全球海-陆-气耦合模式大气模式分量的发展及其气候模拟性能Ⅱ--垂直分辨率的提高及其影响

在第1部分水平分辨率提高的基础上,提高了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的全球海-陆-气耦合气候系统模式(GOALS／LASG)大气模式分量的垂直分辨率。为减少地形对平流层的影响,并和其它气候模式一致,建立了基于能量守恒和角动量守恒的垂直混合坐标方案,及混合坐标下的半隐式时间积分方案,并对相关的物理过程作必要的调整。尽管主要物理过程不变,但从初步结果来看,对大气垂直结构的模拟更合理;平流层风场和温度场的模拟与观测更接近;降水、海平面气压场的分布及季节变化等特征也有明显改进。     

利用GCM模式对全球雷电活动的模拟分析

将修正的参数化方案嵌套入美国马里兰大学海-陆-气研究中心的全球大气环流谱模式(COLAGCM),建立了可用于全球雷电活动模拟与估测的模式系统.通过对模式输出与实况资料的对比,检验其气候模拟性能.虽然模式的分辨率较低但经过较长时间积分,仍可再现实况资料的主要特征.性能良好,计算稳定,且因时间步长较大可大大节省机时.耦合模式系统经长时间的积分后,模拟的多年平均的全球雷电频次时空分布及变化与观测分析较一致.全球范围内每秒钟平均有79次的雷电发生,陆海比为12.2.多发生在北半球夏季且具明显的季节变化特征.     

基于LASG/IAP大气环流谱模式的气候系统模式

文章扼要介绍了基于LASG/IAP大气环流谱模式(SAMIL)的气候系统模式的新版本FGOALS-s的发展和结构。出于发展一个在东亚季风模拟方面有一定优势的气候系统模式之目的,FGOALS-s的大气模式分量SAMIL采用了较高的水平分辨率R42,这相当于2.8125°(经度)×1.66°(纬度),高于三角截断T42的分辨率。对FGOALS-s在模拟大气、陆面、海洋和海冰的气候平均态,以及主要的年际变率信号方面的能力进行了检验。分析表明,FGOALS-s成功地控制了气候漂移趋势,能够较为真实地模拟大气、海洋和陆面的气候平均态,特别是受益于大气模式的较高分辨率,由中国西南向东北延伸的夏季风雨带的分布,在模式中得到较为真实的再现,表明该模式在东亚夏季风的模拟上具有较强能力。耦合模式能够成功再现El Ni~no事件的非规则周期变化,但是其年际变化的振幅较之观测要弱。赤道中西太平洋年际变率的强度较之赤道中东太平洋要强。在中高纬度,模式模拟的北大西洋涛动模态,在空间分布上与观测接近。FGOALS-s模式存在的主要问题,是模拟的热带海温偏冷、而中纬度海温则偏暖,原因是模式模拟的云量分布存在偏差,它直接影响到海表的净热通量收支。模式模拟的北大西洋高纬度地区的海温明显偏冷,令该地区的年平均海冰分布的范围明显偏大;然而受南极周边海温偏高影响,南极洲周围的海冰范围则偏少。FGOALS-s的未来工作重点,宜放在大气模式的云过程、海洋模式的经向能量输送过程、以及海洋与大气的淡水通量耦合方案的改进方面。     

基于一个不同网格相互嵌套的陆气耦合模式的气候模拟研究

将一个大气植被相互作用模式(AVIM)与大气所LASG的R15九层大气环流模式GOALS相耦合．用来模拟多年平均的全球气候状况。AVIM是一个陆地表面陆面和生理过程相互反馈的模型。作为陆气耦合的第一步,暂不考虑AVIM中的生理过程,而首光将其物理过程[相当于通常的SVAT(土壤—植被—大气—传输方案)模型]与大气所LASG的九层大气环流模式耦合起来．其中海洋模式部分不参与积分,海面温度是多年平均的气候伯。考虑到GCM的分辨率较低(7．5°×4．5°)而植被分布必须有较高的分辨率(1.5°×1.5°),采取广大气与地表面粗细网格的嵌套耦合。模式积分15年,取最后10年的平均值作分析。将模拟的气候要素场与观测值和NCEP再分析资料作了比较,气候模拟结果反映了全球环流与温湿场的主要特征,特别是降水和地面气温的模拟效果较好。这为今后气候模式与生物圈的耦合奠定广一个良好的基础。     

北京气候中心大气模式对季节内振荡的模拟

对北京气候中心大气模式(BCC AGCM2.0.1)模拟热带季节内振荡的能力进行了检验.北京气候中心新一代气候模式(BCC AGCM2.0.1)是在原中国国家气候中心模式的基础上参考NCAR CAM3改进形成的.新模式中引进了一个新的参考大气和参考面气压.因此原模式的预报量中的气温(T)和地面气压(p_s)则变为它们对参考大气气温的偏差和对参考面气压的偏差.模式还加入了新的Zhang-Mcfarlane对流参数化方案,并对其参数计算方法进行调整和改进.此外还对模式边界层处理、雪盖计算等进行了改进.上述模式在实测的月海温作为下边界条件的情况下运行52年(1949年9月-2001年10月).然后对运行结果中的季节内振荡的状况进行分析,主要结果如下:NCAR CAM3模式模拟热带季节内振荡的能力很差,主要表现在模拟的热带季节内振荡强度很弱;东移波与西移波的强度很接近,而实际观测中是东移波的能量要远大于西移波;季节内振荡的季节变化及空间分布与观测相差很远.北京气候中心大气模式(BCC AGCM2.0.1)模拟热带季节内振荡的能力有显著的提高.模拟的热带季节内振荡很明显,强度接近于观测结果;模拟东移波的能量要大于西移波,这与观测较为一致;季节内振荡的季节变化和空间分布与观测相差不大.总的来看,BCC AGCM2.0.1模式在模拟热带季节内振荡方面比CAM3模式有明显的改进.     

近50年中国风速变化多气候模式模拟检验

近年来,随着气候模式研究的快速发展,全球气候模式在模拟20世纪气候和气候变化特征,尤其是在模拟温度、降水等要素特征和变化及其人类活动对这些要素的影响等方面取得了丰硕的成果.然而,全球气候模式对近地层风速的模拟情况如何,目前仍缺少分析和检验.本文利用中国区域近地层风速观测资料,检验评估了参与IPCC AR4"20世纪气候耦合模式模拟"(20C3M)的19个伞球气候模式和国家气候中心新一代伞球气候模式(BCC_CSM1.0.1)模拟的1956-1999年中国近地层(10m)风速及其变化的模拟能力.研究发现,20个伞球气候模式基本上都能模拟出中国多年年(或季)平均风速分布状况,但模式模拟的平均风速一般小于观测值,尤以观测风速较大的北部和西北部地区模拟值偏小显著.气候模式模拟秋冬季风速分布的能力强于模拟夏春季的能力.模式基本上能模拟出冬、春季平均风速大于夏、秋季平均风速,但是模拟不出春、冬、夏、秋季平均风速依次减小的季节变化特征.模式及模式集成难以模拟出观测到的近50年中国年(或季)平均风速明显减小的变化趋势,少数模式能模拟出年(或季)平均风速略呈减小的变化趋势,但与观测值比相差约一个量级.模式对北部和西南部地区平均风速的变化模拟效果较好,而模式难以模拟东南-南部地区风速变化特征.     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

IAP大气-植被耦合模式的建立及其模拟

为了充分理解气候与植被之间在不同时间尺度上的反馈作用,需要把动态植被模式耦合到气候模式里.本研究通过引进动态植被模式VEGAS(VEgetation-Global Atmosphere-Soil),在中国科学院大气物理研究所9层(IAP9L)气候模式的基础上,初步建立了一个新的IAP大气一植被耦合模式IAP9L_VEGAS.对该模式积分多年的结果分析表明:IAP9L_VEGAS可以较合理地模拟出植被生态系统生产力和植被、土壤碳库的总量及其季节变化,而且该模式模拟的叶面积指数的全球分布与观测资料十分接近.与未耦合动态植被模式的IAP9L模式模拟结果的比较表明:在非洲和南美等热带雨林地区,IAP9L_VEGAS模拟的叶面积指数比IAP9L中根据经验设置的大3.5以上,更接近观测;此外,IAP9L-VEGAS模拟的降水和近地面气温均较IAP9L更加接近观测实况.     

BCC_CSM1.0模式对20世纪降水及其变率的模拟

应用国家气候中心气候系统模式 (BCC_CSM1.0),在给定温室气体、太阳常数、硫酸盐气溶胶、火山灰等外强迫数据的条件下,对19世纪末到20世纪气候进行模拟。对降水模拟结果的检验表明:BCC_CSM1.0模式能够模拟出全球降水的基本气候状态、季节变化、季节内振荡、年际变化等特征。模拟结果显示:与CMAP及CRU观测分析资料相比基本一致,全球陆地降水在过去一个多世纪中存在上升趋势。同时,模式也存在不足和需要改进之处:模拟降水的时空分布与观测不一致;我国东部地区的雨带季节转变较观测偏快;主要雨带位置较观测偏西、偏北;夏季青藏高原东北侧有虚假的降水中心;热带季节内振荡较实际偏弱;降水年际变率较观测略大,主要发生在降水较明显的热带。BCC_CSM1.0模式模拟的全球陆地降水以及欧亚、亚洲、中国大陆 (中国东部、江南、华北等地区) 平均降水与近105年由观测所得的CRU资料基本一致,但多数地区比观测略偏低。模拟的全球陆地、中国东部、江南、华北等地区的降水趋势也与CRU资料一致;模拟的全球陆地降水在过去105年中有明显的上升趋势,与CRU资料相比,上升趋势更强,但在欧亚、亚洲、中国范围内模拟的降水趋势与观测有一定的差异。     

气候系统模式对南亚高压气候特征的模拟比较研究

应用国家气候中心气候模式(BCC_CSM1.1)CMIP5和AMIP试验结果对模式模拟南亚高压的能力进行了评估。结果表明,BCC_CSM1.1模式对作为北半球高层大气环流活动中心的南亚高压有较好的模拟能力。它能够模拟出南亚高压的气候平均状态、季节变化,对南亚高压脊线的位置、高压中心的位置及其季节变化也有较好的模拟。模式存在的主要问题是高度场和南亚高压强度的模拟结果较观测明显偏弱;模拟的脊线位置在冬半年要比观测略偏南;模拟的南亚高压中心在某些月份与观测有出入,例如,5月南亚高压中心的模拟较观测偏西,夏季南亚高压的双中心的位置与实际也略有差异;模拟的南亚高压强度偏低与多种因素有关。比较耦合模式与单独大气模式模拟的南亚高压强度发现,在给定观测海温的条件下,模拟的误差减小13%~15%。因此可以认为耦合模式的误差大部分来自大气分量。海洋模拟的改进虽然对总体的模拟结果有所改进但贡献不大;比较T106和T42两种分辨率的模式对南亚高压进行模拟结果发现,分辨率的提高明显减小了南亚高压及全球100 h Pa位势高度场的模拟误差。为验证地形强迫对模拟结果的影响,进行了改变青藏高原地形高度的试验,结果表明青藏高原地形高度对南亚高压的强度有明显的影响,高原高度升高将会促使南亚高压及更大范围的高层位势高度场增强。因此,正确给定高原地形这一模式的下边界条件,对模拟结果的改进有重要作用。     

温室效应引起的中国区域气候变化的数值模拟Ⅰ:模式对中国气候模拟能力的检验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,进行了CO2加倍对中国区域气候变化影响的数值试验研究,分析了控制试验(1×CO2)即模式对中国当代气候的模拟情况.首先给出了全球模式控制试验在中国地区的结果,分析表明它对中国区域的地面气温和降水具有一定的模拟能力,其结果可以用来制作驱动区域气候模式的初始场和侧边界.对RegCM2 5 a时间长度控制试验积分结果的分析与检验表明,区域气候模式由于具有较高的分辨率和较完善的物理过程,它对中国区域地面气温和降水的模拟效果较全球模式有了较大提高,如它模拟的各月气温与实况的相关系数全年12个月的平均由全球模式的0.83提高到0.92,降水由0.48提高到0.65.     

气候系统模式对南亚高压气候特征的模拟比较研究北大核心CSCD

应用国家气候中心气候模式(BCC_CSM1.1)CMIP5和AMIP试验结果对模式模拟南亚高压的能力进行了评估。结果表明,BCC_CSM1.1模式对作为北半球高层大气环流活动中心的南亚高压有较好的模拟能力。它能够模拟出南亚高压的气候平均状态、季节变化,对南亚高压脊线的位置、高压中心的位置及其季节变化也有较好的模拟。模式存在的主要问题是高度场和南亚高压强度的模拟结果较观测明显偏弱;模拟的脊线位置在冬半年要比观测略偏南;模拟的南亚高压中心在某些月份与观测有出入,例如,5月南亚高压中心的模拟较观测偏西,夏季南亚高压的双中心的位置与实际也略有差异;模拟的南亚高压强度偏低与多种因素有关。比较耦合模式与单独大气模式模拟的南亚高压强度发现,在给定观测海温的条件下,模拟的误差减小13%~15%。因此可以认为耦合模式的误差大部分来自大气分量。海洋模拟的改进虽然对总体的模拟结果有所改进但贡献不大;比较T106和T42两种分辨率的模式对南亚高压进行模拟结果发现,分辨率的提高明显减小了南亚高压及全球100 h Pa位势高度场的模拟误差。为验证地形强迫对模拟结果的影响,进行了改变青藏高原地形高度的试验,结果表明青藏高原地形高度对南亚高压的强度有明显的影响,高原高度升高将会促使南亚高压及更大范围的高层位势高度场增强。因此,正确给定高原地形这一模式的下边界条件,对模拟结果的改进有重要作用。     

CCM3模式中LSM积雪方案的改进研究(Ⅱ):全球模拟试验分析

为了进一步检验新LSM积雪方案的气候模拟性能,经文献[1]单站模拟检验后,在本文中又进一步将其加入CCM3模式中,分别积分近两年。模拟结果表明：原LSM和新LSM积雪方案虽然都能再现全球气候的主要平均特征,但经改进后的新积雪方案对全球积雪气候、降水等要素场及环流等的气候模拟性能比原LSM积雪方案更好些。     

IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式的纬向平均大气气候态分析

分海洋和陆地两种情况来讨论IAP／LASG全球海－陆－气耦合系统模式（GOALS）四个版本的结果，并与观测资料进行对比分析，一些重要的大气变量包括表面空气温度，海平面气压和降水率用来评估GOALS模式模拟当代气候和气候变率的能力，总的来说，GOALS模式的四个版本都能够合理地再现观测到的平均气候态和季节变化的主要特征，同时评估也揭示了模式的一些缺陷，可以清楚地看到模拟的全球平均海平面气压的主要误差是在陆地上，陆地上表面空气温度模拟偏高主要是由于陆南过程的影响，值得注意的是降水率模拟偏低主要是在海洋上，而中高纬的陆地降水在北半球冬天却比观测偏高。通过模式不同版本之间的相互比较研究，可以发现模式中太阳辐射日变化物理过程的引入明显地改善了表面空气温度的模拟，尤其是在中低纬度的陆地上，太阳辐射日变化的引入对热带陆地的降水和中高纬度的冬季降水也有较大改进。而且，由于使用了逐日通量距平交换方案（DFA），GOALS模式新版本模拟的海洋上的温度变率在中低纬度有了改善。比较观测和模拟的年平均表面空气温度的标准度，可以发现GOALS模式四个版本都低估了海洋和陆地上的温度变率，中还对影响观测和模拟温度变率差异的可能原因进行了探讨。     

一个海洋-大气-动态植被耦合模式评估——海洋环流模拟

利用中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的全球耦合模式(GOALS〖CD*2〗AVIM),进行了100年积分。利用后40年的结果对模式耦合植被动态过程（AVIM）前后输出的海洋物理场对比分析。结果表明：耦合AVIM后的模式可以合理地模拟全球海洋温盐环流的气候态、季节变化,可以改进模式的模拟效果,在一定程度上克服了耦合AVIM前模式的缺点,使模拟结果更接近实测。由于植被〖CD*2〗大气的双向作用,在季节变化的模拟中,9月的改进效果大于3月的,北半球大于南半球;对于年平均气候态,耦合AVIM后的模式结果在热带海区海表面温度（SST）的模拟效果得到了明显改善,尤其是赤道太平洋海区的海温偏低现象得到了改善;在年际变化的模拟中,改善了耦合AVIM前模式模拟的年际变化分布,加大了赤道太平洋的标准差的模拟,使得耦合AVIM后模拟的年际变化大于耦合前;增强了耦合模式对赤道太平洋ENSO的模拟能力,较耦合AVIM前的模式模拟出了更多的ENSO基本特征,也改善了耦合AVIM前ENSO变化周期偏弱、偏短的现象;同样改善了对气候系统中存在的相互作用的模拟,对于热带印度洋SST变化与赤道太平洋SST的相互关联的模拟中,更加真实地模拟出了气候系统中存在的相互关联关系,体现出了AVIM动态植被过程对气候耦合模式的改善。     

高分辨率MRI模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟

本文使用MRI模式在不同分辨率下(180 km、120 km、60 km、20 km)的AMIP试验结果, 分析了该模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟, 并考察模式分辨率的影响。结果表明:MRI模式能够较为合理地模拟出青藏高原夏季气候平均的降水空间分布, 但对气候平均水汽输送通量以及降水年际变化的模拟却存在较大的误差。随着分辨率的提高, 该模式对青藏高原气候平均降水的模拟有明显改进, 包括降水年循环以及夏季降水的空间分布等。分辨率为180 km、120 km、60 km、20 km的MRI模式模拟的青藏高原7月平均降水绝对误差分别为2.2 mm/d、1.2 mm/d、0.7 mm/d、0.2 mm/d。另外, 高分辨率模式模拟的青藏高原夏季水汽输送通量的年际变化也更接近观测。当分辨率达到20 km时, MRI模式模拟的西风水汽输送指数与观测的相关系数达到0.43, 通过了0.1显著性水平的显著性检验。但MRI模式对青藏高原夏季降水的年际变化以及气候平均水汽输送通量的模拟技巧并不随分辨率的增加有明显提高。低分辨率模式中模拟降水量偏大、印度季风槽偏强的现象在高分辨率模式中仍然存在。     

区域气候模式对东亚气候时空演变特征的模拟研究

利用区域环境集成模式系统对东亚地区进行了1987年1月到1996年12月的长期积分试验,重点采用经验正交函数分析方法分析和比较模式模拟及观测气候主分量时空特征,从而考察区域气候模式对东亚地区的区域气候模拟能力.结果表明:(1) RIEMS能够较好地抓住地面气温年平均状况及其年变化和年际变率的主要特征;(2)尽管模式对降水的模拟能力没有对地面气温模拟的强,但RIEMS模式基本上能够模拟出降水的空间分布以及降水的季节变化特征,同时能够抓住降水的年际变率.       

区域气候模式RIEMS对东亚气候的模拟

利用区域环境集成系统模式对东亚地区进行了1987年1月到1996年12月的长期积分试验,重点考察了区域气候模式对东亚地区区域气候平均状况的模拟能力.结果表明:(1) RIEMS模式能够较好地模拟出不同季节温度的空间分布以及不同区域温度的年变化;同时模式模拟的季和月平均表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1～2℃.(2)对于降水来说,RIEMS模式能够较好地模拟降水的季节变化以及空间分布特征;同时,也能够较好地模拟不同区域降水的年变化.就季节而言,模式模拟的冬季降水最好,相对较差的为夏季;同时,模式能够较好地模拟雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的雨带偏北,大约为2～3纬度.(3)RIEMS模式能够模拟出东亚地区观测的湿润和干旱分布规律,但对于西北干旱区较观测偏干.       

POEM2模式对热带季节内振荡模拟能力的评估

大气季节内振荡与天气和气候系统关系密切,是延伸期数值天气预报研究的重要方面。这种现象在热带地区更为显著,成为衡量气候模式模拟能力的主要指标之一。为了加深数值模式对热带季节内振荡模拟的理解,基于美国夏威夷大学参与研发的POEM2气候系统模式10年回算资料,利用方差分析、功率谱分析等方法对比评估了该模式对热带地区季节内振荡的模拟能力。结果表明,POEM2对850 hPa纬向风和OLR方差模拟结果与观测整体分布形势相同,在北印度洋和西太平洋地区模式方差更大。冬季模式模拟MJO东传运动更好,对应对850 hPa纬向风的模拟优于夏季。夏季模拟MJO北传运动更好,对应对大气降水的模拟优于冬季。模式模拟MJO信号向东传播速度偏快,气象要素异常功率谱频率大值区主要在2~3波,而观测为1~2波。多变量联合EOF结果表明模式可以模拟出东印度洋和西太平洋高低层风配置和降水的关系,但幅度较弱。POEM2模式前两个EOF模态时间系数时滞相关也呈现与观测类似的周期变化。以上结论表明,未来POEM2气候系统模式需要完善其物理过程和参数化方案,在动力学上加强对混合Rossby重力波的描述,进一步提高对1波的模拟能力。     

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测,在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上,引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程,发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测,进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究,并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析,就海洋及其时间变化的三维特征,检验了模拟结果。首先,检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力,结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟;海温异常的强度和结构特征与实况有偏差,尤其是次表层,距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况;表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近,只是在日期变更线附近偏大。然后,强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ,真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力,而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此,为全面评估该海洋模式,探讨模式误差的原因,根据同化资料,找出年际变化和季节变化最显著的区域之后,检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。