全球海洋模式对CFC-11分布的初步模拟研究

使用中国科学院大气物理研究所(IAP)三十层全球海洋模式(L30T63)研究了CFC-11在全球海洋中的吸收和分布,初步讨论了决定其分布特征的可能因素.该模式采用自由表面结构和Gent-McWilliams中尺度示踪物参数化方案.通过对控制试验得到的CFC-11模拟结果分析可知,CFC-11海表浓度受温度影响显著,其分布形状大致与温度相似,但梯度相反.通量的分布受温度影响很大,且表现出很明显的季节变化特征,如不饱和区一般出现在冬季海区的中层水形成处或者强对流混合存在的区域.另外,对CFC-11的模拟结果与三个大洋的五个断面航测资料做了对比,发现模拟结果与观测资料吻合较好,能比较清楚地反映CFC-11输送与等密度面垂直分布以及环流场的密切关系,如在南大洋50°S以北至35°S以南等密度面的向下加深区是CFC-11的主要贮存区等.与大多数前人的工作相比,该模拟结果较好地反映了CFC-11在南大洋的分布特征.从这些反映出该模式对于大洋十年尺度物质交换与海洋内部输送的模拟是比较准确的.     

全球海洋CFC-11吸收对传输速度的敏感性

本文在中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋模式(LICOM)中使用五个不同的海气交换的气体 传输速度公式对CFC-11(一氟三氯甲烷)在海洋中的分布和吸收做了模拟。讨论了不同气体传输速度的差异, 发现差异最大的两个公式得到的全球年平均传输速度相差81%。对CFC-11的海表浓度分布、海气通量、水柱总量、海水累积吸收量以及在大洋断面的垂直浓度分布进行了分析。分析结果显示, 使用Liss and Merlivat (1986) 的传输速度公式的试验在海气通量和海洋吸收总量的模拟上均小于其他试验, Nightingale et al. (2000)、Ho et al. (2006) 和Sweeney et al. (2007) 等的公式虽然全球年平均值相近, 但在高风速地区Nightingale et al. (2000) 公式的传输速度要小于后两者, 导致了使用该公式的试验模拟结果在主吸收区和存储区的强度比后二者偏小。Wanninkhof (1992) 的公式在形式上与Ho et al. (2006) 以及Sweeney et al. (2007) 的公式一致, 但在系数上存在差别, 这使得模拟的水柱总量在南大洋的分布明显好于其他试验, 尽管其最大值仍比观测资料略小。在海洋累积吸收量的计算上, 使用Wanninkhof (1992) 传输速度公式得到的模拟结果比观测资料小8%左右。计算了Liss and Merlivat (1986) 和Wanninkhof (1992) 的传输速度公式模拟的单年吸收量相对差, 其总体上一直保持持续下降的趋势, 到2007年仅为2%。从该相对差变化趋势看, 在最初的前10年, 海气CFC-11交换通量对海气交换传输速度的敏感性更强, 而在更长时间的模拟上, 海洋对CFC-11的吸收则更依赖于物理模式的通风速率。通过对CFC-11垂直断面分布的分析可知, 不同的传输速度在主要吸收区的不同导致了一定的垂直分布差异。基于本文的结果可以认为Wanninkhof (1992) 的海气气体传输速度公式更适合本模式对CFC-11的模拟。     

中尺度涡旋混合参数空间变化对物理场以及CFC-11模拟的影响

本文选用中国科学院大气物理研究所全球海洋模式(LICOM),对中尺度涡旋参数化方案(GM90方案)中等密度扩散系数和等密度面厚度扩散系数(统称为涡旋扩散系数A_ρ)对物理场及CFC-11(一氟三氯甲烷)分布的影响进行了研究。本文做了两个试验,即涡旋扩散系数采用常系数方式(对照试验)和采用在非绝热层以下A_ρ随海洋浮力频率垂直变化的参数化方案(浮力试验)。模拟结果表明,依浮力频率垂直变化的方案对模式物理场的模拟能力有一定程度的提升,如南极绕极流的输送强度比常系数方案增大了约20%~30%,与观测事实更接近;浮力试验对对照试验中过强的南极中层水有一定的削弱作用,使得模式对南大洋高纬次表层位密度的模拟有一定的改善。稍有不足的是,浮力试验对南极底层水也有一定的削弱,使得2000~3000 m深度位密度模拟较常系数方案偏低。通过对CFC-11分布、存储以及输送的研究发现,次网格参数取值的不同对南大洋CFC-11模拟情况有较大影响。浮力试验加大了南北高纬CFC-11海表的吸收通量,对南极大陆周边海域向南大洋主储藏区(34°S~60°S)的CFC-11输送能力有一定的增强,使得南大洋对CFC-11储藏量增大,大部分海区与观测资料更接近。通过CFC-11断面分析,浮力试验对南大洋上层海洋位密度模拟的改善使得CFC-11垂直结构与观测更接近。     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为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开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

全球海洋环流模式中氚分布的模拟

氚（3H）作为一种重要的被动示踪物,经常被用于研究海洋中的物理过程及评估海洋环流模式的模拟性能。使用一个全球海洋环流模式（LICOM）来研究氚在海洋中的分布、存储和输送。模拟的全球氚通量表明,1975年之前氚主要由海气交换输入海洋,特别是在1963年,氚的气体交换输入约为降水输入的2.5倍,1975年之后两种方式的氚输入通量都大幅减少。比对GEOSECS（Geochemical Ocean Sections Study,1972～1978年）和WOCE （World Ocean Circulation Experiment,1989～1995年）大洋观测计划期间的观测资料发现,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要缺点在于模拟的氚向深层的穿透不足,特别是在全球的两个副热带地区,表现尤为明显,氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模式给出的海洋中氚储存总量的结果与基于观测得到的结果比较吻合,如北太平洋海区：1973～1974年模拟结果约为20.4 kg,相同期间观测估计值为21.1±4.7 kg,1989～1995年模拟结果为20.7 kg,相同期间观测估计值为23.4±2.0 kg。氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,模式成功模拟出氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。     

中国土壤湿度的分布与变化 II. 耦合模式模拟结果评估

利用中国区域土壤湿度观测资料,对目前世界上较具有代表性的14个全球海-陆-气耦合模式模拟的中国区域土壤湿度进行了评估,发现尽管几乎所有的耦合模式基本都能够再现实际的土壤湿度空间分布,但模拟的土壤湿度季节循环和年际变化,却与观测相差较大。除了少数模式中降水变化与土壤湿度变化的关系不明显外,大部分模式都揭示了前期降水对后期土壤湿度变化的显著影响,在部分模式中,前期降水对土壤湿度的影响偏强。耦合模式在土壤湿度模拟上的偏差,主要来自降水模拟上的偏差。在土壤湿度的年平均和夏季平均空间分布、年际变化方面,高分辨率模式（水平格距高于1.875°×1.875°）的结果,整体上要好于中（水平格距在1.875°×1.875°与3.75°×3.75°之间）、低(水平格距小于3.75°×3.75°)分辨率的模式;而中等分辨率模式结果相对于低分辨率而言则优势不明显。     

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第一部分:陆面过程模式及其“独立(off-line)”模拟试验和模式性能分析

文中在综合比较过去各类陆面过程模式优缺点的基础上,主要参考ＢＡＴＳ模式,发展了一个陆面过程模式（ＬＰＭ－ＺＤ）。它具有以下几个特征：１．采用物理方程和经验解析公式相结合的方法进行土壤温度和土壤水汽的求解。在上层土壤,土壤分层较细并采用温度传导和水汽扩散方程求解,而在下层土壤,土壤分层较粗并利用经验方法处理。２．考虑了降水分布的次网格特征及其对陆面水文产生的重要影响。３．较全面地考虑了雪盖对陆面过程的各种影响：对陆面水文的影响、对土壤热传导的影响以及雪盖的高反照率对辐射收支的影响。利用３组单点观测试验资料对陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了“独立（ｏｆ－ｌｉｎｅ）”模拟试验。模拟结果表明陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ具有较好的模拟性能,能够比较准确地模拟不同气候区的多种下垫面类型的陆面过程变化特点,模拟结果与观测基本一致。进而又利用一组观测资料和模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了一系列敏感性模拟试验,试验结果表明模式ＬＰＭ－ＺＤ对一些参数的确定非常敏感,如初始土壤水汽、植被的物理特性参数以及降水次网格分布因子等,因此提高确定这些参数的准确性是改进陆面模式的重要内容之一。     

CMIP5多模式模拟两类El Niño海表盐度分布及与降水的关系

利用CMIP5提供的25个工业革命前控制试验（piControl）模拟数据评估了热带太平洋两类El Ni?o（即东部EP和中部CP型El Ni?o）的海表盐度（SSS）空间结构差异及其与海表温度（SST）和降水的关系。结果表明:（1）大部分模式能够模拟出EP和CP型空间结构,两类El Ni?o中的SST、降水和SSS的空间技巧评分依次减小,其中,EP型SST和降水水平分布的模拟能力强于CP型,SSS则为CP型强于EP型,CP型模拟的SST、SSS和降水异常中心位置较EP型偏西且强度偏弱;（2）CP型SST、降水和SSS三者空间分布的线性一致性比EP型好,即在CP型中,SST影响降水,进而影响SSS,同时SSS对SST调制的反馈机制较显著,而对于EP型,由于海洋水平平流和非局地效应等因素,使得SST与SSS空间对应较差;（3）依据多模式模拟的SSS空间技巧评分高低将CMIP5模式分为两类,技巧评分低（高）的模式模拟的SST、SSS和降水异常值的中心位置偏西（偏东）,引起中心位置偏移的原因与模式模拟赤道太平洋冷舌的位置有关,即赤道太平洋冷舌西伸显著,导致发生El Ni?o时SST异常变暖西伸显著,进而使得降水异常和SSS异常位置偏西。同时,技巧评分低的模式还易出现向东南延伸的负SSS异常,原因是双赤道辐合带的东南分支过于明显,即降水偏多,导致SSS偏淡。SSS变化会影响ENSO的发生发展。因此,探讨两类El Ni?o盐度分布的差异及相关物理场的关系,为提高模式的气候模拟和预测提供有益的借鉴。     

CMIP5多模式模拟两类El Ni(n)o海表盐度分布及与降水的关系

利用CMIP5提供的25个工业革命前控制试验(piControl)模拟数据评估了热带太平洋两类El Ni(n)o(即东部EP和中部CP型El Ni(n)o)的海表盐度(SSS)空间结构差异及其与海表温度(SST)和降水的关系.结果表明:(1)大部分模式能够模拟出EP和CP型空间结构,两类El Ni(n)o中的SST、降水和SSS的空间技巧评分依次减小,其中,EP型SST和降水水平分布的模拟能力强于CP型,SSS则为CP型强于EP型,CP型模拟的SST、SSS和降水异常中心位置较EP型偏西且强度偏弱;(2) CP型SST、降水和SSS三者空间分布的线性一致性比EP型好,即在CP型中,SST影响降水,进而影响SSS,同时SSS对SST调制的反馈机制较显著,而对于EP型,由于海洋水平平流和非局地效应等因素,使得SST与SSS空间对应较差;(3)依据多模式模拟的SSS空间技巧评分高低将CMIP5模式分为两类,技巧评分低(高)的模式模拟的SST、SSS和降水异常值的中心位置偏西(偏东),引起中心位置偏移的原因与模式模拟赤道太平洋冷舌的位置有关,即赤道太平洋冷舌西伸显著,导致发生El Ni(n)o时SST异常变暖西伸显著,进而使得降水异常和SSS异常位置偏西.同时,技巧评分低的模式还易出现向东南延伸的负SSS异常,原因是双赤道辐合带的东南分支过于明显,即降水偏多,导致SSS偏淡.SSS变化会影响ENSO的发生发展.因此,探讨两类El Ni(n)o盐度分布的差异及相关物理场的关系,为提高模式的气候模拟和预测提供有益的借鉴.     

夏季不同源地水汽对我国西北区降水影响的数值模拟(Ⅱ): 减、 增各源区水汽的敏感性试验结果

为进一步检验东南沿海、 孟加拉湾、 青藏高原、 西风带等4个水汽源区对我国西北区夏季降水影响的相对重要性, 本文利用MM5模式, 以1979年7月为模拟对象, 以NCEP再分析值作初、 侧边界条件, 继本文上篇作了该模式对该月的模拟性能检验后, 又分别作了检验减、 增各源区水汽影响的 11个敏感性试验。下篇的结果表明： （1）夏季, 东南沿海源区减（增）水汽后, 主要通过西伸的西太副高西南侧的东南风和西侧的偏南风气流的“干（湿）平流”输送, 第2天将直接影响西北区东部; 继之, 若遇河西走廊低层较强偏东风, 前述“干（湿）平流”还可再继续影响河西及南疆降水的减（增）。即东南沿海是影响西北区的主要水汽源区。（2）孟湾源区水汽的减（增）变化常经北路和东路共同影响西北区的降水。它主要影响青海及河西走廊中、 东部的降水, 也间接地影响西北区东部及南疆的降水。（3）高原（特别是西风带）源区因本身水汽少, 它们的影响要小些。高原源区主要影响青海及河西中、 东部的降水, 也部分影响西北区东部和南疆的降水; 而西风带区主要影响北疆及南疆的降水。（4）作西北区夏季降水预报时, 要关注其上游孟湾, 特别是东南沿海源区水汽、 沿途天气系统及低空急流的变化。     

The effect of diapycnal mixing on the ventilation and CFC-11 uptake in the Southern Ocean

1. Introduction Ocean General Circulation Models (OGCMs) arekey tools in the assessment of the future ocean up-take of atmospheric greenhouse gases and heat. Fur-thermore, whereas nature experiences one realisationof the climate state, climate models can be used as alaboratory to produce a multitude of climate realisa-tions, and by that contribute to the understanding ofthe variability and stability properties of the system.It is, in this respect, crucial to evaluate the climatemodels ag…     

GTSPP资料在BCC海洋资料同化系统中的同化效果分析

介绍了国家气候中心第二代海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0)所用的模式和同化方案,并设计了两个试验对同化系统的效果和稳定性进行检验:一个是加入GTSPP资料的1990—2008年19 a的同化试验,另一个是同时段内不加任何资料的模拟试验。利用OISST和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据集对试验结果进行评估。评估结果表明,加入GTSPP资料的同化结果可以有效改进原模式对温度和盐度的模拟。在表层,整个海洋的温度和盐度场误差都有所减小,其中热带太平洋的改进效果最为明显;此外,同化结果能更好地反映Nino3和Nino4区海表温度的时间演变。垂直层次上的修正效果也很明显,在200 m左右的混合层效果改进最好,温度的均方根误差可减小1.5℃,盐度的均方根误差可减小0.6 psu。     

近百年中国近海海温变化

使用Hadley中心1901～2004年1°×1°海表温度(SST)资料,在渤海、黄海、东海和南海选择代表区域研究中国近海海温的长期变化.研究发现,近100年多来各海区呈增温趋势,20世纪80年代以后增暖明显,90年代至今最暖.渤、黄、东海年平均和1月海温、东海7月海温变化基本呈阶梯型,20世纪初至30年代冷、50年代较暖、60年代略有下降,80年代上升;7月渤、黄海海温呈2波型,20世纪第一个10年和80年代冷,30～50年代和90年代暖;南海20世纪初至70年代海温变化不显著.除东海年平均海温外,各海区年、季海温均具有2～4年的显著变化周期和准7年的变化周期.     

Seasonal differences of model predictability and the impact of SST in the Pacific

Both seasonal potential predictability and the impact of SST in the Pacific on the forecast skill over China are investigated by using a 9-level global atmospheric general circulation model developed at the Institute of Atmospheric Physics under the Chinese Academy of Sciences (IAP9L-AGCM). For each year during 1970 to 1999, the ensemble consists of seven integrations started from consecutive observational daily atmospheric fields and forced by observational monthly SST. For boreal winter, spring and summer,the variance ratios of the SST-forced variability to the total variability and the differences in the spatial correlation coefficients of seasonal mean fields in special years versus normal years are computed respectively. It follows that there are slightly inter-seasonal differences in the model potential predictability in the Tropics. At northern middle and high latitudes, prediction skill is generally low in spring and relatively high either in summer for surface air temperature and middle and upper tropospheric geopotential height or in winter for wind and precipitation. In general, prediction skill rises notably in western China, especially in northwestern China, when SST anomalies (SSTA) in the Nino-3 region are significant. Moreover,particular attention should be paid to the SSTA in the North Pacific (NP) if one aims to predict summer climate over the eastern part of China, i.e., northeastern China, North China and southeastern China.     

Ocean Data Assimilation Using Intermittent Analyses and Continuous Model Error Correction

A new data insertion approach is applied to the Derber and Rosati ocean data assimilation(ODA) system,a system that uses a variational scheme to analyze ocean temperature and provide ocean model corrections continuously.Utilizing the same analysis component as the original system,the new approach conducts analyses to derive model corrections intermittently at once-daily intervals.A technique similar to the Incremental Analysis Update(IAU) method of Bloom et al.is applied to incorporate the corrections into the model gradually and continuously.This approach is computationally more economical than the original.A 13-year global ocean analysis from 1986 to 1998 is produced using this new approach and compared with an analysis based on the original one.An examination of both analyses in the tropical Pacific Ocean shows that they have qualitatively similar annual and interannual temperature variability.Howerver,the new approach produces smoother monthly analyses.Moreover,compared to the independent observations from current meters,the new equatorial currents are significantly better than the original analyses,not only in maintaining the mean state but also in capturing the annual and interannual variations.     

Effect of chlorophyll-a spatial distribution on upper ocean temperature in the central and eastern equatorial Pacific

Effect of the spatial distributions of chlorophyll-a concentration on upper ocean temperature and currents in the equatorial Pacific is investigated through a set of numerical experiments by using an ocean general circulation model. This study indicates that enhanced meridional gradient of chlorophyll-a between the equator and off-equatorial regions can strengthen zonal circulation and lead to a decrease in equatorial sea surface temperature （SST）. However, the circulation changes by themselves are not effective enough to affect SST in the equatorial cold tongue （CT） region. The comparison between the experiments indicates that the CT SST are more sensitive to chlorophyll-a distribution away from the equator. The off-equatorial chlorophyll-a traps more solar radiation in the mixed layer, therefore, the temperature in the thermoeline decreases. The cold water can then be transported to the equator by the meridional circulation within the mixed layer. Furthermore, the relation among CT SST, the surface heat flux, and the equatorial upwelling are discussed. The study implies the simulation biases of temperature on the equator are not only related to the local ocean dynamics but also related to some deficiency in simulating off-equatorial processes.     

Assimilation of Sea Surface Temperature in a Global Hybrid Coordinate Ocean Model

The Hybrid Coordinate Ocean Model(HYCOM) uses different vertical coordinate choices in different regions. In HYCOM, the prognostic variables include not only the seawater temperature, salinity and current fields, but also the layer thickness. All prognostic variables are usually adjusted in the assimilation when multivariate data assimilation methods are used to assimilate sea surface temperature(SST). This paper investigates the effects of SST assimilation in a global HYCOM model using the Ensemble Optimal Interpolation multivariate assimilation method. Three assimilation experiments are conducted from 2006–08. In the first experiment, all model variables are adjusted during the assimilation process. In the other two experiments, the temperature alone is adjusted in the entire water column and in the mixed layer. For comparison, a control experiment without assimilation is also conducted. The three assimilation experiments yield notable SST improvements over the results of the control experiment. Additionally, the experiments in which all variables are adjusted and the temperature alone in all model layers is adjusted, produce significant negative effects on the subsurface temperature. Also, they yield negative effects on the subsurface salinity because it is associated with temperature and layer thickness. The experiment adjusting the temperature alone in the mixed layer yields positive effects and outperforms the other experiments. The heat content in the upper 300 m and 300–700 m layers further suggests that it yields the best performance among the experiments.