BCC_CSM模式对热带降水年循环模态的模拟

本文评估了国家气候中心发展的两个不同分辨率海—陆—气—冰多圈层耦合气候系统模式BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1 (m) 对热带降水两个年循环模态——揭示降水冬夏季节差异的季风模态和揭示过渡季节春季和秋季非对称特征的春秋非对称模态的模拟能力,讨论了模拟偏差产生的可能原因。分析结果表明,BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1 (m) 均能合理再现全球年平均降水的基本分布特征,也能较合理再现热带降水年循环模态的基本分布特征,尤其季风模态中降水与环流关于赤道反对称的特征;能够较合理再现春秋非对称模态与热带海洋表面温度(SST)年循环之间的关系。大气温度场、环流场以及热带SST的模拟偏差对降水季风模态有影响;热带SST年循环的偏差对降水春秋非对称模态的模拟偏差有贡献;模式分辨率对降水年循环模态的模拟也有一定影响。对比分析显示,大气模式和陆面模式水平分辨率提高之后模式在某些模拟性能上有所提高,这表现在:BCC_CSM1.1 (m) 模拟的1～12月降水气候态的空间变率更接近观测;热带海表温度年循环总体上更接近观测;模拟的热带降水年循环模态的部分特征更合理。但BCC_CSM1.1 (m) 的模拟结果相对观测仍存在较大偏差,有待进一步改进。     

不同水平分辨率BCC_CSM模式对中亚地面气温模拟能力评估

本研究基于IPCC AR5(Intergovernmental Panel on Climate Change:Fifth Assessment Report)中BCC_CSM1.1(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1)和BCC_CSM1.1(m)(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1 with a Moderate Resolution)气候模式的历史试验结果和CRU(Climatic Research Unit)资料, 采用趋势分析和滑动平均等方法检验了两个版本BCC_CSM模式对中亚地区1948～2011年平均地表气温、各热通量及其趋势的模拟性能, 并讨论了不同模式水平分辨率的影响, 结果显示:BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)两个模式均能够模拟出中亚地区显著增温以及感热通量、长/短波净辐射等要素由南向北递减的总体趋势。其中, BCC_CSM1.1(m) 在对中亚地面年平均气温、感热通量和长/短波净辐射空间分布的模拟结果好于BCC_CSM1.1, 但对于气温标准差的模拟, BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m)。模式分辨率的提高, 能够更好地表现出地形的影响, 对气温和各热通量模拟性能改善较大, 在中亚地区年平均气温的模拟中表现出了一定的优势。     

BCC_CSM对全球海表温度和混合层深度的模拟评估

为了定量评估北京气候中心(BCC)发展的BCC_CSM对当代全球海表温度和混合层深度的模拟能力,以WOA09(World Ocean Atlas 2009)观测资料作为检验模式的气候态实况场,提取包括BCC_CSM在内的CMIP5中的17个海气耦合模式的模拟结果,评估BCC_CSM模拟的全球海表温度和混合层深度的气候平均态并分析造成偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM模拟的海表温度在北半球中高纬的误差较大,而在其余纬度的模拟性能较佳。偏差的产生主要归因于海洋环流偏差。BCC_CSM模拟的最深混合层在北半球中高纬和南半球高纬地区的误差较大,同时这些区域也是多模式模拟差异最大的区域;其模拟的最浅混合层在南半球中高纬的偏差较大。冬季大西洋经向翻转环流的模拟在北大西洋下沉的位置偏南导致北半球高纬地区海表温度偏冷。由此认为包括BCC_CSM在内的许多海气耦合模式需重点改进对南、北半球深对流海域物理过程的描述,以提高气候预测的可信度。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

BCC_CSM1.1对10年尺度全球及区域温度的预测研究

近期10～30年时间尺度的年代际预测是第五次耦合模式国际比较计划(CMIP5)重要内容之一。按照CMIP5试验要求, 国家气候中心利用气候系统模式BCC_CSM1.1完成并提交了年代际试验结果。本文评估了该模式年代际试验对10年尺度全球及区域地表温度的预测能力, 并通过与20世纪历史气候模拟试验的对比分析, 研究模式模拟对海洋初始观测状态的依赖程度。分析结果表明:(1)在有、无海洋初始化条件下, 模式均能模拟出1960～2005年间全球10年平均实测地表温度的变暖趋势, 但在有海洋初始化条件下, 可以明显减小BCC_CSM1.1模式模拟的全球升温趋势, 使得年代际试验比历史试验的结果更接近观测值。这一特点在观测资料相对丰富的南北纬50°以内地区更为显著。(2)在年代际试验预测前期, 通过Nudging方法, 利用SODA再分析海洋温度资料对模式进行初始化, 经过前期8～12月的协调后, 模式预测的第1年南北纬50°范围海洋、陆面的平均地表气温接近于观测值(CRUTEM3, HadSST2)。由于模式初值SODA再分析SST资料与HadSST2观测值存在明显的全球大洋系统暖偏差以及模式本身系统偏差的影响, 年代际试验模拟的地表气温在2～7年之内, 从观测SST状态逐渐恢复到模式系统本身状态。在同组Decadal试验中, 陆面和海洋恢复调整的时间长度几乎一致。(3) 从10年平均气候异常在区域尺度上的预报技巧来看, 有、无海洋初始同化对预测结果影响不大, 高预测技巧区主要分布在南半球印度洋中高纬度、热带西太平洋以及热带大西洋区域。(4)SST变化与下垫面热通量密切相关, 在热带和副热带海洋区域, 长波辐射和感热通量是影响10年时间尺度SST变化较大的物理量, 在中高纬度海洋, 洋面温度变化主要受潜热通量的影响相对较大。     

GOALS/LASG模式对气候平均态的模拟

中国科学院大气物理研究所LASG最近发展了全球海洋 大气 陆面耦合气候模式系统 (GOALS)的新版本 ,实现了全球大气环流谱模式 (R42L9)与海洋环流模式 (T63L3 0 )在 40°S～ 40°N之间的开洋面上海 气通量交换的完全耦合。该模式系统已积分了 40a ,基本上不存在明显的气候漂移。文中通过对所模拟的后 3 0a平均的热带、副热带地区海温、海表风应力、洋面净通量和降水等的气候平均态与多种实测资料的对比分析 ,结果表明 ,GOALS模式基本上模拟再现了当今气候的一些主要特征 ,对热带气候平均态已具有一定的模拟能力 ,但也注意到 ,与观测相比 ,区域性差异是明显存在的 ,比如沿赤道西太平洋“暖池”区和靠近南美沿岸的东太平洋海域以及印度洋海表温度明显偏高约 2℃ ,所模拟的赤道东太平洋海温冷舌西伸明显 ,造成赤道中太平洋海温明显偏冷等偏差。这些模拟误差 ,与模式中海表风应力和洋面所得到或释放的净热通量有密切的关系。SST的模拟误差反过来也影响到对降水的模拟     

BCC_CSM1.1(m)模式对初夏东北冷涡的模拟及应用

利用1991-2017年BCC_CSM1.1（m）模式模拟数据和NCEP/NCAR逐月再分析资料,评估了BCC_CSM1.1（m）对初夏东北冷涡的模拟能力。结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式可以对500 hPa位势高度场气候态进行模拟,均方根误差显示该模式对中国东北南部地区500 hPa位势高度场的模拟要优于东北北部地区。EOF第一模态结果显示,该模式可以较好地模拟出500 hPa位势高度场的主要时空变化特征。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出近27 a东北冷涡指数的上升趋势和年际变化,但模拟的上升趋势较实况偏强,年际变率较实况偏弱。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数的年代际突变,但是对突变开始时间的模拟较实况偏晚。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数和500 hPa位势高度场在东北及其附近地区的显著正相关,不能模拟出东北冷涡指数与东北初夏降水之间的显著负相关。此外,模式东北冷涡指数对东北初夏降水的预测能力十分有限。     

气候系统模式FGOALS-s1.1对热带降水年循环模态的模拟

文中评估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(LASG/IAP)新一代耦合气候模式Fgoals_s1.1对热带降水年循环模态的模拟能力。通过与观测表层海温(SST)强迫的大气模式SAMIL试验结果比较,分析了海气耦合过程对年循环模态模拟效果的影响。结果表明Fgoals_s1.1能合理再现热带地区降水年循环模态的基本特征。Fgoals_s1.1模拟出了年平均降水场中的主要降水中心,但模拟的赤道和南太平洋降水偏多,而北太平洋降水则偏少。Fgoals_s1.1的季风模态降水呈现与观测一致的关于赤道反对称的特征,其模拟偏差大部分来自大气分量,尤其是在赤道外。Fgoals_s1.1的主要缺陷在于它对春秋非对称模态模拟能力低于单独大气模式,这主要是由于耦合模式模拟的SST距平的年循环位相与观测相反。SST纬向梯度的位相偏差使得太平洋沃克环流和印度洋的反沃克环流在春季强于秋季,最终导致模拟的春秋非对称模态的偏差。Fgoals_s1.1模拟的季风区范围接近观测,存在的问题在于模拟的西北太平洋季风区、东亚季风区都偏小。本文结果表明,大气模式偏差仅是Fgoals_s1.1在降水年循环模态模拟上的偏差的部分来源,改进模式模拟的SST,特别是赤道地区SST季节循环,是今后Fgoals_s1.1发展过程中急需解决的问题。     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

北京气候中心气候系统模式研发进展——在气候变化研究中的应用

较全面地介绍了北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)研发所取得的一些进展及其在气候变化研究中的应用,重点介绍了全球近280 km较低分辨率的全球海-陆-气-冰-生物多圈层耦合的气候系统模式BCC_CSM1.1和110 km中等大气分辨率的BCC_CSM1.1(m),以及大气、陆面、海洋、海冰各分量模式的发展。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)气候系统模式均包含了全球碳循环和动态植被过程。当给定全球人类活动导致的碳源排放后,就可以模拟和预估人类活动对气候变化的影响。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)已应用于IPCC AR5模式比较,为中外开展气候变化机理分析和未来气候变化预估提供了大量的试验数据。还介绍了BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)参与国际耦合模式比较计划(CMIP5)的大量试验分析评估结果,BCC_CSM能够较好地模拟20世纪气温和降水等气候平均态和季节变化特征,以及近1000年的历史气候变化,所预估的未来100年气候变化与国际上其他模式的CMIP5试验预估结果相当。初步的分析表明,分辨率相对高的BCC_CSM1.1(m)在区域气候平均态的模拟上优于分辨率较低的BCC_CSM1.1。     

Evaluation of CMIP5 Climate Models in Simulating 1979–2005 Oceanic Latent Heat Flux over the Pacific

The climatological mean state,seasonal variation and long-term upward trend of 1979–2005 latent heat flux(LHF) in historical runs of 14 coupled general circulation models from CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) are evaluated against OAFlux(Objectively Analyzed air–sea Fluxes) data. Inter-model diversity of these models in simulating the annual mean climatological LHF is discussed. Results show that the models can capture the climatological LHF fairly well,but the amplitudes are generally overestimated. Model-simulated seasonal variations of LHF match well with observations with overestimated amplitudes. The possible origins of these biases are wind speed biases in the CMIP5 models. Inter-model diversity analysis shows that the overall stronger or weaker LHF over the tropical and subtropical Pacific region,and the meridional variability of LHF,are the two most notable diversities of the CMIP5 models. Regression analysis indicates that the inter-model diversity may come from the diversity of simulated SST and near-surface atmospheric specific humidity.Comparing the observed long-term upward trend,the trends of LHF and wind speed are largely underestimated,while trends of SST and air specific humidity are grossly overestimated,which may be the origins of the model biases in reproducing the trend of LHF.     

FGOALS耦合模式对赤道太平洋海温和降水年循环的模拟评估

本文评估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（LASG/IAP）研发的全球气候系统模式（FGOALS）的4个版本（FGOALS-g2、s2、g3、f3-L）对赤道太平洋地区的海温、降水气候态和季节循环的模拟能力。本文从海气耦合机制和热量收支的角度对耦合模式结果和相应的大气模式比较计划试验（AMIP）进行了对比分析,探讨了造成这一地区海温和降水模拟偏差的原因。结果显示,上一代模式g2和s2的海表温度均方根误差大于2°C,新一代模式g3和f3-L模拟的均方根误差降低50%,为1°C左右。因为新版本中赤道太平洋地区的净短波辐射平均态误差的减小,海洋上层热量动力输送过程的改善和净短波辐射与海温回归关系改进,赤道太平洋地区海温的平均态,南北温度和降水的不对称性都更加接近观测。f3-L比g3在上述方面改进更多,海温也更加合理。但是新一代版本模拟的降水均没有显著改进,赤道北侧ITCZ的降水偏大4 mm d?1。对流降水带来的凝结潜热释放加强了南北非绝热加热梯度,越赤道南风偏差抵消了一部分因为短波辐射偏大带来的海温偏暖,这说明海温平均态的改善是模拟误差相互抵消的结果。在季节循环的模拟方面也存在类似的现象,f3-L和g3中的海温年循环有所改进但较观测振幅仍旧偏弱。这是因为f3-L和g3模拟的经向风和潜热的年循环振幅比前版本要偏强,误差加大的同时也更大地抵消短波辐射的年循环偏差。g2和s2模拟的海温在赤道东太平洋则存在一个虚假半年循环分量,这主要是由潜热通量半年循环偏差所引起的。     

Characteristics of the Asian–Pacific Oscillation in Boreal Summer Simulated by BCC_CSM with Different Horizontal Resolutions

The summer Asian–Pacific Oscillation(APO) is a major teleconnection pattern that reflects the zonal thermal contrast between East Asia and the North Pacific in the upper troposphere. The performance of Beijing Climate Center Climate System Models(BCC CSMs) with different horizontal resolutions, i.e., BCC CSM1.1 and BCC CSM1.1(m), in reproducing APO interannual variability, APO-related precipitation anomalies, and associated atmospheric circulation anomalies, is evaluated.The results show that BCC CSM1.1(m) can successfully capture the interannual variability of the summer APO index. It is also more capable in reproducing the APO's spatial pattern, compared to BCC CSM1.1, due to its higher horizontal resolution. Associated with a positive APO index, the northward-shifted and intensified South Asian high, strengthened extratropical westerly jet, and tropical easterly jet in the upper troposphere, as well as the southwesterly monsoonal flow over North Africa and the Indian Ocean in the lower troposphere, are realistically represented by BCC CSM1.1(m), leading to an improvement in reproducing the increased precipitation over tropical North Africa, South Asia, and East Asia, as well as the decreased precipitation over subtropical North Africa, Japan, and North America. In contrast, these features are less consistent with observations when simulated by BCC CSM1.1. Regression analysis further indicates that surface temperature anomalies over the North Pacific and the southern and western flanks of the Tibetan Plateau are reasonably reproduced by BCC CSM1.1(m), which contributes to the substantial improvement in the simulation of the characteristics of summer APO compared to that of BCC CSM1.1.     

黄淮地区夏季降水的统计降尺度预测

利用1991-2011年黄淮地区夏季降水、NCEP/NCAR再分析资料和国家气候中心第2代动力气候模式（BCC_CSM1.1m）夏季回报结果,研究黄淮地区夏季降水降尺度预测模型和可预报性来源。诊断发现,黄淮地区夏季降水与同期南亚高压、乌拉尔山附近阻塞高压、西风急流、西太平洋赤道上空200 hPa纬向风场呈明显正相关。分析BCC_CSM1.1m对夏季环流的回报结果发现,模式对200 hPa和500 hPa位势高度场、200 hPa纬向风场和850 hPa经向风场上影响黄淮地区夏季降水的部分关键区域有较好的模拟能力。利用模式预报技巧较高且对黄淮地区夏季降水的影响有物理含义的环流特征作为预测因子,对比预测因子进行独立性筛选前后分别建立的降尺度预测模型发现,黄淮地区夏季降水预测与实况的距平符号一致率由61%提高到72%。预测技巧来源分析发现,降尺度预测能力与BCC_CSM1.1m对影响黄淮地区夏季降水的3个关键因子乌拉尔山附近环流、南亚高压、西太平洋赤道上空西风强弱的预测技巧密切相关,尤其是模式对西太平洋赤道上空西风的模拟能力起到决定性作用。     

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

Quantitative analysis of the feedback induced by the freshwater flux in the tropical Pacific using CMIP5

Freshwater flux (FWF) directly affects sea surface salinity (SSS) and hence modulates sea surface temperature (SST) in the tropical Pacific. This paper quantifies a positive correlation between FWF and SST using observations and simulations of the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) to analyze the interannual variability in the tropical Pacific. Comparisons among the displacements of FWF, SSS and SST interannual variabilities illustrate that a large FWF variability is located in the west-central equatorial Pacific, covarying with a large SSS variability, whereas a large SST variability is located in the eastern equatorial Pacific. Most CMIP5 models can reproduce the fact that FWF leads to positive feedback to SST through an SSS anomaly as observed. However, the difference in each model's performance results from different simulation capabilities of the CMIP5 models in the magnitudes and positions of the interannual variabilities, including the mixed layer depth and the buoyancy flux in the equatorial Pacific. SSS anomalies simulated from the CMIP5 multi-model are sensitive to FWF interannual anomalies, which can lead to differences in feedback to interannual SST variabilities. The relationships among the FWF, SSS and SST interannual variabilities can be derived using linear quantitative measures from observations and the CMIP5 multi-model simulations. A 1 mm d-1 FWF anomaly corresponds to an SSS anomaly of nearly 0.12 psu in the western tropical Pacific and a 0.11°C SST anomaly in the eastern tropical Pacific.