海洋碳循环模式（Ⅰ）一个包括海洋动力学环流、化学过程和生物过程的二维碳模式的建立

利用一个全球海洋动力学环流模式所模拟的海洋环流场,建立了一个全面的二维海洋碳循环模式。此模式摒弃了传统箱模式的缺陷,充分考虑了诸如大气与海洋间的碳交换、光合作用和氧化分解、碳酸钙的产生和溶解、悬浮颗粒物的下沉等过程,尤其是在模式中耦合进了以往甚少考虑的海洋生物过程对碳循环的影响,引入了详尽合理的参数化方案。通过模拟发现：在稳定状态下,大气和海洋中总碳含量分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件,水平扩散系数和光合作用常数率对各化学量的分布有很大影响。     

二维海洋温盐环流碳循环模式

提供了由二维温盐环流动力学模式得到的定常流场驱动的海洋碳循环模式。在认为海洋生物碳循环达到动态平衡的情况下，着重研究了无机碳的循环。在给定的工业革命前的大气CO2浓度强迫下，对海洋碳循环模式积分5000年后，使其达到稳态。对于人为扰动，采用给定大气CO2浓度作为上边界条件，结果是，1980年至1989年海洋能吸收人为排放CO2的36%。通过使用CO2的工业排放源和大气及海洋的联合模式，得到1980至1989年的边际气留比为0.66。比较两种方法所得的结果，可推出在工业革命前存在着非工业源，即生物源；1940年以后，则还存在着一个未知的汇。     

一个地球系统模式模拟的气候变化对海洋碳循环的影响

使用维多利亚大学的地球系统模式进行模拟,选取1800-2500年间较高的CO₂浓度情景（RCP8.5）,分析由于CO₂增加引起的气候变化对海洋碳循环的影响。当气候敏感度为3.0 K时,相对于无气候变化,到2100年,由于大气CO₂增加造成的气候变化导致海表面温度升高2.7 K,北大西洋深水流量减少4.5 Sv,海洋对人为碳的年吸收减少0.8 Pg C;比较人为溶解无机碳在海洋中的垂直累积分布,发现气候变化对海洋吸收大气CO₂的影响在北大西洋区域最明显。1800-2500年,相对于不考虑气候变化的情景,模式模拟的气候变化导致整个海洋对人为碳的累积吸收总量减少23.1%,其中北大西洋减少32.0%。此外,比较不同气候敏感度（0～4.5 K,间隔为0.5 K）的模拟结果发现,气候敏感度越高,气候变化对海洋吸收CO₂能力的抑制作用越明显。     

二维的大气CO2——大西洋碳循环模式

本文描述了一个二维（纬度×深度）的大西洋碳循环模式，模拟了大气和海洋间CO2的交换以及碳在海洋中的输送过程。模式在运行时使用了一个12层的三维动力学模拟的海洋环流的结果。大西洋被划分成397个网格箱，每个箱子中各种形式的碳的含量、总碱度、溶解的无机营养物和溶解氧的浓度以及几种14C(碳14)同位素的值分别得到求解。模式稳定状态的计算采用解大型稀疏线性方程组的直接解法。计算结果与“地球化学的海洋研究（GEOSECS）”的实际观测数据对比，表明模式较好地再现了实际大西洋中几种化学量的分布。     

印度洋二维碳循环模式中表层CO2分压分布对物理和生化过程的敏感性试验

利用二维印度洋碳循环模式的模拟结果,集中对表层海洋中的CO2分压分布及其控制因子、海洋生物对海气CO2交换的影响、海洋营养物含量的改变和海洋环流的改变对大气CO2浓度的影响等进行了深入的分析和讨论,并与实际的GEOSECS观测数据的分析结果做比较;研究了与表层海洋CO2分压相关的海洋条件,较详细讨论了形成海洋表层CO2源与汇系统的决定因素及其相对重要性,得到了海洋热力因子和海洋环流对海洋表层的CO2化学过程起着决定性作用而生物过程仅处于次要地位的重要结论。此外,还利用建立的海洋碳模式进行了一些有意义的数值试验,详细讨论了海洋的物理化学因子改变对大气CO2浓度的可能影响。       

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.     

海洋环流模式的发展和应用Ⅰ.全球海洋环流模式

概述近10年来中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室全球海洋环流模式的发展及其在全球海气耦合模式的发展和气候模拟方面的应用.重点是:一个30层、0.5°×0.5°的准全球海洋环流模式LICOM的建立及其模拟的热带太平洋海洋环流和印度尼西亚贯穿流;以20层海洋模式为海洋分量建立的全球海洋-大气-陆面系统耦合模式GOALS在气候变化模拟方面的应用,和以海洋模式L30T63为海洋分量建立的灵活的耦合环流模式FGCM-0在热带太平洋-印度洋海气相互作用及古海洋-古气候模拟方面的应用     

海洋环流模式模拟自然 和核辐射14C的分布

放射性14C在海洋环流研究和人为CO2问题的研究中都有重要地位。本文用海洋环流模式模拟了海洋中自然14C的分布及海洋对核辐射产生的放射性14C的吸收, 以期对海洋吸收人为CO2的能力做一初步的研究。模拟的海洋环流结果与观测相比符合得较好,成功地模拟出了北大西洋深水（NADW）、南极底水 (AABW）等基本特征。对自然14C的模拟揭示出了海洋通风的基本特征。模拟出的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好。对核辐射14C的模拟表明:模式模拟的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好;模拟出的海洋表面核辐射浓度与观测值一致,但核辐射14C在海洋中的柱存量和平均穿透深度都比观测结果要小。文中分析了造成这种差异的可能原因。     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估 I.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM 0模拟的热带太平洋年平均状态 ,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCARCCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM 0。主要的结论是 :( 1 )在“准确”的海表强迫下 ,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近 ,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅。 ( 2 )Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流 ,但存在两个问题 ,即 :暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大 ;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小 ,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关。这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM 0运行初期误差迅速发展的重要原因。 ( 3)FGCM 0模拟的赤道暖池区上层 1 0 0m的平均温度比观测低 3℃。分析表明FGCM 0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用 ,使得模拟的“暖池”在一定程度上具有冷舌的属性。FGCM 0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到 1 0 0m ,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称 ,成为“doubleITCZ”现象在上层海洋中的表现。风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快     

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.     

一个海洋环流模式模拟的北印度洋经向环流及其热输送

对比两个同化资料GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）和SODA（Simple Ocean Data Assimilation）,考察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气候系统海洋模式LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）模拟的北印度洋经向环流及热输送的气候态。LICOM能抓住北印度洋大尺度环流的季节变化特征,模拟的年平均越赤道热输送为-0.24 PW （1 PW=1015W）,较之以往的数值模式结果更接近观测和同化资料。与同化资料的差异主要体现在季节变化强度,北半球夏季在赤道以南偏弱0.5 PW,这与模式夏季的纬向风应力偏弱,热输送中的大项Ekman热输送模拟偏弱,从而模拟的经圈翻转环流较浅有关。     

一个压力坐标海洋环流模式(PCOM1.0)的基本模拟性能评估

参照Griffies et al.(2009)提出的海洋—海冰耦合模式参考试验(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments,COREs),设计了一个800年积分的数值试验,对一个质量严格守恒的压力坐标海洋环流模式(Pressure Coordinate Ocean Model,PCOM1.0)的基本模拟性能进行了评估,并与观测资料和再分析资料进行了对比。结果表明,PCOM1.0模拟的温盐场和基本流场与COREs模式的模拟水平基本接近。其中,模拟的大西洋经向翻转流在45°N附近达到18 Sv(1 Sv=106 m3 s-1),与观测估计值接近;对海表面温度的模拟误差主要集中在北太平洋黑潮区和北大西洋湾流区等中高纬度急流区;模拟的热带太平洋温跃层过于深厚;模拟的经德雷克海峡的体积输送达130 Sv,比大部分COREs模式及再分析资料都更接近于观测估计值。     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估Ⅰ.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM-0模拟的热带太平洋年平均状态,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCAR CCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM-0.主要的结论是:(1)在"准确"的海表强迫下,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅.(2)Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流,但存在两个问题,即:暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关.这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM-0运行初期误差迅速发展的重要原因.(3)FGCM-0模拟的赤道暖池区上层100 m的平均温度比观测低3℃.分析表明FGCM-0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用,使得模拟的"暖池"在一定程度上具有冷舌的属性.FGCM-0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到100 m,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称,成为"double ITCZ"现象在上层海洋中的表现.风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快是温跃层偏浅的两个可能原因;FGCM-0中与北太平洋中高纬地区深厚冷偏差相关的经圈环流也有利于热带温跃层误差的维持.     

海浪和海洋飞沫对“珊珊”台风影响的数值研究

台风是剧烈的天气系统,在开放的海上强风激起大浪,改变了海表粗糙度,同时,海浪顶端的白泡沫破碎,在海-气界面处会出现大量的海洋飞沫。基于共享内存的进程间通信技术应用到区域大气和海浪模式的耦合中,大气模式引入了Fairall和Andreas两种海洋飞沫参数化方案,对2006年珊珊台风进行了模拟对比试验,结果表明:耦合模式通过海-气相互作用,对台风的强度产生影响,由于耦合模式在海表粗糙度的计算上考虑了海表状况,使得耦合模式模拟的台风强度更接近实况,而对台风的移动路径影响不大;耦合模式中海-气相互作用主要通过动力因素来对台风产生影响,海表状况影响了海表粗糙度,从而使台风的动量输送发生变化,具体的台风强度增强还是减弱主要取决于海表状况与实况的符合程度;海洋飞沫参数化主要通过热力场的改变来影响动力场,Fairall方案中潜热通量和感热通量得到很大程度的加强,使得台风的热力结构得以改变,台风强度明显加强,从而影响了动力场结构;Andreas方案由于其界面通量算法在高相对湿度条件下计算界面通量时得到的量值较小,虽然高风速条件下感热通量加大,但总的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱,因此,模拟的台风强度不强;海洋飞沫参...     

CCM3模式中LSM积雪方案的改进研究（I）：修改方案介绍及其单点试验

为了改进美国NCAR CCM3全球模式中LSM陆面模型中的积雪方案的模拟效果，在Sun等SAST积雪模型的基础上，作了部分修改后，加进CCM3模式LSM模型中。该方案根据格点区域平均积雪深度的不同，把地面雪盖划分为1到3层不等，能在积雪表层和中间层更好地描述温度的日变化和季节变化；较详细地考虑了雪的热传导、太阳辐射的穿透吸收、雪的融化、液态水的储存、渗透和再冻结等积雪内部的主要物理过程；根据Nimbus-7卫星实测雪深资料修改了积雪覆盖度和雪面反照率的计算方案。利用前苏联6个台站1978—1983年的实测积雪资料和大气强迫数据，进行了单点模拟试验，结果表明，新的积雪参数化方案能够较好地再现积雪深度和雪水当量的逐日和季节变化特征，部分提高了积雪参数化方案对积雪的模拟能力。     

全球二维大气化学模式和大气化学成分的数值模拟

建立了一个全球二维纬向平均化学模式,模式包括了从90°S到90°N,从地面到20 km高度的大气.模式中应用的流场来自根据加热率计算得到的剩余环流.模式化学部分包括34种大气成分、104个化学反应和光化学反应.其中,甲烷、一氧化碳和氮氧化物排放分为季节性和非季节性排放源,并将其参数化为时间和纬度的函数再应用到模式中去.按1990年的甲烷、一氧化碳和氮氧化物的的排放水平模拟得到了多种大气组成的分布,模拟结果与观测有较好的一致性.由于模式考虑了一氧化碳的季节变化,模拟得到的OH自由基分布更为合理.模式的建立为今后进一步研究大气微量成分的全球循环过程及其长期变化提供了有效的手段.     

一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

不同模式分辨率和物理过程方案对贵州降水影响的对比试验

利用MM5中尺度数值模式,在20,15和10 km模式分辨率下,采用相同的方案对贵州两次大暴雨过程进行数值模拟试验。然后选用KUO、GRELL、KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU、GR、KF和BM)4种对流参数化方案,分别在MRF和Blackadar 2种边界层参数化方案下,对贵州汛期16个降水个例进行数值模拟试验,对模拟结果进行对比分析并与实况资料进行比较,结果表明:预报的降水落区对参数化方案敏感。随着分辨率的提高,降水分布与实况更接近。MM5模式的这4种积云参数化方案对环流的模拟较好,但模拟降水的效果有差别:对50 mm以下的降水,GR方案的预报效果较好,KF方案则较差;对50 mm以上的降水,BM、KF方案的预报效果一般较好;选择MRF或Blackadar的边界层参数化方案对降水预报效果区别不大。选择BM或KF积云对流参数化方案、混合相显式水汽方案、MRF边界层参数化方案和云辐射方案的组合,取得了优于其他组合的预报结果。     

弱光层异养过程对海洋储碳的影响:进展、挑战和展望

海洋是地表系统最大的碳库和重要碳汇区。海洋生物泵通过一系列复杂的生物地球化学过程将CO₂转化成颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon,POC）并输送到深海,是海洋储碳的重要途径。弱光层（真光层底部到1 000 m）的生物异养过程消耗了超过70%从真光层输出的POC通量,决定了生物泵的储碳效率,因此准确定量弱光层的再矿化速率对评估海洋碳汇有重要意义。本文针对海洋生物泵储碳问题,聚焦弱光层异养过程对海洋储碳的影响机制,对全球弱光层再矿化定量工作进行评述,综合分析弱光层POC的衰减、再矿化等问题,并展望了相关新技术的应用。