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。     

LASG全球海洋—大气—陆面系统模式（GOALS／LASG）及其模拟研究

该文扼要介绍了ＬＡＳＧ第一版本全球海洋－大气－陆面系统模式（ＧＯＡＬＳ／ＬＡＳＧ）的发展和结构，及其对气候平均态，季节变化和年际变化的模拟，以及近期发展计划。     

LASG全球海洋-大气-陆面系统模式(GOALS/LASG)及其模拟研究

该文扼要介绍了ＬＡＳＧ第一版本全球海洋－大气－陆面系统模式（ＧＯＡＬＳ／ＬＡＳＧ）的发展和结构，及其对气候平均态、季节变化和年际变化的模拟，以及近期发展计划．     

气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

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。     

21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估II:年际变化

利用欧洲中期天气预报中心的ERA40再分析资料, 评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流年际变率的模拟能力,结果表明：（1）模式对东亚地区不同要素的年际变率模拟能力整体偏弱, 500 hPa高度场的模拟能力总体优于海平面气压场及850 hPa风场;（2）两大环流系统年际变率的模拟结果评估表明：就相关系数而言,副高强度、面积的模拟能力优于印度低压,多数模式能正确模拟出副高1970s后期增强的趋势;就标准差来看,模式对印度低压、印度低压东伸槽模拟效果相对较好;（3）评估三种季风指数的模拟能力结果显示,环流异常指数模拟效果略好,但多数模式都不能模拟出海陆气压差、经向风、环流异常季风指数的年际变化。     

一个灵活的海洋——大气耦合环流模式

Based on the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Climate System Model version 1(CSM-1), a Flexible coupled General Circulation Model version 0 (FGCM-0) is developed in this study through replacing CSM-1＇s oceanic component model with IAP L30T63 global oceanic general circulation model and some necessary modifications of the other component models. After the coupled model FGCM--0 is spun up for dozens of years, it has been run for 60 years without flux correction. The model does not only show the reasonable long-term mean climatology, but also reproduce a lot of features of the interannual variability of climate, e.g. the ENSO-like events in the tropical Pacific Ocean and the dipole mode pattern in the tropical Indian Ocean. Comparing FGCM-0 with the NCAR CSM-1, some common features are found, e.g. the overestimation of sea ice in the North Pacific and the simulated double ITCZ etc.The further analyses suggest that they may be attributed to errors in the atmospheric model.     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的20世纪气温变化

分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的快速耦合气候系统模式FGOALS_gl对近100年气温变化的模拟,讨论了20世纪气温变化的机理。结果表明,在自然因素和人为因素的共同强迫作用下,FGOALS_gl能够合理再现20世纪全球平均和纬向平均地表气温随时间的演变。利用太阳辐照度等自然强迫、温室气体和气溶胶等人为强迫因子来驱动耦合模式,能够模拟出过去100年全球平均气温的增温趋势和年代际变化。耦合模式可以较好地模拟出20世纪全球气温变化趋势的空间分布。对区域气温变化模拟效果的分析表明,除北大西洋外,FGOALS_gl对其他地区具有较高的模拟技巧,表明外强迫是造成多数地区气温变化的主要原因。FGOALS_gl的主要缺陷在于模拟的变暖强度偏弱,大气模式自身的偏差以及耦合模式对温室气体响应的敏感度偏低是造成上述缺陷的主要原因。总体而言,FGOALS_gl对20世纪气温变化的模拟效果较为理想,特别是在全球、半球和大陆尺度上,该模式对过去100年气温变化的模拟较为合理。     

气候系统模式对Hadley环流的模拟和未来变化预估

针对全球变暖背景下未来Hadley环流将如何变化这一问题,评估了气候系统模式对1970~1999年Hadley环流时空特征的模拟效能,并在此基础上选取能合理模拟Hadley环流空间结构、强度指数和边界指数变化的3个模式,通过多模式集合方法预估了未来Hadley环流在A1B排放情景下的可能演变。预估结果表明,在全球变暖背景下,相比于1970~1999年,到本世纪末期(2070~2099年),北半球Hadley环流在4个季节都将减弱,春季变化幅度相对较弱;南半球Hadley环流在冬季和夏季也会减弱,而在春季和秋季的变化不明显。另外,北半球Hadley环流的北边界除在夏季向南收缩外,在其它3个季节均向北伸展;南半球Hadley环流的南边界在4个季节均向极地方向移动。两个半球的Hadley环流在垂直方向还将向对流层上层伸展。       

IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式的纬向平均大气气候态分析(英文)

分海洋和陆地两种情况来讨论IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式（GOAL）四个版本的结果,并与观测资料进行对比分析。一些重要的大气变量包括表面空气温度,海平面气压和降水率用来评估GOALS模式模拟当代气候和气候变率的能力。总的来说,GOALS模式的四个版本都能够合理地再现观测到的平均气候态和季节变化的主要特征。同时评估也揭示了模式的一些缺陷。可以清楚地看到模拟的全球平均海平面气压的主要误差是在陆地上。陆地上表面空气温度模拟偏高主要是由于陆面过程的影响。值得注意的是降水率模拟偏低主要是在海洋上,而中高纬的陆地降水在北半球冬天却比观测偏高。 通过模式不同版本之间的相互比较研究,可以发现模式中太阳辐射日变化物理过程的引入明显地改善了表面空气温度的模拟,尤其是在中低纬度的陆地上。太阳辐射日变化的引入对热带陆地的降水和中高纬度的冬季降水也有较大改进。而且,由于使用了逐日通量距平交换方案（DFA）,GOALS模式新版本模拟的海洋上的温度变率在中低纬度有了改善。 比较观测和模拟的年平均表面空气温度的标准差,可以发现GOALS模式四个版本都低估了海洋和陆地上的温度变率,文中还对影响观测和模拟温度变率差异的可能原因进行了探讨。     

IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式的纬向平均大气气候态分析

分海洋和陆地两种情况来讨论IAP／LASG全球海－陆－气耦合系统模式（GOALS）四个版本的结果，并与观测资料进行对比分析，一些重要的大气变量包括表面空气温度，海平面气压和降水率用来评估GOALS模式模拟当代气候和气候变率的能力，总的来说，GOALS模式的四个版本都能够合理地再现观测到的平均气候态和季节变化的主要特征，同时评估也揭示了模式的一些缺陷，可以清楚地看到模拟的全球平均海平面气压的主要误差是在陆地上，陆地上表面空气温度模拟偏高主要是由于陆南过程的影响，值得注意的是降水率模拟偏低主要是在海洋上，而中高纬的陆地降水在北半球冬天却比观测偏高。通过模式不同版本之间的相互比较研究，可以发现模式中太阳辐射日变化物理过程的引入明显地改善了表面空气温度的模拟，尤其是在中低纬度的陆地上，太阳辐射日变化的引入对热带陆地的降水和中高纬度的冬季降水也有较大改进。而且，由于使用了逐日通量距平交换方案（DFA），GOALS模式新版本模拟的海洋上的温度变率在中低纬度有了改善。比较观测和模拟的年平均表面空气温度的标准度，可以发现GOALS模式四个版本都低估了海洋和陆地上的温度变率，中还对影响观测和模拟温度变率差异的可能原因进行了探讨。     

Seasonal Prediction of the Global Precipitation Annual Modes with the Grid-Point Atmospheric Model of IAP LASG

A right annual cycle is of critical importance for a model to improve its seasonal prediction skill. This work assesses the performance of the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG （GAMIL） in retrospective prediction of the global precipitation annual modes for the 1980 2004 period. The annual modes are gauged by a three-parameter metrics： the long-term annual mean and two major modes of annual cycle （AC）, namely, a solstitial mode and an equinoctial asymmetric mode. The results demonstrate that the GAMIL one-month lead prediction is basically able to capture the major patterns of the long-term annual mean as well as the first AC mode （the solstitial monsoon mode）. The GAMIL has deficiencies in reproducing the second AC mode （the equinoctial asymmetric mode）. The magnitude of the GAMIL prediction tends to be greater than the observed precipitation, especially in the sea areas including the Arabian Sea, the Bay of Bengal （BOB）, and the western North Pacific （WNP）. These biases may be due to underestimation of the convective activity predicted in the tropics, especially over the western Pacific warm pool （WPWP） and its neighboring areas. It is suggested that a more accurate parameterization of convection in the tropics, especially in the Maritime Continent, the WPWP and its neighboring areas, may be critical for reproducing the more realistic annual modes, since the enhancement of convective activity over the WPWP and its vicinity can induce suppressed convection over the WNP, the BOB, and the South Indian Ocean where the GAMIL produces falsely vigorous convections. More efforts are needed to improve the simulation not only in monsoon seasons but also in transitional seasons when the second AC mode takes place. Selection of the one-tier or coupled atmosphere-ocean system may also reduce the systematic error of the GAMIL prediction. These results offer some references for improvement of the GAMIL seasonal prediction skill.     

The Baseline Evaluation of LASG/IAP Climate System Ocean Model (LICOM) Version 2

The baseline performance of the latest version (version 2) of an intermediate resolution, stand-alone climate oceanic general circulation model, called LASG/IAP (State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics/Institute of Atmospheric Physics) Climate system Ocean Model (LICOM), has been evaluated against the observation by using the main metrics from Griffies et al. in 2009. In general, the errors of LICOM2 in the water properties and in the circulation are comparable with the models of Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (COREs). Some common biases are still evident in the present version, such as the cold bias in the eastern Pacific cold tongue, the warm biases off the east coast of the basins, the weak poleward heat transport in the Atlantic, and the relatively large biases in the Arctic Ocean. A unique systematic bias occurs in LICOM2 over the Southern Ocean, compared with CORE models. It seems that this bias may be related to the sea ice process around the Antarctic continent.     

BCC_CSM1.0模式对20世纪降水及其变率的模拟

应用国家气候中心气候系统模式 (BCC_CSM1.0),在给定温室气体、太阳常数、硫酸盐气溶胶、火山灰等外强迫数据的条件下,对19世纪末到20世纪气候进行模拟。对降水模拟结果的检验表明:BCC_CSM1.0模式能够模拟出全球降水的基本气候状态、季节变化、季节内振荡、年际变化等特征。模拟结果显示:与CMAP及CRU观测分析资料相比基本一致,全球陆地降水在过去一个多世纪中存在上升趋势。同时,模式也存在不足和需要改进之处:模拟降水的时空分布与观测不一致;我国东部地区的雨带季节转变较观测偏快;主要雨带位置较观测偏西、偏北;夏季青藏高原东北侧有虚假的降水中心;热带季节内振荡较实际偏弱;降水年际变率较观测略大,主要发生在降水较明显的热带。BCC_CSM1.0模式模拟的全球陆地降水以及欧亚、亚洲、中国大陆 (中国东部、江南、华北等地区) 平均降水与近105年由观测所得的CRU资料基本一致,但多数地区比观测略偏低。模拟的全球陆地、中国东部、江南、华北等地区的降水趋势也与CRU资料一致;模拟的全球陆地降水在过去105年中有明显的上升趋势,与CRU资料相比,上升趋势更强,但在欧亚、亚洲、中国范围内模拟的降水趋势与观测有一定的差异。     

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。     

Major modes of short-term climate variability in the newly developed NUIST Earth System Model (NESM)

A coupled earth system model(ESM) has been developed at the Nanjing University of Information Science and Technology(NUIST) by using version 5.3 of the European Centre Hamburg Model(ECHAM), version 3.4 of the Nucleus for European Modelling of the Ocean(NEMO), and version 4.1 of the Los Alamos sea ice model(CICE). The model is referred to as NUIST ESM1(NESM1). Comprehensive and quantitative metrics are used to assess the model's major modes of climate variability most relevant to subseasonal-to-interannual climate prediction. The model's assessment is placed in a multi-model framework. The model yields a realistic annual mean and annual cycle of equatorial SST, and a reasonably realistic precipitation climatology, but has difficulty in capturing the spring–fall asymmetry and monsoon precipitation domains. The ENSO mode is reproduced well with respect to its spatial structure, power spectrum, phase locking to the annual cycle, and spatial structures of the central Pacific(CP)-ENSO and eastern Pacific(EP)-ENSO; however, the equatorial SST variability,biennial component of ENSO, and the amplitude of CP-ENSO are overestimated. The model captures realistic intraseasonal variability patterns, the vertical-zonal structures of the first two leading predictable modes of Madden–Julian Oscillation(MJO), and its eastward propagation; but the simulated MJO speed is significantly slower than observed. Compared with the T42 version, the high resolution version(T159) demonstrates improved simulation with respect to the climatology, interannual variance, monsoon–ENSO lead–lag correlation, spatial structures of the leading mode of the Asian–Australian monsoon rainfall variability, and the eastward propagation of the MJO.     

海气耦合气候模式对大气中水汽输送、辐散辐合与海气间水通量交换的模拟

基于ECMWF再分析结果对LASG第三代全球海洋-大气-陆地耦合系统模式(GOALS)的两个版本和第四代耦合气候模式初始版(FGCM-0)所模拟的大气水汽输送与辐散辐合特征、海气间水通量交换,进行了评估分析.结果表明:(1)对垂直积分的水汽通量场的流函数及其对应的无辐散水汽通量矢量的模拟,三个耦合模式都能够较为合理地再现副热带大洋的涡旋结构、中纬度西风带的东向水汽输送、赤道东风带的西向水汽输送和东亚夏季风水汽输送等行星尺度特征及其季节变化,只是GOALS的涡旋位置、FGCM-0的涡旋中心强度,较之实际略有偏差.(2)反映在垂直积分的水汽通量场的势函数和对应的无旋水汽矢量上,对南北半球副热带大洋水汽辐散区、热带辐合带(ITCZ)、东亚夏季风区强烈的水汽辐合特征等的模拟,FGCM-0的结果相对合理.GOALS的热带辐合中心过于集中在印度尼西亚群岛附近,东亚夏季风水汽辐合中心偏南.(3)关于海气水通量交换,FGCM-0较为理想地再现了副热带的净蒸发、ITCZ和中高纬度的净降水特征以及夏季ITCZ的季节性北移,但对南太平洋辐合带(SPCZ)、副热带南大西洋的净蒸发特点,以及阿拉伯海和盂加拉湾季节变化的差异,模拟结果不理想.FGCM-0在模拟SPCZ上的偏差,是由海气耦合过程造成的.GOALS未能合理再现ITCZ和SPCZ降水大于蒸发的特点,其净降水集中在西太平洋暖池区;但对副热带南大西洋、北印度洋水通量季节变化的模拟相对合理.     

航空短期区域气候模式预测系统研究

基于国家气候中心的海气耦合业务预测系统CGCM_1.1的预测资料产品,集成并完善了一个单向嵌套的、中尺度海气耦合的区域气候模式ASRegCM,并以其为数值计算核心,建立了一套航空短期区域气候预测业务系统ASRCPOS。对1983～2002年（共20年）的回报试验结果显示,ASRCPOS业务预测水平较前期统计预测为主业务系统的预测水平有一定程度的提高。尤其是在对连续型变量地面气温的距平,以及对非连续型变量地面降水的距平量级预测能力方面,该动力业务系统预测能力较前期业务系统有所改善。回报结果同时显示,业务系统在异常天气气温的预测方面存在较大的改进空间,对月以下时间尺度预报的解释应用方面仍存在一定的局限。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。