起热源作用,春季起冷源作用,且夏秋季节两湖的气候效应更显著。在前面工作的基础上,模拟研究2009-2011年鄱阳湖和洞庭湖的气候效应。模拟结果表明,尽管分段积分模拟的有湖时气象场(包括温度、降水以及环流场等)仍然存在偏差,但其模拟效果明显优于连续积分,且分段积分模拟的有湖时的2 m温度、地面气压和日累积降水的时间序列和观测的一致性较好。这说明分段积分方法比连续积分方法更适合用于鄱阳湖和洞庭湖气候效应的敏感性试验研究中,且利用模式分段积分的结果来分析鄱阳湖和洞庭湖的气候效应是可行的。鄱阳湖和洞庭湖在夏秋冬季起到热源作用,春季起到冷源作用,且几乎全年都增大湖区的风速、蒸发、空气湿度、感热通量及潜热通量。两湖的区域气候效应冬季不明显,夏秋季节最显著,这和两湖的温度效应在夏秋季较大有关。两湖夏秋季增加其西北或北部的降水,减少其西南或南部的降水。湖效应降水的机制是:两湖的热源作用使湖区大气辐合上升,地面气压降低,在降水增加区域上空出现气旋性环流异常且伴随水汽辐合及垂直上升运动增强,在降水减少区域上空出现反气旋性环流异常且伴随水汽辐散增强、垂直上升运动减弱,水汽通量散度及环流场的改变共同影响湖泊气候效应降水。两湖对区域2 m温度、潜热通量、向下的短波辐射、向上的长波辐射的影响基本和其对降水的影响相反,对2 m水汽混合比和感热通量的影响基本和其对降水的影响一致。可见鄱阳湖和洞庭湖除了影响湖区的气候外,还会通过影响大气环流及水汽辐合而影响区域降水、温度、湿度及地表能量平衡,进而影响区域气候。