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。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选用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)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

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。     

FGOALS模式对中国西南地区干旱气候的模拟研究

本文利用台站资料、NCEP资料及FGOALS模式结果对全球变暖背景下西南地区的干旱及其成因进行比较分析,结果表明:西太平洋副热带高压较常年异常偏弱偏东,中高纬环流场比较平直;由南向北的水汽输送较常年偏弱,中低层水汽通量和湿润年相比表现为辐散;而西南地区上游的青藏高原地区对流活动减弱,低涡活动减弱,都是导致该地区降水偏少,从而形成高温干旱的主要原因。与NCEP资料相比,FGOALS模式模拟的中高层位势高度偏低,越往高层,偏差越大;FGOALS模拟的暖湿水汽输送位置较为偏南;垂直运动大值区偏西。      

Simulations of the 100-hPa South Asian High and precipitation over East Asia with IPCC coupled GCMs

The South Asian High (SAH) and precipitation over East Asia simulated by 11 coupled GCMs associated with the forthcoming Intergovernmental Panel on Climate Change’s (IPCC) 4th Assessment Report are evaluated. The seasonal behavior of the SAH is presented for each model. Analyses of the results show that all models are able to reproduce the seasonal cycle of the SAH. Locations of the SAH center are also basically reproduced by these models. All models underestimate the intensity and the extension of coverage in summer. The anomalous SAH can be divided into east and west modes according to its longitudinal position in summer on the interannual timescale, and the composite anomalies of the observed precipitation for these two modes tend to have opposite signs over East Asia. However, only several coupled GCMs can simulate the relationship between rainfall and SAH similar to the observed one, which may be associated with the bias in simulation of the subtropical anticyclone over the West Pacific (SAWP) at 500 hPa. In fact, it is found that any coupled GCM, that can reproduce the reasonable summer mean state of SAWP and the southward (northward) withdrawal (extension) for the east (west) mode of SAH as compared to the observed, will also simulate similar rainfall anomaly patterns for the east and west SAH modes over East Asia. Further analysis indicates that the observed variations in the SAH, SAWP and rainfall are closely related to the sea surface temperature (SST) over the equatorial tropical Pacific. Particularly, some models cannot simulate the SAWP extending northward in the west mode and withdrawing southward in the east mode, which may be related to weak major El Ni?no or La Ni?na events. The abilities of the coupled GCMs to simulate the SAWP and ENSO events are associated partly with their ability to reproduce the observed relationship between SAH and the rainfall anomaly over East Asia.     

耦合模式热带太平洋云—气候反馈模拟误差评估

云—气候反馈是热带海气相互作用的重要过程, 同时也是气候模拟的难点。本文利用IPCC AR4提供的耦合模式20世纪模拟试验结果和观测资料, 通过滤波和经验正交展开 (EOF) 的方法将热带太平洋海表温度的年际变化和年代际变化信号分别提取出来, 然后再分别计算观测和模式在年际和年代际时间尺度上云—辐射和热通量反馈特征, 发现在上述两个时间尺度上, 耦合模式模拟的云—辐射和热通量的反馈都要比观测和再分析资料的偏弱。反馈偏弱的可能原因是模式中热带大气对流和云对海表温度变化的敏感性比真实大气要偏弱。值得注意的是, 尽管耦合模式热带太平洋年代际热力反馈偏弱, 但是耦合模式模拟的热带太平洋南北纬10°之间海表温度的年代际增温趋势与观测相当。进一步分析表明, 只用年代际热力反馈来解释热带太平洋的气候变化是不够的, 还必须考虑动力反馈对于海表温度变化的调节作用。     

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0512地球系统模式发展

2018年起,国家自然科学基金委员会推进科学基金系统性改革,为更好的助力优化学科布局,2019年大气科学学科率先开展了学科申请代码调整,通过广泛的战略研究与研讨形成了2020年度申请代码设置方案,确定了以“分支学科”“支撑技术”和“发展领域”三个板块、共15个“二级申请代码”为主要架构的学科资助体系,并组织专家对各“二级申请代码”的下设研究方向和关键词进行系统梳理和分析,经过三年实施和不断优化形成了当前的版本。本文主要针对D0512地球系统模式发展下设的五个研究方向和关键词进行解读,介绍其设置背景,下设研究方向及关键词的总体框架,并基于科睿唯安Web of Science数据库对该申请代码下不同方向关键词的出现频率和研究热点进行了分析和讨论,发现五个方向的主要关键词基本设置合理,在后续工作中需要继续优化和适当调整,不断扩大影响并吸引更多的优秀申请人,促进我国地球系统模式的发展。     

一个海陆气耦合模式中大气-植被的年际变化及其相互作用

含有动态植被过程的陆面模式Atmosphere-Vegetation Interaction Model(AVIM)与中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)的9层大气环流模式AGCM 及20层的海洋环流模式(OGCM)耦合,建立了一个全球模式(GoALS-AVIM)并进行100年的模拟积分.后40年的结果分析表明,该耦合模式能够合理地模拟大气及陆地生态系统显著的年际变化.用奇异值分解(SVD)分析了东亚地区植被生长和气候变化的相互关系,发现在东业区域的植被净初级生产力(NPP)强弱的变化对血着大气环流的变化,特别是NPP分别与850 hPa的风场和500 hPa的高度场表现出很强的时空一致性.在东亚地区,由于植被类型的不同,导致NPP年际变化与降水、表面气温、短波辐射的年际变化的相关性不同,它们的年际变化与相关物理量场的年际变化表现出很强的植物种类的区别.     

ENSO循环年代际变化及其数值模拟

从20世纪70年代后期的观测资料分析中显示了全球气候的年代际变化, 同时也表现在热带太平洋上最重要的海气耦合现象ENSO的年代际变化上。本文利用中国科学院大气物理研究研究所 (IAP) 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG) 的气候系统海洋模式 (简称LICOM), 对ENSO的年际以及年代际变率进行模拟, 结果表明LICOM基本能够模拟出ENSO年际变化的特征, 通过对海洋上层热含量的计算以及对热量和质量输送的变化分析, 能够看到模式中ENSO循环中的反馈机制与理论研究的结论是一致的。同时, 作者还发现模式能够重现ENSO循环的年代际变化特征, 例如周期、 传播方向和冷暖事件不对称性等特征的模拟也基本接近观测事实, 其中重点分析了冷暖事件的不对称性与非线性加热 (NDH) 之间的关系, 进一步分析还发现ENSO的强度、 不对称性与海洋内部的非线性过程之间在年代际尺度上也存在密切的关系。但是, 模式模拟与观测结果之间仍然存在着一定的误差, 模式有待于进一步改进。     

东亚地区陆地植被净初级生产力与夏季气候的模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP)一个海洋-大气-动态植被耦合模式(GOALS-AVIM),进行了100年模拟积分.基于模拟结果,对东亚地区的植被净初级生产力(NPP)、降水、地面气温和短波辐射的季节变化进行了标准化对比,分析了NPP的时空格局与气候因子(气温、短波辐射和降水)的关系;利用奇异值分解(SVD)对东亚夏季降水场和NPP的关系进行分解.结果表明,夏季东亚地区植被NPP及相关气候因子的时空变化规律明显,耦合模式可以很好地模拟出观测存在的降水及NPP、LAI(叶面积指数)大值区随季节北移南退的形态;由于耦合模式中AVIM的双向特点,模式模拟的NPP与其他物理场的季节变化有很强的对应关系,而且在不同时间和地区,NPP与降水、地面气温、短波辐射表现出不同的对应关系,其中植被NPP时间变化与气温和降水的相关性都较高;从NPP场和降水场夏季逐月标准化距平奇异值分解的空间分布模态来看.NPP与降水在时空场上表现出很强的耦合性,NPP的空间格局与降水存在较好的相关性,不同地理位置的相关性强弱不同,分解出的降水场异常相关模态也再现了东亚夏季降水移动的时空特征,同时东亚雨带随季节变化与NPP的气候变率表现出不同的对应模态.