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。     

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。     

地球系统模式发展展望

在调研国际国内气候系统模式的基础上,给出了地球系统模式的定义和它的3个发展阶段:物理气候系统模式、地球气候系统模式和地球系统模式,阐述了未来的地球系统模式发展的战略意义,介绍了国际国内围绕地球系统模式的发展所提出的科学研究计划,并基于政府间气候变化委员会第四次评估报告的参评模式,回顾了国内外地球系统模式发展现状与动态,展望了未来的可能发展方向,希望能对国内的地球气候系统模式发展有所帮助.     

建立η坐标系下的假不压模式及其数值试验

滤除声波的大气运动方程中不包含声波,基于滤除声波方程建立的数值模式可以用较大的时间步长进行数值积分。Durran在1989年提出了一种新的滤除声波的方法,命名为“假不可压”方程,该方程考虑了温度扰动引起的密度变化,忽略了气压扰动引起的密度变化。本文根据Durran提出的假不可压理论,推导出了一组地形追随坐标下的通量形式的假不可压方程。该方程在形式上与WRF（Weather Research and Forecasting）模式中ARW（Advanced Research WRF）动力框架的控制方程非常接近。我们进一步将推导出的假不可压控制方程改写到了WRF模式中,建立了基于WRF模式框架的假不可压模式。用构建的假不可压模式和WRF模式做了两组对比试验:湿热泡对流试验和重力流试验。比较两种模式的模拟结果,可以看出假不可压模式的模拟结果与WRF模式的模拟结果非常接近,说明在WRF模式框架下建立的假不可压模式是合理可信的。     

对RIEMS模式中陆面过程的一个改进

中尺度区域气候模式RIEMS中陆面过程使用BATS模式,其缺点是土壤内部过程较为简单,本文把10层土壤模式引入BATS,代替原来的二层土壤模式,并采用了TOPMODEL水文模式中的一些处理方法,使土壤温度、水文的计算更为合理,模拟二个个例,每个例均为夏季一个月的模拟,表明在降水、气压场、流场上均较原RIEMS模式为优,因而是对原RIEMS模式一个改进。     

利用有限区域数值模式进行气候模拟研究的综合介绍

利用有限区域数值模式进行气候模拟是近年来发展的一种研究区域气候的新方法。本文综合介绍了用区域模式进行气候模拟的必要性、可靠性及其研究现状和主要进展，并指出区域气候模拟存在的一些问题及在我国发展区域气候模式的迫切性。     

2007年6—8月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

对2007年6—8月T213模式进行天气学检验,并与欧洲中心ECMWF模式及日本模式进行了比较。结果表明:3种模式对亚洲中高纬环流形势的调整演变具有较好的预报性能。综合来看,ECMWF模式对各系统及要素的预报误差最小,最接近实况,日本模式和T213模式稍差,稳定性不如ECMWF模式,特别是T213模式对0709号台风圣帕路径及强度的预报与实况相差较大,而ECMWF模式及日本模式预报较为准确。     

改进的切线性模式对一个边界层模式变分资料同化的改善

大气、海洋中边界层物理过程的强非线性会对切线性模式近似（尤其是当积分时间长时）有较大的影响，从而给相应的4维变分资料同化问题的求解造成困难。本构造了Mellor-Yamada湍流封闭模式（level 2.5)的一个改进的切线性模式，相比通常的切线性模式和简化的切线性模式可以提高对非线性扰动的逼近。利用这个改进的切线性模式的伴随模式分别进行了1到7天的变分资料同化试验，得到了满意的结果。而用通常的伴随模式和简化的伴随模式都无法得到令人满意的结果。     

一个热动力海冰模式的改进与实验

影响海冰变化的物理因素中热力和动力部分是同等重要的，但多数热动力海冰模式的热力部分考虑得较为简单。针对Hibler热动力海冰模式的不足，以1个3层热力模式为基础改进了其热力部分。比较了原模式中的零层热力模式和用于改进的3层热力模式；并应用改进前后的两种热动力模式对1983年的北极海冰进行了模拟。模拟结果表明，海冰厚度比原模式厚，季节变化减弱，海冰密集度与观测资料更为符合。     

BATS1e陆面模式对p-σ九层区域气候模式性能的影响

将BATS1e (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version 1e) 陆面模式与p-σ九层区域气候模式(PσRCM9) 进行耦合，发展了一个包含有更复杂陆－气相互作用的区域气候模式(BATS1e-PσRCM9)。通过对东亚地区1月和7月气候平均场和1991年江淮流域梅雨期间三次强降水过程的数值模拟，考察了BATS1e陆面模式对PσRCM9模式模拟性能的影响。数值试验结果表明，BATS1e-PσRCM9模式对东亚区域冬、 夏季气候平均场的模拟能力有明显提高，且对近地层和对流层低层各气象要素场模拟效果的改善比对流层中高层更加明显。与PσRCM9模式的模拟结果相比，BATS1e-PσRCM9模式对中国东南部地区降水的模拟与观测更为一致，并且对江淮流域梅雨期间的强降水过程也有较好的模拟能力。由于BATS1e-PσRCM9模式改进了地气之间动量、热量和水汽通量交换的计算，更好地描述了陆地下垫面与大气之间的相互作用，从而改善了模式对近地层各气象要素场的模拟。因此，通过耦合BATS1e陆面模式能较明显地提高PσRCM9模式模拟东亚区域短期气候变化的能力，这为区域气候模式的进一步发展奠定了基础。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

一个耦合了简化生物圈方案的全球大气环流谱模式及其性能测试

在美国ＮＭＣ ＡＧＣＭ模式的基础上，参照ＣＯＬＡ低分辨率ＡＧＣＭ模式，移植和改进了一个包括植被层陆面过程的陆－气耦合全球大气环流谱模式。其水平分辨率为菱形截断１５波，垂直方向分为９层，陆面过程采用简化的简单生物圈模式。     

TRP与Logit概率预报模式计算比较分析

本文分别利用TRP模式及Logit模式与MOS相结合的方法,对南京市的能见度及云量进行了24小时概率预报试验。通过对两种模式的比较分析,结果表明：Logit模式的拟合率比TRP模式的高,而在实际预报中,TRP模式的预报准确率高。同时,TRP模式的计算更为方便灵活。     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

2006年9—11月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

为了验证T213模式秋季中期预报产品的性能与质量，对2006年9—11月T213模式96小时中期数值预报产品进行了天气学检验，并与ECMWF、日本模式96小时预报性能做了对比分析检验。结果表明，T213、ECMWF、日本模式对亚洲中高纬度地区大尺度环流形势演变和重大调整过程的96小时预报能力均较强，因此对重大灾害性天气的预报有较好的指示意义。三种模式相比，ECMWF模式对西风指数、850hPa温度、南支槽东移的预报较为准确；2006年11月4—6日的过程预报以日本模式最为吻合；T213模式对具体影响系统的强度、位置、影响时间的预报还存在一定误差。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

GRAPES全球切线性和伴随模式的调优

伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。     

BCC_CSM北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟的影响

国家气候中心气候系统模式(BCC_CSM)将美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0替代原有的海冰模式SIS,形成一个新版本耦合模式,很好地提高了模式对北极海冰和北极气候的模拟能力。在此基础上,本文评估新耦合模式对1985—2014年东亚冬季气候的模拟性能,检验北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟性能的影响。结果表明,引入CICE5.0后,新耦合模式能较好地模拟出东亚冬季海平面气压、850 hPa风场以及辐射通量,进而改善东亚气温以及降水的气候态空间分布模拟效果。进一步分析发现,与原有耦合模式相比,新耦合模式更好地抓住了东亚冬季海平面气压、总降水量和气温异常对同期巴伦支海-喀拉海海冰密集度异常的响应,进而提高了模式对东亚冬季中高纬度地区气温以及降水变率的模拟能力。     

伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

论行星反射率与地表反射率的关系—反演模式的比较与检验

在一定精度范围内，晴天行星反射率与地表反射率具有简单的线性关系，考虑大气影响的订正有不同的参数化方案。本文对具有代表性的几个参数化模式作了比较，并利用ＨＥＩＦＥ的观测资料对模式作了一定检验。为了能使模式更好地适用于高原、干旱地区，对不同模式提出了评估与改进意见。