用一个耦合的全球格点大气环流模式-植被模式模拟中全新世气候变化

用一个耦合的全球格点大气环流模式－植被模式模拟中全新世的气候变化，模拟试验中考虑了地球轨道参数的变化，而其他强迫条件均取成现今值。结果表明，耦合的模式能够模拟出较今强的大尺度夏季风，特别是亚洲－非洲季风，而其他季节和区域的变化值一般都比较小。季风环流和季风降水都大幅度地增大了。结果还显示，耦合模式模拟的大尺度季风系统的变化同单纯大气环流模式模拟的结果非常相似，但是，在非洲北部季风区耦合模式模拟的降水和温度变化较单纯大气模式模拟的值要大，而且，耦合模式模拟的冬季降温值要比单纯大气模式模拟的结果小。     

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。     

大气环流模式（SAMIL）海气耦合前后性能的比较

基于耦合器框架，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大气环流谱模式 （SAMIL）最近成功地实现了与海洋、海冰等气候分量模式的耦合，形成了“非通量调整”的海－陆－气－冰直接耦合的气候模式系统（FGOALS-s）。在耦合系统中，由于海温、海冰等的分布由预报模式驱动，大气与海洋、海冰之间引入了相互作用过程，这样大气环流的模拟特征与耦合前会有不同。为分析耦合系统的性能，作者对耦合前后的模拟结果进行了分析比较，重点是大气模拟特征的差异。结果表明，耦合前、后大气环流的基本特征相似，都能成功地模拟出主要的环流系统分布及季节变化，但是由于海温和海冰的模拟存在系统性的偏差，使得耦合后的大气环流受到明显影响。例如耦合后热带海温偏冷，南大洋、北太平洋和北大西洋等中纬度地区的海温偏高，导致海温等值线向高纬海域的伸展较弱，海温经向梯度减小。耦合后海冰在北极区域范围偏大，在南极周边地区则偏小。海温、海冰分布模拟的偏差影响到中、高纬低层大气的温度。热带海温偏低，使得赤道地区降水偏弱，凝结潜热减少，热带对流层中高层温度比耦合前要低，大气温度的经向梯度减小。经向温度梯度的改变，直接影响到对平均经圈环流及西风急流强度的模拟。尽管耦合系统中海温、海冰的模拟存在偏差，但在亚洲季风区，耦合后季风环流及降水等的分布都比耦合前单独大气模式的结果合理，表明通过海[CD*2]气相互作用可减少耦合前季风区的模拟误差，改善季风模拟效果。比较发现，海温、海冰模拟的偏差，除与海洋模式中经向热输送偏弱、海冰模式中海冰处理等有关外，也与大气模式中总云量模拟偏低有关。大气模式本身的误差，特别是云、辐射过程带来的误差，对耦合结果具有极为重要的影响。完全耦合后，这些误差通过与海洋、海冰的反馈作用而放大。因此，对于FGOALS-s而言，要提高耦合系统的整体性能，除改进各气候分量模式的模拟性能外，需要重点改进大气模式中的云、辐射过程。     

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.     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

一个分析大气谱模式的合理性的定性方法

利用对称运动和非对称运动的理论结果,如‘对称运动的不变性’,可以推得:如初始时刻运动是对称的,对于绝热无摩擦的谱模式,在时间积分过程中,总有 1.和反对称运动有关的谱系数等于零; 2.全球预报和半球预报在同一半球内处处相同; 3.和赤道对称的任意两个区域,其各自的运动彼此对称。 数值试验也证实了这些结果。 在有外力强迫的情形,如地形(或加热),如其分布是对称的,则在初始运动是对称的情况下,‘对称运动的不变性’仍然成立。但如果地形(或加热)分布是非对称的,则运动的对称性会减小,而变成非对称运动,并出现越赤道气流。这些也经过数值试验加以证实。 利用上述理论结果作为指导,可以用所设计的模式进行试验、分析,从而,确定模式设计是否合理,有关软件是否有误等。     

一个统计低云方案及其在大气环流模式中应用初探

文中利用湍流耗散特征时间尺度和湍流垂直扩散系数对湍流二阶距进行参数化 ,将一个统计云方案与一阶湍流闭合方案进行耦合。基于数值试验 ,在不同的相对湿度、温度垂直梯度、以及湍流耗散特征时间尺度条件下 ,对该方案云量模拟能力的分析 ,发现该统计云方案对其采用的参数及湍流耗散特征时间尺度敏感。基于该数值模拟分析 ,修改了该统计云方案 ,并结合其他边界层积云参数化方案 ,给出了一个基于统计的低云参数化方案。将其初步应用于NCARCCM 3后发现 :该方案可以显著增强CCM 3对副热带低云的模拟能力 ,可以合理地模拟出大洋东部大陆西岸冷海域低云量大值中心 ,显示出该方案对于改进大气环流模式低云参数化具有潜在的应用前景。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将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最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析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的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。     

A GLOBAL SPECTRAL MODEL WITH VARIABLE POLES AND ITS APPLICATION TO THE SHALLOW-WATER EQUATIONS

Since we find out that the global spectral model with trapezoidal truncation has higher resolution inhigh latitudes(polar cap)than in low latitudes,this paper presents a global spectral model with variablepoles which can be located at the center of interested area.The transform methods from traditional globalspectral model to the new model are given and applied to a shallow-water equation model.The control ex-periments for 72h predictions were carried out.The“northern pole”in the transformed model was locatedat 15°N, 135°E.And the results showed that the predictions of weather systems in the area around the“newpole”(the polar cap,latitudes >60°)were better than those by the traditional model and the root mean squareerrors were improved.     

南海热带气旋数值预报模式与全球谱模式的嵌套试验

分析了各嵌套变量的作用和效果，发现采用部分变量嵌套就能取得一定效果，各变量的作用也不完全相同。这样，可以选取作用大，质量好，易处理的变量进行嵌套。并相应地提出了一个边界嵌套处理方案，应用于南海带热带气旋数值预报有限区模式（ＴＬ１０）与全球谐模式（Ｔ６３）的嵌套过程，通过数值预报试验，表明采用该嵌套处理方案能够取得良好的效果。     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

A BOUNDARY NESTING SCHEME OF LIMITED AREA MODEL NESTED WITH GLOBAL MODEL FOR FORECASTING TROPICAL CYCLONE OVER SOUTH CHINA SEA

Today, the nested model is used widely. The effect and role of each nested variate is analyzed in this paper. It is found that the forecast could benefit by nesting part of the variates and the effect of each of the variates may be different. Therefore, only the effectual variates are chosen for the nesting. According to this finding, a scheme is suggested and applied to the limited area mode (TL10) nested with global spectral mode (T63) for forecasting tropical cyclones over the South China Sea. A few numerical prediction tests show that this scheme is reasonable and efficient.     

THE INITIAL WIND SCHEME OF THE HEMISPHERIC SPECTRAL MODEL AND ITS EFFECT ON THE DATA ASSIMILATION

A series of data assimilation and forecast test have been carried out with a hemispheric spectralmodel(T42L9H).It is found that the numerical scheme for determining hemispheric initial wind isimportant to data assimilation and forecast.An inappropriate scheme may cause computationalsources of divergence near the equator,which are responsible for the spurious strong precipitationand corresponding latent heat release.Obviously,this problem differs from either thehemispheric/global domain effect or the tropical data effect pointed by Dalley et al.(1981).Basedon the previous studies,the new scheme of divergence and vorticity correction is presented,andthe difference with other schemes and its effects on the data assimilation are discussed against thecontrol test.Preliminary tests have shown that the new divergence correction scheme proposed in thispaper may be a preferable choice to overcome the initial computational errors in the hemisphericdata assimilation.     

半球谱模式的风场初值及其对资料同化的影响

利用半球谱模式（Ｔ４２Ｌ９）进行了大量的资料同化和预报试验。结果表明，半球风场初值方案对资料同化和预报有重要的影响。不恰当的初值处理会导致虚假散度源，在非绝热模式中可能进一步诱发虚假的强降水与相应的潜热释放。很明显，这个问题既不同于Ｄａｌｌｅｙ［１］所分析的半球／全球范围效应，也不同于所谓的赤道资料效应。文章在前人研究的基础上，提出了散度和涡度修正方案，进而用对比试验方法讨论了该方案与其他方案的差异以及对同化的影响。初步试验表明，散度修正方案是半球资料同化中克服初值计算误差的一个较好的选择。     

东北地区月平均大气环流型与哈尔滨气候关系的初步研究

利用基于英国Lamb(1950年)发展的大气环流分型方法的Jenkinson(1977年)法对东北地区1951—2002年的月平均海平面气压场(MSLP)进行环流分型。由月平均海平面气压场算出6个环流指数,并由此划分出27种环流类型,分析了其中出现频率最高的5种主要环流类型(N,NW,C,CSW,SW)在不同时间尺度下的变化规律及它们与哈尔滨月平均温度的关系,利用逐步回归方法得到了温度距平的拟合曲线。给出了各种环流类型的月平均降水量和与哈尔滨降水密切相关的C,CSW和SW 3种环流类型对应的平均海平面气压合成图。结果表明:哈尔滨冬季以N,NW型为主,夏季以C,CSW和SW型为主。出现N和NW型时气温偏低,降水偏少;而出现C,CSW和SW型时气温较高,降水偏多。用6个环流指数中的地转风V和大尺度平均温度t可以建立其与温度距平之间的一个统计模式,利用此模式,能解释哈尔滨1951—2002年温度变化方差的77.3%。C,CSW和SW 3种环流类型为哈尔滨的主要降水类型,C型与哈尔滨总降水的相关关系很好,并且近20年来哈尔滨主要以C型降水为主。这种研究大尺度大气环流与区域气候变量—温度、降水之间关系的方法是一种统计降尺度(statistical downscaling)方法,可以用于区域气候预测。     

一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用

简要介绍了一个植被模式（Simplified Simple Biosphere Model）的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的HAPEX-Sahel观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识,对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中,着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中,尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区,但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示,这将是一个有很大发展潜力的新领域。     

AN IMPROVED LAND-SURFACE PROCESS MODEL AND ITS SIMULATION EXPERIMENT-PART II:COUPLING SIMULATION EXPERIMENT OF LAND-SURFACE PROCESS MODEL WITH REGIONAL CLIMATE MODEL

The Land-surface Process Model(LPM-ZD)has been successfully coupled with the regionalclimate model RegCM2 of NCAR.Then thus-obtained coupled model(CRegCM)has been appliedto simulate the climate characteristics of heavy rain in middle and East China for three months fromMay to July 1991.and compared with model output of NCAR-RegCM2 using BATS as land-surface process scheme,abbreviated as NRegCM.The results show that CRegCM has good abilityand performance.CRegCM successfully simulates the extreme precipitation event and thesimulations of CRegCM for surface temperature and some physical variables related to land surfaceprocess are more reasonable than those of NRegCM.