大气季节内振荡的数值模拟比较研究

用国内外两个较好的大气环流模式、在观测海表温度的强迫下进行了长时间(1978-1989年)的数值积分,然后对数值模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料进行比较分析,其结果清楚表明,模式模拟结果的均方根误差中有30%-40% 是来自于模拟的大气季节内振荡的均方根误差.尤其是,大气季节内振荡模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致.对热带地区大气季节内振荡动能的模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料的比较分析表明,其差异也十分明显,说明模式对热带大气季节内振荡的模拟能力也还比较差.因此可以认为,大气季节内振荡在天气气候模拟中极为重要,而如何在数值模式中模拟好大气季节内振荡还需要进行很好地研究.     

谱模式SAMIL对南亚季风区大气季节内振荡向北传播的模拟

基于与NCEP资料结果的比较,研究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发展的大气环流模式SAMIL对夏季南亚季风区季节内振荡（ISO）向北传播特征的模拟,并结合目前对ISO北传机制的理解对模拟结果进行了分析讨论。SAMIL在夏季南亚地区模拟出相当强度的季节内振荡的活动,并且模拟的ISO也表现出与NCEP资料相似的从赤道向北传播的特征,但传播的速度要慢于NCEP资料的结果。模拟的北传ISO具有与NCEP资料相似的结构特征,涡度和水汽场明显的呈经向不对称,涡度和水汽的正异常位于ISO对流的北面,最大的上升运动和最强的行星边界层辐合也位于ISO对流的北面。ISO 结构的经向不对称性正是模式模拟的ISO具有向北传播特征的原因;而模式对夏季南亚季风区高低层风场和行星边界层水汽的合理模拟起了关键的作用。同时,根据关于ISO北传机理的已有研究,模式的结果也表明南亚地区夏季风场的垂直结构是那里ISO向北传播的重要机制。     

热带大气季节内振荡的一个数值模拟研究

文中分析了中国科学院大气物理研究所全球气候谱模式ALGCM (R4 2L9) 12a(1978～ 1989年 )积分的逐日输出结果 ,并与 1978～ 1989年的逐日NCEP资料对照 ,以此对热带季节内振荡 (30～ 6 0d振荡 )进行数值模拟研究。分析表明 ,该模式在热带地区可以模拟出明显的季节内振荡 (ISO)的准周期信号 ,并抓住了热带ISO的基本传播特征 ,能较好地再现东、西半球传播速度的差异 ,同时模式模拟存在东传要好于西传 ,冬、春季的模拟要好于夏、秋季的现象。该模式模拟的热带ISO的强度较许多大气模式明显提高 ,尤其是对 2 0 0hPa上ISO动能强度的模拟。模式基本模拟出了ISO低层辐合、高层辐散的水平风场特征。模式较好地再现了热带ISO纬向风的垂直结构。此外 ,观测资料表明热带ISO在冬、春强 ,而夏、秋弱的季节性倾向与ISO的年际变化相联系 ,模拟的ISO在季节性倾向偏差上表现为冬、夏相对强 ,而春、秋相对弱。垂直速度、散度、水汽等物理量的配置同NCEP资料的结构特征仍有明显差异 ,模拟的ISO空间分布也不太理想 ,表明要很好模拟ISO结构和空间分布特征 ,还须做不少工作。     

大气中的季节内振荡

本文依据最新的分析研究结果,系统地讨论了大气中的季节内(30—60天)振荡。内容包括大气季节内振荡的全球分布特征;热带大气30—60天振荡的基本特征;中高纬度大气30—60天振荡;热带和中高纬度大气30—60天振荡的相互影响;以及大气季节内振荡的动力学机制。 本文不仅对热带大气30—60天振荡提出了一些新的研究结果,特别是关于中高纬度大气30—60天振荡的讨论,以及关于热带和中高纬度大气30—60天振荡主要通过低频波列相互联系和相互影响的研究,将使我们对大气季节内振荡有比较全面的认识。     

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征,热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和El Nino的关系,MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景.     

全球大气季节内振荡的机制研究

本文利用经过滤波的1980—1988年欧洲中心资料及1980—1983年OLR滤波资料,初步分析了全球大气季节内振荡的机制,得到如下结果:全球大气的季节内振荡有内在联系。赤道区域势函数场的季节内振荡表现为行星波的东传。OLR场在60E—150W范围有东传,60W—0有明显的40—50天振荡。散度场则表现为散度中心的孤立局地振荡。在季节内时间尺度上,暖水域上OLR振荡中心与散度振荡中心相对应;冷水域上散度振荡中心则没有OLR振荡中心对应。低纬散度场的40—50天振荡与中高纬季节内振荡有很好的相关。低纬区域60E—150W与60W—0范围的OLR季节内振荡可能是南北半球中高纬大气季节内振荡的源。     

IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟评估

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的模拟结果,评估了IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。分析结果表明IAP AGCM4.0模式可以在一定程度上模拟出热带大气季节内振荡的主要时空谱结构特征,在周期30~80天处存在明显的谱能量中心;模式模拟的季节内振荡东传的主要特征与观测基本一致,东移波的能量远大于西移波。基于RMM指数(All-season Real-time Multivariate MJO Index)的分析表明,模式模拟的850 h Pa和200 h Pa季节内尺度风场和对流活动在赤道地区的空间分布与观测基本一致。但与观测相比,模式模拟的热带大气季节内振荡的周期较短,东传速度快于观测,虚假的西传特征过强,对流活跃区域范围较小、强度较弱。就非绝热加热而言,模式模拟结果与再分析资料比较接近,但最大加热在印度洋和西太平洋地区出现的位相较晚。进一步分析表明,模式中影响对流触发的相对湿度阈值(RHc)的不同取值(RHc分别取为85%、90%、95%和100%),可以显著影响热带大气非绝热加热垂直廓线,从而影响模式对热带大气季节内振荡的模拟;当对流触发相对湿度阈值取为90%时,IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡模拟的能力相对最好,非绝热加热垂直廓线在不同位相的分布特征也与再分析资料最为接近。这说明模式对流参数化方案中不同参数的合适选取,可以改进模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。     

IAP9L AGCM中大气季节内振荡的时空特征

根据IAP9LAGCM10年积分850hPa纬向风的逐日输出结果,应用Morlet小波分析方法,研究了该模式中的大气季节内振荡(MJO),结果表明该模式能抓住热带MJO的基本时空特征,模式中MJO的显著周期为36天;另外还分析了16～64天重构信号的时间经度剖面图,发现该MJO为东传,这与实际较一致;最后用EOF方法分析了模式大气中850hPa5天平均速度势,揭示出该MJO在全球表现为行星尺度1波和2波的特征。     

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。     

Simulations of the Tropical Intraseasonal Oscillation by the Atmospheric General Circulation Model of the Beijing Climate Center

The performance of BCC (Beijing Climate Center) AGCM 2.0.1 (Atmospheric General Circulation Model version 2.0.1) in simulating the tropical intraseasonal oscillation (TIO) is examined in this paper.The simulations are validated against observation and compared with the NCAR CAM3 (Community Atmosphere Model version 3) results.The BCC AGCM2.0.1 is developed based on the original BCC AGCM (version 1) and NCAR CAM3.New reference atmosphere and reference pressure are introduced into the model.Therefore,the origi...     

北京气候中心大气环流模式对季节内振荡的模拟

初始条件记忆和下垫面条件是延伸期可预报性的主要来源,它们在不同时段、不同区域的相对作用存在明显不同。利用中国国家气候中心最新一代大气环流模式BCC_AGCM,设计了由4组不同大气初值与海温边值构成的组合试验,研究了（大气）初值与（海温）边值对全球不同区域延伸期预报的相对作用。结果显示,模式预测技巧在3周以内强烈依赖于初值。在相同的边值条件强迫下,不同初值在月内尺度上的预测技巧差异非常明显,且在更长的时间尺度上,初值仍然能够提供一定的预测信息。从全球来看,边值强迫对预测技巧的影响从一周左右开始。在低层的850 hPa高度场上,边值的作用在热带地区于第4-5候与初值相当,其他区域的边值影响达到与初值相当的时间滞后于热带地区;在北半球500 hPa高度场上,边值的作用在热带地区第5候前后达到与初值作用相当,其他区域这个时间则推迟至第6候前后,比对低层的影响时间滞后1-2候;对于东亚地区而言,边值的贡献在第2候就已显现,对预测技巧产生了明显的改进。在延伸期尺度上,边值强迫主要作用的区域为低纬度区域,且对500 hPa高度场的影响更为稳定,在该区域第5候以后有较为明显的改进。初值与边值对延伸期预报都具有相当重要的作用,认识初、边值条件的相对作用能够为延伸期预报的改进奠定基础。     

An Overview of BCC Climate System Model Development and Application for Climate Change Studies

This paper reviews recent progress in the development of the Beijing Climate Center Climate System Model(BCC-CSM) and its four component models(atmosphere,land surface,ocean,and sea ice).Two recent versions are described:BCC-CSM1.1 with coarse resolution(approximately 2.8125°×2.8125°) and BCC-CSM1.1(m) with moderate resolution(approximately 1.125°×1.125°).Both versions are fully coupled climate-carbon cycle models that simulate the global terrestrial and oceanic carbon cycles and include dynamic vegetation.Both models well simulate the concentration and temporal evolution of atmospheric CO_2 during the 20th century with anthropogenic CO2 emissions prescribed.Simulations using these two versions of the BCC-CSM model have been contributed to the Coupled Model Intercomparison Project phase five(CMIP5) in support of the Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) Fifth Assessment Report(AR5).These simulations are available for use by both national and international communities for investigating global climate change and for future climate projections.Simulations of the 20th century climate using BCC-CSMl.l and BCC-CSMl.l(m) are presented and validated,with particular focus on the spatial pattern and seasonal evolution of precipitation and surface air temperature on global and continental scales.Simulations of climate during the last millennium and projections of climate change during the next century are also presented and discussed.Both BCC-CSMl.l and BCC-CSMl.l(m) perform well when compared with other CMIP5 models.Preliminary analyses indicate that the higher resolution in BCC-CSM1.1(m) improves the simulation of mean climate relative to BCC-CSMl.l,particularly on regional scales.     

北京气候中心气候系统模式研发进展——在气候变化研究中的应用

较全面地介绍了北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)研发所取得的一些进展及其在气候变化研究中的应用,重点介绍了全球近280 km较低分辨率的全球海-陆-气-冰-生物多圈层耦合的气候系统模式BCC_CSM1.1和110 km中等大气分辨率的BCC_CSM1.1(m),以及大气、陆面、海洋、海冰各分量模式的发展。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)气候系统模式均包含了全球碳循环和动态植被过程。当给定全球人类活动导致的碳源排放后,就可以模拟和预估人类活动对气候变化的影响。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)已应用于IPCC AR5模式比较,为中外开展气候变化机理分析和未来气候变化预估提供了大量的试验数据。还介绍了BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)参与国际耦合模式比较计划(CMIP5)的大量试验分析评估结果,BCC_CSM能够较好地模拟20世纪气温和降水等气候平均态和季节变化特征,以及近1000年的历史气候变化,所预估的未来100年气候变化与国际上其他模式的CMIP5试验预估结果相当。初步的分析表明,分辨率相对高的BCC_CSM1.1(m)在区域气候平均态的模拟上优于分辨率较低的BCC_CSM1.1。     

Evaluation of spring persistent rainfall over East Asia in CMIP3/CMIP5 AGCM simulations

The progress made fi＇om Phase 3 to Phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP3 to CMIP5） in simulating spring persistent rainfall （SPR） over East Asia was examined from the outputs of nine atmospheric general circulation models （AGCMs）. The majority of the models overestimated the precipitation over the SPR domain, with the mean latitude of the SPR belt shifting to the north. The overestimation was about 1mm d-1 in the CMIP3 ensemble, and the northward displacement was about 3°, while in the CMIP5 ensemble the overestimation was suppressed to 0.7 mm d-i and the northward shift decreased to 2.5°. The SPR features a northeast-southwest extended rain belt with a slope of 0.4°N/°E. The CMIP5 ensemble yielded a smaller slope （0.2°N/°E）, whereas the CMIP3 ensemble featured an unre- alistic zonally-distributed slope. The CMIP5 models also showed better skill in simulating the interannual variability of SPR. Previous studies have suggested that the zonal land-sea thermal contrast and sensible heat flux over the southeastern Tibetan Plateau are important for the existence of SPR. These two ther- mal factors were captured well in the CMIP5 ensemble, but underestimated in the CMIP3 ensemble. The variability of zonal land-sea thermal contrast is positively correlated with the rainfall amount over the main SPR center, but it was found that an overestimated thermal contrast between East Asia and South China Sea is a common problem in most of the CMIP3 and CMIP5 models. Simulation of the meridional thermal contrast is therefore important for the future improvement of current AGCMs.     

Dependence of the agcm climatology on the method of prescribing surface boundary conditions and its climatological implication

By using IAP 9L AGCM, two sets of long-term climatological integration have been per-formed with the two different interpolation procedures for generating the daily surface boundary conditions. One interpolation procedure is the so-called “traditional” scheme, for which the daily surface boundary conditions are obtained by linearly interpolating between the observed monthly mean values, however the observed monthly means cannot be preserved after interpolation. The other one is the “new” scheme, for which the daily surface boundary conditions are obtained by linearly interpolating between the "artificial" monthly mean values which are based on, but are dif-ferent from the observed ones, after interpolating with this new scheme, not only the observed monthly mean values are preserved, the time series of the new generated daily values is also more consistent with the observation. Comparison of the model results shows that the differences of the globally or zonally averaged fields between these two integrations are quite small, and this is due to the compensating effect between the different regions. However, the differences of the two patterns (the global or regional geographical distributions), are quite significant, for example, the magni-tude of the difference in the JJA mean rainfall between these two integrations can exceed 2 mm/day over Asian monsoon regions, and the difference in DJF mean surface air temperature can also exceed 2oC over this region. The fact that the model climatology depends quite strongly on the method of prescribing the daily surface boundary conditions suggests that in order to validate the climate model or to predict the short-term climate anomalies, either the " new* interpolation scheme or the high frequency surface boundary conditions (e.g., daily or weekly data instead of the monthly data) should be introduced. Meanwhile, as for the coupled model, the daily coupling scheme between the different component cli?mate models (e.g., atmospheric and oceanic general circulation models) is preferred in order to partly eliminate the “climate drift” problem which may appear during the course of direct coupling.     

基于GPU-OpenACC的气候模式加速优化研究

为使数值模式适应异构架构在高性能计算领域的快速发展趋势,本文基于OpenACC语言,对气候模式BCC_AGCM3.0中动力框架三段程序段进行GPU加速优化试验。通过异步执行设置、循环内移、数据管理及向量参数化配置等方式,对模式中计算密集部分程序段进行GPU加速并行化,并进行了优化运行效率对比及正确性验证。试验结果表明,BCC_AGCM3.0模式中三段程序段GPU加速后效率提升均在3倍以上,BCC_AGCM气候模式全球涡度均方根相对误差控制在一定范围之内。加速方法及策略对于数值天气气候模式在异构环境下的移植与优化具有一定参考价值。     

Evolution of intraseasonal oscillation over the tropical western pacific / south china sea and its effect to the summer precipitation in southern china{1{

In this paper, the evolution of intraseasonal oscillation over the South China Sea and tropical western Pacific area and its effect to the summer rainfall in the southern China are studied based on the ECMWF data and TBB data) analyses. A very low-frequency waves exist in the tropics and play an important role in dominating intraseasonal oscillation and lead to special seasonal variation of intraseasonal oscillation over the South China Sea / tropical western Pacific area. The intraseasonal oscillation (convection) over the South China Sea and tropical western Pacific area is closely related to the summer rainfall (convection) in the southern China. Their relationship seems to be a seesaw feature, and this relationship resulting from the different pattern of convection in those two re-gions is caused by the different type of local meridional circulation     

副热带北太平洋大气季节内振荡时空特征的诊断研究

用时空谱分析和小波变换方法,对1958—2002年NCEP/NCAR再分析资料经、纬向风速和位势高度的年时间序列进行了波谱分析,并重点研究了北太平洋副热带区域经向风30—60天振荡(ISO)的时空特征。研究结果表明,北半球经向风与纬向风和位势高度的30—60天振荡特征迥然不同,代表风场经向低频扰动的经向风ISO在副热带和中高纬度最为活跃,而在热带地区的活动十分微弱;北半球副热带850 hPa高度场和纬向风在10—90天内(季节内)振荡的主要能量集中在纬圈波数为1、周期为30—60天的波动上,而850 hPa经向风季节内振荡的主要能量集中在纬圈波数为4—6、周期为30—60天以及70—90天的波动上,上述3个物理量30—60天振荡向西传播的能量都强于向东传播的能量。一年当中,东亚到北太平洋的副热带地区,经向风ISO在东亚—西北太平洋与东北太平洋两个区域的活动最强,且在这两个区域存在明显的季节振荡,即东北太平洋的ISO在冬季最强在夏季最弱,而东亚—西北太平洋区域的ISO在夏季最强冬季最弱。850 hPa经向风ISO的年际和年代际变化分析表明,在东亚副热带区域其活动1958—1975年较强,1976—1990年明显减弱,而1991—2000年最强;其在ENSO发生期间有较为明显的异常活动,但其强弱变化没有显著的定势,然而2—7年的带通滤波分析表明西北太平洋ISO的年际活动含有较显著的ENSO信号,9年的低通滤波分析表明,年代际时间尺度上,西北太平洋ISO的活动与ENSO循环有较为显著的反相关特征,而东北太平洋区域ISO与ENSO循环有较为显著的正相关关系。