全球海-气耦合大环流模式的发展

很早以前人们就相信能够逼真地模拟全球气候、气候变率以及气候变化的许多特征的气候模式,必须从相互影响上表达动力耦合的气候系统的多个主要分量,特别是大气、海洋与冰雪圈。一般来说这方面的工作一直受到计算能力、我们对实测系统的了解以及气候模拟能力的限制。随着巨型计算机的问世,我们对于全球气候过程了解的加深以及大气环流气候模式计算效率的改进,我们已经看见将大气、海洋、海冰耦合在一起的全球气候模拟迅速增加。从60年代后期开始,持续至80年代早期,人们将大气、海洋和海冰的大环流模式耦合起来,让模式非同步运行从而产生可信的对全球气候的各种模拟。这些分量模式中的系统误差后来促使一些模拟研究人员采用通量订正或通量调整,通过调整海-气界面上的一个或若干个变量,可以使模拟更接近实况。在过去的几年中计算能力与气候模拟技术的进一步改进已经使得全球海-气耦合大环流模式能同步运行(也就是说大气与海洋间的交流至少每个模式天一次)。由于计算上的限制,加上需要几十年气候积分,目前仍然只能将相对而言较粗网格的海洋大环流模式与相应的粗网格大气模式耦合(在500km×500km的量级上)。但是,最新一代全球耦合大环流模式的结果已揭示了,实验中二氧化碳逐渐增加时的一些令人感兴趣的、与海洋动力学和全球气候有关的特征。全球耦合大环流模式模拟研究的另一引人注目之处是与厄尔尼诺及南方涛动相联系的一些特征的出现。这些发现,加上同时进行的其它类型的有限域、动力耦合模式方面的研究使人们认识到气候系统中存在着固有不稳定耦合方式,是大气与海洋相互作用耦合的独特产物。所有这些努力正在造就下一代海-气耦合大环流模式。这些模式将在速度更快、存储量更大的计算机上运行,这些模式的海洋部分、大气部分的分辨率将会更高,海冰的表示方式将更加准确,云-辐射方案将得到改善,陆面过程的处理将更加逼真。     

大气环流模式（SAMIL）海气耦合前后性能的比较

基于耦合器框架，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大气环流谱模式 （SAMIL）最近成功地实现了与海洋、海冰等气候分量模式的耦合，形成了“非通量调整”的海－陆－气－冰直接耦合的气候模式系统（FGOALS-s）。在耦合系统中，由于海温、海冰等的分布由预报模式驱动，大气与海洋、海冰之间引入了相互作用过程，这样大气环流的模拟特征与耦合前会有不同。为分析耦合系统的性能，作者对耦合前后的模拟结果进行了分析比较，重点是大气模拟特征的差异。结果表明，耦合前、后大气环流的基本特征相似，都能成功地模拟出主要的环流系统分布及季节变化，但是由于海温和海冰的模拟存在系统性的偏差，使得耦合后的大气环流受到明显影响。例如耦合后热带海温偏冷，南大洋、北太平洋和北大西洋等中纬度地区的海温偏高，导致海温等值线向高纬海域的伸展较弱，海温经向梯度减小。耦合后海冰在北极区域范围偏大，在南极周边地区则偏小。海温、海冰分布模拟的偏差影响到中、高纬低层大气的温度。热带海温偏低，使得赤道地区降水偏弱，凝结潜热减少，热带对流层中高层温度比耦合前要低，大气温度的经向梯度减小。经向温度梯度的改变，直接影响到对平均经圈环流及西风急流强度的模拟。尽管耦合系统中海温、海冰的模拟存在偏差，但在亚洲季风区，耦合后季风环流及降水等的分布都比耦合前单独大气模式的结果合理，表明通过海[CD*2]气相互作用可减少耦合前季风区的模拟误差，改善季风模拟效果。比较发现，海温、海冰模拟的偏差，除与海洋模式中经向热输送偏弱、海冰模式中海冰处理等有关外，也与大气模式中总云量模拟偏低有关。大气模式本身的误差，特别是云、辐射过程带来的误差，对耦合结果具有极为重要的影响。完全耦合后，这些误差通过与海洋、海冰的反馈作用而放大。因此，对于FGOALS-s而言，要提高耦合系统的整体性能，除改进各气候分量模式的模拟性能外，需要重点改进大气模式中的云、辐射过程。     

北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自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。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSIM4), 形成新的耦合模式。在此基础上, 利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟, 来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用, 主要表现在:(1) 南北极海冰边缘碎冰区显著减少; (2) 南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善, 分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足: (1) 北大西洋海冰相对偏多, 北大西洋经圈翻转环流大大减弱, 这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的; (2) 南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外, 本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响, 结果表明, 相对于CCSM3短波辐射方案, Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷, 海冰厚度偏厚, 北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。     

海冰在大气环流模式中的重要作用

文章简要综述了次网格尺度海冰非均匀性对大气环流模式性能的影响；南极冰在全球环流和短期气候变化中的作用；以及模式中不同的海冰反照率参数化对地表温度和辐射的影响等研究结果．说明海冰对极地海洋和大气的能量收支及短期气候变化有重要作用，不同的海冰参数化方案对气候模拟结果有重要影响．     

温盐环流与全球增暖的数值模拟 (一)纬向平均温盐环流的模拟

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第一部分。为了建立一个简单海一气耦合模型，我们首先根据Ｗｒｉｇｈｔ和Ｓｔｏｋｅｒ等人的设计复制出一个包括大西洋、太平洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，从等温、等盐和无运动的初始状态出发，在给定的年平均海表强迫下将模式积分了４０００年，模拟出了和原作相似的温盐环流。对模拟结果的分析表明，相对于北太平洋而言，北大西洋北部的高盐、低温特点（后者是由两大洋在地理上的差别决定的）是形成当代温盐环流的主要原因；从与温盐环流相联系的海表热通量来看，北大西洋北部是向大气提供热量的主要源地；模式温盐环流对于海表盐度通量的敏感性试验的结果表明，对于纬圈平均的二维模式而言，要想模拟出合理的温盐环流就必须人为地提高北大西洋北部的海表盐度，文章分析了这种作法的物理根据；模式中的对流过程对于温盐环流的维持是至关重要的，对比有无季节循环的试验结果可以看出，虽然温度场的明显的季节变化只出现在模式的最上面两层，但由于引进季节循环后冬季高纬海洋的对流活动加强，后者直接影响到温盐环流，使更多的深海热量上传并向大气释放。这是使海洋温跃层得以保持合理．厚度的一个重要原因。     

利用混合海气耦合模式的气候异常预报试验

用混合海气耦合模式长期积分的模拟结果, 分析了模式大气的年际变化性; 用1979~1994年间的“回报”个例, 探讨了该模式对ENSO引起的全球气候异常的预报。结果表明:模式能较好地再现与ENSO相关的全球大气环流的年际变化特征; 对预报而言, 模式较高的预报技巧主要分布在热带地区, 全球热带大气具有较稳定的1年左右的可预报时效; 基本上可预报中、高纬地区由ENSO引起的冬、夏季大气环流异常 (包括气温和降水), 超前时间可达9个月至1年。     

一个同时采用两种地图投影坐标系的大气环流模式

为了进一步研究高原和山地对大气环流的热力和动力作用,我们设计了一个九层的全球原始方程模式.模式中除考虑了地形作用外,还包含了太阳辐射和地、气的长波辐射、大尺度凝结和积云对流等因子的影响.为了能继续采用有限差分近似,并且既能较好地描述中高纬地区的环流状况,又不影响对低纬地区环流的模拟,本模式同时采用了两种地图投影坐标系(麦卡托投影用于中低纬地区,极射赤平投影用于高纬区).文中给出了冬季海平面气压、风场、降水分布和垂直环流的模拟结果,并把它们与观测值作了比较.     

海洋环流模式的发展和应用Ⅰ.全球海洋环流模式

概述近10年来中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室全球海洋环流模式的发展及其在全球海气耦合模式的发展和气候模拟方面的应用.重点是:一个30层、0.5°×0.5°的准全球海洋环流模式LICOM的建立及其模拟的热带太平洋海洋环流和印度尼西亚贯穿流;以20层海洋模式为海洋分量建立的全球海洋-大气-陆面系统耦合模式GOALS在气候变化模拟方面的应用,和以海洋模式L30T63为海洋分量建立的灵活的耦合环流模式FGCM-0在热带太平洋-印度洋海气相互作用及古海洋-古气候模拟方面的应用     

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。     

Mean climatic characteristics in high northern latitudes in an ocean-sea ice-atmosphere coupled model

Emphasizing the model‘s ability in mean climate reproduction in high northern latitudes, resultsfrom an ocean-sea ice-atmosphere coupled model are analyzed. It is shown that the coupled model cansimulate the main characteristics of annual mean global sea surface temperature and sea level pressurewell, but the extent of ice coverage produced in the Southern Hemisphere is not large enough. The maindistribution characteristics of simulated sea level pressure and temperature at 850 hPa in high northernlatitudes agree well with their counterparts in the NCEP reanalysis dataset, and the model can reproducethe Arctic Oscillation (AO) mode successfully. The simulated seasonal variation of sea ice in the NorthernHemisphere is rational and its main distribution features in winter agree well with those from observations.But the ice concentration in the sea ice edge area close to the Eurasian continent in the inner Arctic Oceanis much larger than the observation. There are significant interannual variation signals in the simulated seaice concentration in winter in high northern latitudes and the most significant area lies in the GreenlandSea, followed by the Barents Sea. All of these features agree well with the results from observations.     

Numerical Simulation of Atmosphere-Ocean-Sea Ice Interaction During Interannual Cycle in High Northern Latitudes

The interannual atmosphere-ocean-sea ice interaction （AOSI） in high northern latitudes is studied with a global atmosphere-ocean-sea ice coupled model system, in which the model components of atmosphere and land surface are from China National Climate Center and that of ocean and sea ice are from LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences. A daily flux anomaly correction scheme is employed to couple the atmosphere model and the ocean model with the effect of inhomogenity of sea ice in high latitudes is considered. The coupled model system has been run for 50 yr and the results of the last 30 years are analyzed. After the sea level pressure （SLP）, surface air temperature （SAT）, sea surface temperature （SST）, sea ice concentration （SIC）, and sea surface sensible heat flux （SHF） are filtered with a digital filter firstly, their normalized anomalies are used to perform the decomposition of combined complex empirical orthogonal function （CCEOF） and then they are reconstructed with the leading mode. The atmosphere-ocean-sea ice interactions in high northern latitudes during a periodical cycle （approximately 4 yr） are analyzed. It is shown that： （1） When the North Atlantic Oscillation （NAO） is in its positive phase, the southerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT increases, the sea loses less SHF, SST increases and SIC decreases accordingly; when the NAO is in its negative phase, the northerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT decreases, the sea loses more SHF, SST decreases and SIC increases accordingly. There are similar features in the Barents Sea, but the phase of evolution in the Barents Sea is different from that in the Greenland Sea. （2） For an average of multi-years, there is a cold center in the inner part of the Arctic Ocean near the North Pole. When there is an anomaly of low pressure, which is closer to the Pacific Ocean, in the inner part of the Arctic Ocean, anomalies of warm advection appear in the region near the Pacif     

Simulation and Improvements of Oceanic Circulation and Sea Ice by the Coupled Climate System Model FGOALS-f3-L

This study documents simulated oceanic circulations and sea ice by the coupled climate system model FGOALS-f3-L developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, under historical forcing from phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). FGOALS-f3-L reproduces the fundamental features of global oceanic circulations, such as sea surface temperature (SST), sea surface salinity (SSS), mixed layer depth (MLD), vertical temperature and salinity, and meridional overturning circulations. There are notable improvements compared with the previous version, FGOALS-s2, such as a reduction in warm SST biases near the western and eastern boundaries of oceans and salty SSS biases in the tropical western Atlantic and eastern boundaries, and a mitigation of deep MLD biases at high latitudes. However, several obvious biases remain. The most significant biases include cold SST biases in the northwestern Pacific (over 4°C), freshwater SSS biases and deep MLD biases in the subtropics, and temperature and salinity biases in deep ocean at high latitudes. The simulated sea ice shows a reasonable distribution but stronger seasonal cycle than observed. The spatial patterns of sea ice are more realistic in FGOALS-f3-L than its previous version because the latitude–longitude grid is replaced with a tripolar grid in the ocean and sea ice model. The most significant biases are the overestimated sea ice and underestimated SSS in the Labrador Sea and Barents Sea, which are related to the shallower MLD and weaker vertical mixing.     

一个海洋-海冰耦合模式的北极气候模拟

This paper evaluates the simulation of Arctic sea ice states using an ocean-ice coupled model that employs LASG/IAP(the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics/the Institute of Atmospheric Physics) Climate Ocean Model(LICOM) and the sea-ice model from the Bergen Climate Model(BCM).It is shown that the coupled model can reasonably reproduce the major characteristics of the mean state,annual cycle,and interannual variability of the Arctic sea ice concentration.The coupled model also shows biases that were generally presented in other models,such as the underestimation of summer sea ice concentration and thickness as well as the unsatisfactory sea ice velocity.Sensitivity experiments indicate that the insufficient performance of the ocean model at high latitudes may be the main reason for the biases in the coupled model.The smoother and the fake "island",which had to be used due to the model’s grid in the North Pole region,likely caused the ocean model’s weak performance.Sea ice model thermodynamics are also responsible for the sea ice simulation biases.Therefore,both the thermodynamic module of the sea ice component and the model grid of the ocean component need to be further improved.     

耦合模式中潮汐对北大西洋模拟的影响研究

将8个主要平衡分潮加入到耦合模式中,对比研究潮汐对北大西洋模拟影响。由于潮汐的引入,模式模拟SST在北大西洋中纬度区域偏差显著减小,高纬度区域SST降温明显。SST模拟的改变使潮汐试验的海表净热通量模拟误差下降了约30%,但高纬度海冰显著增加。模式中引入潮汐对北大西洋上层环流,尤其是西边界流的路径模拟改进显著,这是SST及海表净热通量模拟改变的主要原因。同时,北大西洋上层和深层西边界流在潮汐的作用下,都表现出环流减弱的特点,这也使得大西洋经向翻转环流在26.5°N处上层2 km的输送减弱,与观测数据更为接近。较弱的大西洋经向翻转环流导致海洋热量在中低纬度聚集而无法输送到高纬度区域,这是造成潮汐试验模拟的海温在中低纬度偏高、高纬度偏低的原因,较弱的热输送也同时导致了潮汐试验中北半球海冰面积增加。     

The Response of Arctic Sea Ice to Global Change

The sea ice-covered polar oceans have received wider attention recently for two reasons. Firstly, the global conveyor belt circulation of the ocean is believed to be forced in the North and South Atlantic through deep water formation, which to a large degree is controlled by the variations of the sea ice margin and especially by the sea ice export to lower latitudes. Secondly, CO₂ response experiments with coupled climate models show an enhanced warming in polar regions for increased concentrations of atmospheric greenhouse gases. Whether this large response in high latitudes is due to real physical feedback processes or to unrealistic simplifications of the sea ice model component remains to be determined. Coupled climate models generally use thermodynamic sea ice models or sea ice models with oversimplified dynamics schemes. Realistic dynamic-thermodynamic sea ice models are presently implemented only at a few modeling centers. Sensitivity experiments with thermodynamic and dynamic-thermodynamic sea ice models show that the more sophisticated models are less sensitive to perturbations of the atmospheric and oceanic boundary conditions. Because of the importance of the role of sea ice in mediating between atmosphere and ocean an improved representation of sea ice in global climate models is required. This paper discusses present sea ice modeling as well as the sensitivity of the sea ice cover to changes in the atmospheric boundary conditions. These numerical experiments indicate that the sea ice follows a smooth response function: sea ice thickness and export change by 2% of the mean value per 1 Wm^-2 change of the radiative forcing.     

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。