气候系统及模式中反馈机制研究 I.概念和方法

气候系统中存在着各种各样的气候反馈机制,而气候模式对这些反馈机制描述的差异,正是造成不同模式对同一直接辐射强迫（如二氧化碳加倍）的响应不同的主要原因。因此,只有正确描述气候系统中的各种反馈作用,气候模式才可能用来对未来的气候变化进行预测。为此,本文首先介绍了气候系统及模式反馈机制分析研究时所常用的一些概念,如气候敏感性参数、云辐射强迫等,随后概述了气候模式反馈机制比较分析时常用的各种方法,并指出了这些方法各自的优缺点。而详细的有关气候系统及模式中反馈作用及其机制的分析则在文章的第ＩＩ部分给出。     

一堆气候模式的灵敏度分析

在本文中我们设计了一个只有垂直方向的一维气候模式。该模式可以用来研究大气中CO_2气体浓度从330增加到660ppm时地面温度的变化。同时我们将分析几个反馈机制对气候系统灵敏度的贡献,其中包括大气湿度反馈、云反馈和地面反射率反馈等机制。     

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。     

BCC_CSM气候系统模式移植优化及其气候模拟验证

为了提高BCC_CSM气候系统模式运行效率,保障业务科研工作的顺利开展,进行BCC_CSM气候系统模式在IBM高性能计算系统的移植工作;通过性能优化使BCC_CSM模式运行效率显著提高,通过气候要素形势场分布和相对误差量化指标对BCC_CSM气候系统模式模拟性能进行验证。结果表明：移植优化后,BCC_CSM气候系统模式计算效率提高为原来的1.4倍;基于CMIP5 piControl试验,完成531-540年10 a的气候模拟,年平均地表气温形势场分布合理,相对误差小于0.5%,BCC_CSM气候系统模式计算和模拟性能均能满足应用需求。     

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。     

气候系统模式简介

我国的天气气候受到南亚季风和东亚季风系统的综合影响,受到复杂的地形强迫和海-陆-气相互作用,年际和年代际气候变化都很显著,且区域差异明显,气候灾害多发。近年来,在全球变暖背景下我国的洪涝干旱等气候灾害和极端气候事件发生更加频繁,造成的社会经济损失日趋严重,成为影响我国经济发展、社会进步和人民安康的重要因素之一。     

LASG/IAP和BCC大气环流模式模拟的云辐射强迫之比较

通过与ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project)逐月辐射资料的比较,本文从气候态和对ENSO响应的角度,评估了国内的三个大气环流模式BCC AGCM、IAP GAMIL和IAP SAMIL对云辐射强迫的模拟能力,讨论了影响模拟结果不确定性的因素.分...     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式与气候系统内反馈机制的研究

鉴于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论:（1）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（2）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（3）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（4）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，其正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。(5)大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（6）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种非线性方式相互作用。     

FGOALS2两个模式版本对青藏高原东侧冬季层云的模拟特征

冬季青藏高原东部（22°N～32°N，102°E～118°E）层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区，环流特征较为复杂，大多数耦合气候系统模式对该地区层云的模拟存在较大的偏差。对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要基础。本文基于国际卫星云计划（ISCCP）卫星资料，评估了中国科学院大气物理研究所两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验（AMIP）对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系，探讨了模式偏差的可能原因。结果表明，两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。在垂直结构模拟方面，FGOALS-s2模式能较好地模拟出高原东侧低云主导的特征，其模拟的云顶高度与卫星资料更为接近；而FGOALS-g2模式则高估了该地区的平均云顶高度。分析表明，两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度，同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送，导致层云云量的模拟偏少。此外，FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送，使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。     

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维。气候模式与气候系统内反馈机制的研究

紧于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在，气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论：（１）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（２）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（３）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（４）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，共正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。（５）大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（６）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种北线性方式相互作用。     

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。     

IAP第四代大气环流模式的耦合气候系统模式模拟性能评估

本文首先扼要介绍了基于中国科学院大气物理研究所(简称IAP)第四代大气环流模式的新气候系统模式-CAS-ESM-C(中国科学院地球系统模式气候系统模式分量)的发展和结构,之后主要对该模式在模拟大气、海洋、陆面和海冰的气候平均态、季节循环以及主要的年际变率等方面的能力做一个初步的评估.结果表明:模式没有明显的气候漂移,各...     

全球气候模式（GCM）对辐射强迫的响应

长波辐射加热（ＬＷＲＨ）对气候预报有显著作用，文章比较了６种取自ＧＣＭ的ＬＷＲＨ算法所产生的加热率廓线，表明在有云情况下，ＬＷＲＨ算法对输入变量的敏感性。ＬＷＲＨ算法对ＧＣＭ变化的敏感性测试结果表明，加热率强烈地依赖于模式截断，模式变化（包括长波辐射ＬＷＲ算法）和地表强迫（ＳＳＴ）。引入假观测评价各种ＬＷＲ算法所产生加热率的精确性，在ＣＣＭ２模式中应用ＮＣＡＲ原版本和移植的ＥＣＭＦＷ方案计算了ＬＷ     

多参数非线性零维气候系统的研究

在Ｂｕｄｙｋｏ零维模式的基础上,提出了多参数非线性零维气候模式,并讨论地球放射率、反照率、大气透射对气候生态行为的影响。结果表明：各参数之间的约束关系决定了系统平衡态的大小及其稳定性。太阳辐射Ｉ０和光学厚度的增大、云放射率的增大或云量的增大均是导致气候异常的重要因素。得星反射率α０、大气放射率及ＣＯ２放射率的增大则可有利于气候的稳定。所以,对气候态的稳定性而言ＣＯ２的增加可能是一有利因素。反照率线     

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。       

海气耦合模式FGOALS_gl模拟的水汽和云辐射反馈过程

本文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数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的快速耦合模式FGOALS_gl对低纬太平洋区域水汽温室效应(Ga)和云辐射强迫特征的模拟能力,讨论了模拟偏差的成因.结果表明,FGOALS_gl能合理再现Ga、云辐射强迫的气候态空间分布特征,但也存在明显的偏差.模式低估了冷...     

一维辐射-对流模式对云辐射强迫的数值模拟研究

利用一维辐射－对流气候模式, 详细研究了云量、云光学厚度以及云高等要素的变化对大气顶和地面太阳短波辐射和红外长波辐射通量以及云的辐射强迫的影响, 给出了计算这些物理量的经验拟合公式。结果表明, 云具有极为重要的辐射－气候效应。云量、云光学厚度以及云高即使只有百分之几的变化, 所带来的辐射强迫也可以与大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫（3.75 W/m2）相比拟。例如, 当分别给它们+3%的扰动时, 即取云量变化0.015, 云光学厚度变化0.27, 以及云高变化0.15 km时（在实际的地球大气中, 这种尺度的变化是完全可能发生的）, 那么,可以得到地气系统的太阳短波辐射强迫-3.10 W/m2以及红外长波辐射强迫-1.77 W/m2, 二者之和为-4.78 W/m2, 已经完全可以抵消大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫。但是, 当云量、云光学厚度以及云高向相反方向产生类似扰动时, 所产生的辐射强迫可能极大地放大二氧化碳浓度增加所产生的增强温室效应。因此, 研究结果揭示出, 不管是为了解释过去的气候变化, 还是预测未来的气候变化, 亟待加强在一个变化了的气候环境（例如地面温度升高）下, 云将发生何种变化的研究。     

CICE海冰模式中反照率相关参数对北极海冰模拟的影响

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0最新耦合了美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0,为试验模式中与反照率相关参数的敏感性及其对模拟结果的影响,提高模式对北极海冰的模拟能力,选取海冰模式中3个主要参数进行了敏感性试验。利用以BCC_CSM2.0耦合框架为基础建立的海冰-海洋耦合模式,选取CORE资料为大气强迫场开展试验,试验的3个参数分别为冰/雪表面反射率、雪粒半径和雪粒半径参考温度。结果表明,参数取值的不同对北极海冰的模拟有显著的影响,优化后的取值组合极大提高了模式的模拟能力,主要表现在:（1）改善了对北极冬季海冰厚度的模拟,海冰厚度增大,与观测资料更为吻合;（2）显著提高了对北极夏季海冰密集度的模拟能力,从而模拟的北极海冰范围年际循环与观测更为一致。参数取值的优化改进了模式对海冰反照率的模拟,进而影响了冰面短波辐射的吸收和海冰表层的融化,最终提高了模式对海冰密集度和厚度的模拟效果。