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。     

BCC_CSM气候系统模式移植优化及其气候模拟验证

为了提高BCC_CSM气候系统模式运行效率,保障业务科研工作的顺利开展,进行BCC_CSM气候系统模式在IBM高性能计算系统的移植工作;通过性能优化使BCC_CSM模式运行效率显著提高,通过气候要素形势场分布和相对误差量化指标对BCC_CSM气候系统模式模拟性能进行验证。结果表明：移植优化后,BCC_CSM气候系统模式计算效率提高为原来的1.4倍;基于CMIP5 piControl试验,完成531-540年10 a的气候模拟,年平均地表气温形势场分布合理,相对误差小于0.5%,BCC_CSM气候系统模式计算和模拟性能均能满足应用需求。     

BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋潜热通量的评估

利用1979—2005年OAFlux (Objectively Analyzed air-sea Fluxes) 观测资料以及CMIP5的15个耦合模式的模拟结果,评估了BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量气候态和变化趋势的模拟能力,并分析造成趋势偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM1.1(m) 模式模拟热带太平洋年平均潜热通量气候态在各纬度上差异较大, 其中在赤道的模拟能力较佳,而在10°N和8°S附近模拟偏差较大;BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势的模拟能力一般,造成趋势偏差的主要原因是该模式低估了风速对潜热通量的局地贡献以及它对风速的非局地贡献的模拟存在较大偏差。此外,该模式未能较好地模拟出风速对全球变暖响应。因此,BCC_CSM1.1(m) 模式对热带太平洋年平均潜热通量趋势模拟的改进需加强其对风速模拟的改进。     

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.     

FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的高分辨率模式比较子计划（HighResMIP）,建立了海洋环流预测系统（LFS）等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动（TIW）等事件。     

CMIP5气候模式对中国未来气候变化的预估和应用

气候模式是研究气候系统和气候变化的有力工具,其模拟结果是进行气候预测和气候变化风险评估的重要数据基础。随着全球气候变暖速度加快,地表生态环境、水文动态循环过程、社会经济发展等都受到其影响,进而影响到人类的生产和生活。利用气候模式对未来气候变化特征进行评估和预测,可为人类调整发展策略以适应气候变化提供科学依据。通过汇总CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式在气候变化方面的相关研究,综述了CMIP5气候模式在农业生产、水文动态监控以及其他领域中的应用,最后指出了CMIP5气候模式在模拟预估未来气候变化上存在的不足,并展望了CMIP5气候模式在未来的应用。     

长期气候变化——IPCC第五次评估报告解读

<正>IPCC第五次评估报告(AR5)~①中关于长期气候变化的预估主要基于全球耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的46个地球系统模式结果,在对模式、情景及不确定性介绍的基础上,给出了21世纪及其后更远时期的气候变化预估结果。与第四次评估报告(AR4)及全球耦合模式比较计划第三阶段(CMIP3)不同的是,AR5预估所使用的温室气体排放情景为典型浓度路径(RCP,AR4主要使用的是SRES),但在相似温室气体浓度的情况下,两者给出的未来气候变化结果差别不大。     

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。     

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Ⅰ——水平分辨率的影响

对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一陆一气耦合气候系统模式(GOALS／LASG)的大气分量进行了发展，主要是提高模式的分辨率。水平分辨率由原来的菱形15波截断(R15)提高到菱形42波截断（R42)；并用实际的海温、海冰为外强迫积分模式10年，将积分结果与观测资料比较以检验模式的气候模拟性能，重点是检验全球季节变化和年际变化的模拟能力。从检验结果看，分辨率增加后模式能成功地模拟出全球气候的主要特征，多种要素场的季节变化与观测也一致；对EI Nifio的响应特征也有很好的反映。但与其它气候模式一样，也存在一些误差。对结果的分析表明，云、辐射方案影响模式的能量平衡，进而影响陆面系统的模拟及降水的分布：对流参数化方案对模拟结果也有很大影响。     

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。     

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。     

中国地球气候系统模式研究进展：CMIP计划实施近20年回顾

在系统总结过去20年从CMIP1到CMIP4世界各国模式的综合情况基础上,回顾了中国气候模式参与CMIP科学试验的概况。在此基础上,慨述了CMIP5的试验设计,总结了参加CMIP5的5个中国气候模式的特点。随后,从高分辨率模式研发、地球系统模式研发、地球气候系统模式最为关键的分量——大气环流模式和海洋环流模式研发的角度,提出了中国地球气候系统模式发展面临的挑战,指出了中国模式发展面临的机遇。针对如何从国家层次协调以实现地球气候模式的可持续发展问题,给出了美国国家科学院最近发布的《推动气候模拟的国家战略》所提出的九条措施作为参考。     

中国6个CMIP5模式对全球降水年际-年代际变率模拟的定量评估

本文利用美国全球降水气候中心(GPCC)的降水资料和中国参加国际第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)的6个气候模式[BCC_CSM1.1、BCC_CSM1.1(m)、BNU-ESM、FGOALS-s2、FGOALS-g2和FIO-ESM]的历史模拟试验的降水数据,采用可以表征降水变率相对和绝对量级的方法,定量评估了6个模式对降水年际-年代际变率的模拟能力。研究表明,观测降水的年际变率一般占总方差的65%~80%,年代际变率占总方差的10%~35%。在CMIP5历史试验中,6个模式平均的降水年际分量方差对总方差的贡献(超过70%)较观测偏强,模拟降水年代际分量的方差对总方差的贡献较小(约为10%~20%)。模式总体低估了全球平均总降水、年际降水和年代际降水的变率,但是高估了年际降水对总降水的贡献、低估了年代际降水对总降水的贡献。与观测相比,6个模式对东亚和澳大利亚地区的年代际降水的模拟都比较好,模拟与观测年代际降水方差的比值为1左右。在非洲、南美洲和海洋性大陆,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年代际变率最接近观测;在欧亚和北美,BNU-ESM模式模拟的降水年代际变率与观测最接近。在欧亚大陆上,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测;在非洲和美洲,FGOALS-s2模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测。本文的研究结果有助于理解中国当前气候模式对降水年际-年代际变率的模拟能力,以及未来改进模式。     

CMIP6HighResMIP对青藏高原气候模拟的评估和预估

高分辨率模式模拟被认为是研究资料相对欠缺的青藏高原地区气候变化的重要方法之一。第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)新增了高分辨率模式比较计划(HighResMIP),但其对青藏高原气候的模拟性能尚未系统评估。本研究分析了6对(更高、较低分辨率)CMIP6 HighResMIP模式对青藏高原当前气候的模拟能力,并集合预估了近期青藏高原气候的变化趋势。相对较粗分辨率模拟,所有(2/3)模式的更高分辨率模拟减少了平均降水(气温)的区域平均偏差。泰勒图涉及指标的综合评估显示,约1/3模式的更高分辨率对平均气温和降水模拟效果优于较低分辨率,其余模式的更高分辨率则接近或者劣于较低分辨率。集合平均结果优于单个模式,且其更高分辨率模拟效果总体优于较低分辨率。更高分辨率模式集合预估显示,相对于1995—2014年,在SSP5-8.5情景下到2021—2040年青藏高原整体呈增温趋势,东南部增温相对较弱;降水从北到南呈增加-减少-增加的变化模态;青藏高原气温将平均增加(0.81±0.91) ℃,降水将平均增加(0.05±0.25) mm/d。     

CMIP5气候模式对东亚夏季平均环流场模拟能力的评估

利用第五次耦合模式比较计划(Phase 5 of Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)提供的30个全球气候模式模拟的1961~2005年的夏季逐月环流场资料及同期NCEP再分析资料,引入泰勒图及各种评估指标,探讨全球气候模式对东亚夏季平均大气环流场的模拟能力,寻求具有较好东亚夏季环流场模拟能力的气候模式。结果表明:1)全球气候模式能够模拟出东亚夏季平均大气环流的基本特征,CMIP5模式的总体模拟能力较第三次耦合模式比较计划(CMIP3)有较大程度的提高,如CMIP5模式对东亚大部分地区夏季海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场的模拟偏差在6 h Pa以内。2)模式对不同层次环流场的模拟能力存在差异,500 h Pa高度场的模拟能力最强,其次为100 h Pa高度场、850 h Pa风场,SLP场最弱;对东亚夏季主要环流系统的模拟对比发现,模式对印度热低压及东伸槽强度指数的模拟能力最好。3)综合CMIP5模式对东亚夏季各层次平均环流场以及主要环流系统的模拟能力,发现模拟较好的5个模式为CESM1-CAM5、MPI-ESM-MR、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-P和Can ESM2。4)相对于单一模式,多模式集合平均(MME)模拟能力较强,但较优选的前5个模式集合平均的模拟能力弱。     

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     

10个CMIP5模式对亚澳季风环流及其变率的模拟

利用参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)的10个海气耦合模式的输出结果,比较了这些模式对6种季风指数年际变化的模拟能力,并从季风区大气环流场的气候态以及海表温度异常(SSTA)与季风的相关关系两个方面对季风指数的模拟差异原因进行了讨论。得到结论:CMIP5模式对于季风指数年际变化模拟的结果与观测资料差异较大,其中对南亚季风指数(Webster- Yang index)模拟最好,模式集合会显著改进对南亚季风指数的模拟效果;不同模式基本可以描述出各个季风区大气环流场的气候态分布特征;耦合模式对南亚季风指数模拟的关键可能在于对SSTA的年际变化以及SSTA与季风相关关系的准确模拟。      

CAMS-CSM模式及其参与CMIP6的方案

世界气候研究计划(WCRP)组织开展的耦合模式比较计划已实施到第六阶段（CMIP6),中国气象科学研究院发展的气候系统模式CAMS-CSM是注册参加CMIP6的模式之一。除CMIP6要求的气候诊断、评估和描述试验（DECK）以及历史气候模拟试验（Historical）外,CAMS-CSM还计划参加情景模式比较计划（ScenarioMIP)、云反馈模式比较计划（CFMIP)、全球季风模式比较计划（GMMIP）和高分辨率模式比较计划（HighResMIP)这4个模式比较子计划（MIPs)。文中通过介绍CAMS-CSM的基本情况和模拟性能,以及计划参加的CMIP6试验及MIPs,为模式试验数据使用者提供参考。     

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。     

BCC气候系统模式开展的CMIP5试验介绍

气候系统模式是研究气候变化机理和预测未来气候变化不可替代的工具。世界气候研究计划(WCRP)组织的耦合模式比较计划(CMIP),为国际耦合模式的评估和后续发展提供了重要的平台。参与该计划的试验数据资料被广泛应用于气候变化