适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器。极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战。在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来极地海冰的快速变化及其物理特性的变化,极大地增加了海冰模式物理参数化方案和模拟结果的不确定性。因此,迫切需要具备完善物理过程、适应海冰多尺度快速变化的高分辨率海冰模式,并应用于全球气候变化的研究和预测以及极地的开发利用。本文从海冰模式的发展历程和现状、极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战以及适应极地快速变化海冰模式的改进和发展研究方向三个方面进行了阐述和讨论。     

Preliminary evaluations of FGOALS-g2 for decadal predictions

The Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Grid-point Version 2 (FGOALS-g2) for decadal predictions, is evaluated preliminarily, based on sets of ensemble 10-year hindcasts that it has produced. The results show that the hindcasts were more accurate in decadal variability of SST and surface air temperature (SAT), particularly in that of Nin o3.4 SST and China regional SAT, than the second sample of the historical runs for 20th-century climate (the control) by the same model. Both the control and the hindcasts represented the global warming well using the same external forcings, but the control overestimated the warming. The hindcasts produced the warming closer to the observations. Performance of FGOALS-g2 in hindcasts benefits from more realistic initial conditions provided by the initialization run and a smaller model bias resulting from the use of a dynamic bias correction scheme newly developed in this study. The initialization consists of a 61-year nudging-based assimilation cycle, which follows on the control run on 01 January 1945 with the incorporation of observation data of upper-ocean temperature and salinity at each integration step in the ocean component model, the LASG IAP Climate System Ocean Model, Version 2 (LICOM2). The dynamic bias correction is implemented at each step of LICOM2 during the hindcasts to reduce the systematic biases existing in upper-ocean temperature and salinity by incorporating multi-year monthly mean increments produced in the assimilation cycle. The effectiveness of the assimilation cycle and the role of the correction scheme were assessed prior to the hindcasts.     

北极海冰数值预报的初步研究——基于海冰—海洋耦合模式MITgcm的模拟试验

利用最近发展的MITgcm(麻省理工学院通用环流模式)海冰-海洋耦合模式,以NCEP(美国国家环境预测中心)再分析资料为大气强迫场进行了1992年1月至2009年12月北极海冰数值模拟.结果表明,此模式能很好地模拟卫星观测的北极海冰季节和年际变化,具备很好的北极海冰数值模拟能力.以此为基础,对2009年7月和10月北极...     

2010年春季南极固定冰反照率变化特征及其影响因子

2010年春季至夏季在中山站附近的固定冰面开展了固定冰反照率观测.在春夏过渡期,观测期间的表面反照率呈下降趋势,平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62,整个观测期间的平均值为0.70.雪厚是影响反照率变化的重要因子,融化前期的反照率受表面温度影响较大,干雪期反照率对表面温度并不敏感.降雪可通过增加表面雪厚和减小表面积雪粒径显著增加反照率,云层则可通过吸收入射太阳光中的近红外波段增加反照率,降雪和阴天反照率可比晴天观测平均增加0.18和0.06;吹雪则可通过改变积雪光学厚度导致反照率发生显著变化.受太阳天顶角变化和积雪变性的共同影响,晴天或少云时的反照率在上午随太阳天顶角呈准线性递减,下午则几乎不发生变化;最高值、最低值分别出现在凌晨和下午.本文提出了一组分别表述厚干雪、薄干雪和湿雪反照率日变化的参数化方案,通过太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响.相比常数反照率方案,该参数化方案能有效提高对反照率日变化的估算能力.     

青藏高原隆起及海陆分布变化对亚洲大陆气候的影响

我们利用经过改进的NCARCCMI动力气候模式并综合出一个40～50MaB．P．的下垫面情景,进行了海陆分布和SST分布由古代到现代、青藏高原由隆起初期、隆起到现代高原一半和现代高度共5个情景的数值试验。结果表明,从古代到现代,模拟的中国气候是变冷的并且东部变湿而西北部变干。青藏高原的隆起是模拟出来的中国变冷的主要原因。青藏高原从隆起初期到隆起到现代高度一半时期中国地区降水是增加的,但当继续隆起后降水却有所减少,尤其是中国西北地区。本文还对海陆分布和SST分布变化以及青藏高原隆起对手风环流的影响作了分析。     

FGOALS_g1.1极地气候模拟

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发展的气候 系统模式FGOALS-g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估。结果表明,FGOALS- g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力。但也 注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题：(1) 模拟的海冰总面积北极偏多,而南 极偏少。北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海 海冰偏少。南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少。南北极海冰边缘都存在异常的较大范 围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著。(2) 海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附 近较大。北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成 其附近错误的海冰流场及厚度分布。这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的 联系。进一步分析表明,FGOALS-g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱, 其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差 。此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差。     

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSIM4), 形成新的耦合模式。在此基础上, 利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟, 来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用, 主要表现在:(1) 南北极海冰边缘碎冰区显著减少; (2) 南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善, 分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足: (1) 北大西洋海冰相对偏多, 北大西洋经圈翻转环流大大减弱, 这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的; (2) 南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外, 本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响, 结果表明, 相对于CCSM3短波辐射方案, Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷, 海冰厚度偏厚, 北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。     

Simulation of sea ice in FGOALS-g2: Climatology and late 20th century changes

Sea ice is an important component in the Earth’s climate system. Coupled climate system models are indispensable tools for the study of sea ice, its internal processes, interaction with other components, and projection of future changes. This paper evaluates the simulation of sea ice by the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model Grid-point Version 2 (FGOALS-g2), in the fifth phase of the Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP5), with a focus on historical experiments and late 20th century simulation. Through analysis, we find that FGOALS-g2 produces reasonable Arctic and Antarctic sea ice climatology and variability. Sea ice spatial distribution and seasonal change characteristics are well captured. The decrease of Arctic sea ice extent in the late 20th century is reproduced in simulations, although the decrease trend is lower compared with observations. Simulated Antarctic sea ice shows a reasonable distribution and seasonal cycle with high accordance to the amplitude of winter-summer changes. Large improvement is achieved as compared with FGOALS-g1.0 in CMIP3. Diagnosis of atmospheric and oceanic forcing on sea ice reveals several shortcomings and major aspects to improve upon in the future: (1) ocean model improvements to remove the artificial island at the North Pole; (2) higher resolution of the atmosphere model for better simulation of important features such as, among others, the Icelandic Low and westerly wind over the Southern Ocean; and (3) ocean model improvements to accurately receive freshwater input from land, and higher resolution for resolving major water channels in the Canadian Arctic Archipelago.     

利用南大洋漂流浮标数据评估AMSR-E SST

利用AOML(Atlantic Oceanographical and Meteorological Laboratory)SVP漂流浮标的海表面温度数据,针对30°S以南的南大洋海域,对目前主要使用的微波遥感产品(AMSR-E,Ad-vanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System)反演的SST进行了较为系统的评估。结果表明,AMSR-E SST比浮标数据偏冷,偏差为-0.01℃,标准差为0.70℃。夏季的偏差为0.004℃,标准差为0.64℃;冬季的偏差为-0.06℃,标准差为0.75℃,冬季的偏差和标准差较大。温差ΔT受流速影响,随着流速的增大而减小,且这种趋势在夏季更为显著。具备托伞结构的浮标与总体情况基本一致,而无托伞结构的浮标受流速的影响要大一些。同时,温差ΔT受水汽的影响,随着水汽的增加而减小,且这种影响在冬季更大一些。进一步对4个穿极和绕极浮标的追踪分析表明,温差ΔT受大洋海流系统的影响显著。在海流大的大西洋边界流和南极绕极流中,温差ΔT的不确定性要明显大于总体情况。     

南极沿岸固定冰观测与研究述评

南极固定冰的变化能够直接反映南极的局地气候变率,因此是数值模式验证的理想载体,对固定冰的观测研究结论也能用于评估南极海冰的年际变化。现今国际上对南极固定冰的观测和研究日渐丰富和深入,并逐渐形成了由多个国家参加的联合观测网。就海冰厚度、冰芯结构、表面辐射收支等现场测量和相机、卫星等遥感观测方面,总结了目前国内外南极固定冰观测的技术手段和研究进展,并分析了不同空间尺度上的南极固定冰年际变化特征。对南极固定冰观测研究目前存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。