一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估Ⅰ.热带太平洋年平均状态

评估了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海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM-0模拟的热带太平洋年平均状态,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCAR CCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM-0.主要的结论是:(1)在"准确"的海表强迫下,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅.(2)Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流,但存在两个问题,即:暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关.这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM-0运行初期误差迅速发展的重要原因.(3)FGCM-0模拟的赤道暖池区上层100 m的平均温度比观测低3℃.分析表明FGCM-0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用,使得模拟的"暖池"在一定程度上具有冷舌的属性.FGCM-0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到100 m,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称,成为"double ITCZ"现象在上层海洋中的表现.风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快是温跃层偏浅的两个可能原因;FGCM-0中与北太平洋中高纬地区深厚冷偏差相关的经圈环流也有利于热带温跃层误差的维持.     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

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     

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。     

热带太平洋和印度洋海面高度季节循环和年际变化的数值模拟

利用卫星海面高度计资料,分析了赤道太平洋和印度洋海面高度变化的季节和年际变化特征,并与一个耦合气候系统模式FGCM0模拟的海面高度进行比较,评估模式模拟海面高度季节和年际变化的能力.结果表明,尽管耦合模式存在一定的系统误差,但仍然能在相当程度上模拟出海面高度季节和年际变化的基本特征.同时为检验模式中印度尼西亚贯穿流(ITF)对海面高度季节和年际变化的影响,还进行了印度尼西亚海道完全关闭的敏感性试验,与控制试验结果对比表明,印度尼西亚贯穿流可以显著影响热带太平洋和印度洋年际变化的特征.     

对厄尔尼诺事件和海洋环流的数值模拟研究

用太平洋海洋环流模式，模拟研究热带太平洋海温和环流的年际变化特征和机制．用观测的逐月风应力强迫模式，模拟１９７１～１９９５年发生的主要厄尔尼诺事件．说明风应力异常对厄尔尼诺生成起主要作用．对海温异常峰值附近３个月海温和洋流的综合分析表明：在厄尔尼诺事件时，１６０°Ｗ以西温跃层上升，以东温跃层下降，温跃层的东西倾斜显著变小．同时沿赤道的垂直环流圈减弱，中东赤道太平洋涌升流、海表层向西的赤道洋流和次表层向东的赤道潜流都减弱且厚度减小；在反厄尔尼诺时，情况则相反．     

TOGA型海-气耦合模式直接模拟的SST误差分析

本文对一个TOGA(热带太平洋和全球大气)型耦合环流模式直接耦合30 a(1980—2009年)的模拟结果进行分析,发现模拟的热带太平洋海表温度存在严重的"气候漂移"现象。通过对模式海表温度控制方程中加热和冷却项的分析,特别是对海表热通量和风应力的分析,指出了两者的误差在热带太平洋海表温度的"气候漂移"现象中扮演的角色。为了进一步证实分析的结果,通过4个敏感性试验分析热通量和风应力对热带太平洋海表温度分布的作用,特别是热通量对西太平洋暖池的形成,而风应力对东太平洋冷舌的形成均有重要的作用以及纬向风应力和经向风应力对冷舌形成的相对贡献。     

FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季SST—降水关系的模拟评估

评估了耦合气候系统模式FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季降水和SST相关关系的模拟技巧,并对比了相应的观测海温强迫试验（AMIP）和历史气候模拟试验结果。结果显示,FGOALS海洋同化试验对亚洲季风区大部分海域夏季SST年际变化有较高的模拟技巧,但其对菲律宾以东海域模拟技巧较低。在西北太平洋夏季降水-SST相关关系方面,同化试验部分地再现了南海和菲律宾以东海域降水超前SST变化1个月和同时二者的负相关关系,优于AMIP试验但逊于自由耦合模拟试验。同化试验对SST倾向-降水相关关系的模拟技巧亦介于AMIP试验和自由耦合试验之间。观测中,西北太平洋夏季降水与环流异常受日界线附近和赤道东印度洋海洋大陆地区海温异常的遥强迫,并通过改变到达海表的净短波辐射通量影响局地SST异常,导致局地海温-降水和局地海温倾向-降水的负相关关系。在AMIP试验中,遥强迫导致的西北太平洋地区环流异常较之观测偏弱,由于缺少局地海气耦合过程,在西北太平洋多数地区表现为海温对大气的强迫作用,即SST-降水正相关关系。FGOALS同化试验和自由耦合试验考虑了局地海气耦合过程,虽然低估了遥强迫对西北太平洋地区夏季环流异常的影响,依然部分模拟出局地降水-SST负相关关系但较之观测偏弱。同时,自由耦合试验高估了西北太平洋20°N以南地区海温异常对大气环流异常的强迫,使得其对中国南海和日本岛以南海域SST-降水负相关关系的模拟稍优于同化试验。     

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     

大气环流模式和耦合模式模拟的降水-海温关系之比较

本文讨论了气候系统耦合模式FGOALS_s模拟的局地降水和海温的关系, 并通过与单独大气模式SAMIL的AMIP试验结果进行对比分析, 考察了海气耦合过程对局地降水和海温关系模拟的影响。结果表明, 耦合模式FGOALS_s和单独大气模式SAMIL在模拟局地降水和海温关系上各有优势。在赤道中东太平洋地区, 观测中局地降水和海温的关系是海洋强迫为主, FGOALS_s模拟的海洋对大气的强迫比观测偏弱, 因此, SAMIL相对于FGOALS_s更有优势。在西北太平洋东部地区, 观测中夏秋季节降水和海温的关系是大气强迫为主, 由于考虑了海气相互作用过程, FGOALS_s对降水和海温关系的模拟能力要优于单独的大气模式。此外, 由于大气模式SAMIL的云参数化方案导致的模拟偏差, 在赤道中东太平洋地区 (9～11月), 降水增加时入射的短波辐射通量也是增加的, 并且这种模拟的偏差在耦合后仍然保留了下来, 导致了与观测不符的云[CD*2]辐射反馈过程。因此, 改进大气模式的云参数化方案是未来工作重点之一。此外, 分析发现耦合模式模拟的潜热通量的变化过分依赖海气湿度差。     

Ocean Response to a Climate Change Heat-Flux Perturbation in an Ocean Model and Its Corresponding Coupled Model

State-of-the-art coupled general circulation models(CGCMs)are used to predict ocean heat uptake(OHU)and sealevel change under global warming.However,the projections of different models vary,resulting in high uncertainty.Much of the inter-model spread is driven by responses to surface heat perturbations.This study mainly focuses on the response of the ocean to a surface heat flux perturbation F,as prescribed by the Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project(FAFMIP).The results of ocean model were compared with those of a CGCM with the same ocean component.On the global scale,the changes in global mean temperature,ocean heat content(OHC),and steric sea level(SSL)simulated in the OGCM are generally consistent with CGCM simulations.Differences in changes in ocean temperature,OHC,and SSL between the two models primarily occur in the Arctic and Atlantic Oceans(AA)and the Southern Ocean(SO)basins.In addition to the differences in surface heat flux anomalies between the two models,differences in heat exchange between basins also play an important role in the inconsistencies in ocean climate changes in the AA and SO basins.These discrepancies are largely due to both the larger initial value and the greater weakening change of the Atlantic meridional overturning circulation(AMOC)in CGCM.The greater weakening of the AMOC in the CGCM is associated with the atmosphere–ocean feedback and the lack of a restoring salinity boundary condition.Furthermore,differences in surface salinity boundary conditions between the two models contribute to discrepancies in SSL changes.     

An eddy-permitting oceanic general circulation model and its preliminary evaluation

1. Introduction The current oceanic general circulation models(GCMs) used in climate studies, especially those serv-ing as component models in coupled GCMs, havean average resolution around 2? (IPCC, 2001). Theoceanic GCMs with relatively coarse resolutions canreproduce the major observed features of the large-scale circulations, but there are some insurmount-able di?culties. It was documented by Gates (1992)that the main defects of the coarse resolution oceanicGCMs include the repres…     

1月和7月月平均气候的模拟与IAP GCM模式效能检证

利用ＩＡＰＧＣＭ２５年的积分结果,系统分析了模式的１、７月月平均气候,并与观测资料、ＯＳＵＧＣＭ和其它大气环流模式的模拟结果作了比较,所比较的变量包括大气基本变量即海平面气压、表面气温和降水以及与流场、加热场和水汽场有关的诸多变量。结果表明,模式成功地模拟出各种大气变量的分布特征,大多数变量的模拟结果要优于ＯＳＵＧＣＭ,从而证实模式对１、７月月平均气候有较好的模拟能力,特别是由于ＩＡＰＧＣＭ与ＯＳＵＧＣＭ两模式物理过程十分相似,这一结果还进一步证实了ＩＡＰＧＣＭ动力框架和计算方案的优良性能。模拟的主要误差包括南极槽偏浅、冰雪区表面气温偏高以及主要降雨区雨量偏大等,同时还分析了模拟误差的可能原因,提出了改进模式的一些设想。此外,计算并比较分析了模式中动量、感热和水汽的经向输送。     

热带大气10～20天振荡的大气环流模式数值模拟

利用大气环流模式对热带大气10～20天振荡进行了数值模拟研究，其结果同观测资料分析基本一致。模式资料的功率谱及动能的分析表明，10～20天振荡确实比30～60天振荡更突出地存在于热带大气中。同热带大气30～60天振荡的结构有些不同，对于在热带10～20天振荡，除纬向1波外，纬向2波也很明显；流动的斜压结构特征欠佳；系统以较快速度沿赤道西移。暖SST事件对热带大气10～20天振荡的影响也进行了模拟，对结果的比较分析表明，暖STT将使10～20天大气振荡减弱，使其结构更趋正压性。     

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。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将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最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

1995年北半球主要环流特征及其影响

１９９５年北半球大气环流的主要特征是：５００ｈＰａ西太平洋副热带高压异常偏强，初夏脊线位置偏南，盛夏偏北；亚洲西风带，春季经向环流发展，初夏东亚阻塞形势稳定，盛夏纬向环流盛行；５００ｈＰａ青藏高原位势高度夏半年偏高，冬半年偏低；北半球１００ｈＰａ位势高度低纬度持续偏高，中高纬度持续偏低，南亚高压偏强；１９９４年开始的厄尔尼诺事件于１９９５年３月结束。     

Error evolution in the dynamics of an ocean general circulation model

The problem of error propagation is considered for spatially uncorrelated errors of the barotropic stream function in an oceanic general circulation model (OGCM). Such errors typically occur when altimetric data from satellites are assimilated into ocean models. It is shown that the error decays at first due to the dissipation of the smallest scales in the error field. The error then grows exponentially before it saturates at the value corresponding to the difference between independent realizations. A simple analytic formula for the error behavior is derived; it matches the numerical results documented for the present primitive-equation ocean model, and other models in the literature.     

全球海气耦合模式（BCC_CM1.0）对江淮梅雨降水预报的检验

以国家气候中心全球大气-海洋耦合模式(BCC-CM1.0)20年的预报产品为基础,重点分析了该模式对中国江淮梅雨的预报能力以及梅雨预报中存在误差的可能原因.试验表明:BCC-CM1.0对江淮梅雨降水有一定的预报能力,模式基本上能够预报出气候态下梅雨降水的空间分布特征.尽管其方差贡献率和时间系数与观测相比有偏差,但模式还是能够预报出梅雨降水的主要模态.气候平均下,BCC-CM1.0模式预报的梅雨雨带位置偏北,因而预报的江淮流域长江以北降水偏多,而长江以南预报的降水偏少.同时发现模式对江淮流域梅雨期中等强度降水预报较好,雨强概率分布与观测结果基本一致,而对大雨强降水和小雨强降水预报相对较差.合成分析发现,江淮流域雨带偏北、降水偏少时,模式的预报能力较好;而江淮流域雨带偏南、降水偏多时,模式预报能力相对较差.BCC-CM1.0对高度场的预报普遍偏低,尤其是在青藏高原上空有一个虚假的低值中心,对副热带高压的预报也偏弱,这样使得东亚季风区气压梯度增加,从而导致预报的东亚夏季风偏强、向北推进的幅度加大,最终致使预报的梅雨雨带偏北.此外,比湿场预报的偏差也可能是造成梅雨雨带偏北的原因之一.