一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

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     

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

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.     

GOALS/LASG模式对气候平均态的模拟

中国科学院大气物理研究所LASG最近发展了全球海洋 大气 陆面耦合气候模式系统 (GOALS)的新版本 ,实现了全球大气环流谱模式 (R42L9)与海洋环流模式 (T63L3 0 )在 40°S～ 40°N之间的开洋面上海 气通量交换的完全耦合。该模式系统已积分了 40a ,基本上不存在明显的气候漂移。文中通过对所模拟的后 3 0a平均的热带、副热带地区海温、海表风应力、洋面净通量和降水等的气候平均态与多种实测资料的对比分析 ,结果表明 ,GOALS模式基本上模拟再现了当今气候的一些主要特征 ,对热带气候平均态已具有一定的模拟能力 ,但也注意到 ,与观测相比 ,区域性差异是明显存在的 ,比如沿赤道西太平洋“暖池”区和靠近南美沿岸的东太平洋海域以及印度洋海表温度明显偏高约 2℃ ,所模拟的赤道东太平洋海温冷舌西伸明显 ,造成赤道中太平洋海温明显偏冷等偏差。这些模拟误差 ,与模式中海表风应力和洋面所得到或释放的净热通量有密切的关系。SST的模拟误差反过来也影响到对降水的模拟     

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。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

基于一个不同网格相互嵌套的陆气耦合模式的气候模拟研究

将一个大气植被相互作用模式(AVIM)与大气所LASG的R15九层大气环流模式GOALS相耦合．用来模拟多年平均的全球气候状况。AVIM是一个陆地表面陆面和生理过程相互反馈的模型。作为陆气耦合的第一步,暂不考虑AVIM中的生理过程,而首光将其物理过程[相当于通常的SVAT(土壤—植被—大气—传输方案)模型]与大气所LASG的九层大气环流模式耦合起来．其中海洋模式部分不参与积分,海面温度是多年平均的气候伯。考虑到GCM的分辨率较低(7．5°×4．5°)而植被分布必须有较高的分辨率(1.5°×1.5°),采取广大气与地表面粗细网格的嵌套耦合。模式积分15年,取最后10年的平均值作分析。将模拟的气候要素场与观测值和NCEP再分析资料作了比较,气候模拟结果反映了全球环流与温湿场的主要特征,特别是降水和地面气温的模拟效果较好。这为今后气候模式与生物圈的耦合奠定广一个良好的基础。     

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.     

全球海-陆-气耦合模式大气模式分量的发展及其气候模拟性能Ⅰ--水平分辨率的影响

对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全球海一陆一气耦合气候系统模式(GOALS／LASG)的大气分量进行了发展,主要是提高模式的分辨率。水平分辨率由原来的菱形15波截断(R15)提高到菱形42波截断（R42);并用实际的海温、海冰为外强迫积分模式10年,将积分结果与观测资料比较以检验模式的气候模拟性能,重点是检验全球季节变化和年际变化的模拟能力。从检验结果看,分辨率增加后模式能成功地模拟出全球气候的主要特征,多种要素场的季节变化与观测也一致;对EI Nifio的响应特征也有很好的反映。但与其它气候模式一样,也存在一些误差。对结果的分析表明,云、辐射方案影响模式的能量平衡,进而影响陆面系统的模拟及降水的分布：对流参数化方案对模拟结果也有很大影响。     

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测,在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上,引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程,发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测,进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究,并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析,就海洋及其时间变化的三维特征,检验了模拟结果。首先,检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力,结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟;海温异常的强度和结构特征与实况有偏差,尤其是次表层,距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况;表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近,只是在日期变更线附近偏大。然后,强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ,真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力,而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此,为全面评估该海洋模式,探讨模式误差的原因,根据同化资料,找出年际变化和季节变化最显著的区域之后,检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。     

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。     

一个太平洋海盆尺度环流模式及其模拟结果

在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)发展的全球气候海洋环流模式(LICOM)的基础上构建了一个太平洋海盆环流模式,并对其模拟结果进行了深入的分析.在模拟中对中尺度示踪物输送采用了两种方案,即传统的水平扩散方案(HOR)和包括涡旋诱导速度的等密度面扩散方案(GM).对这两个试验的气候平衡态结果分析发现,该模式较好地模拟出了太平洋的环流特征,包括副热带大涡、副极地涡旋以及南极绕流(ACC)等.赤道附近的各种流系亦得到了较好的模拟,模拟的150°W赤道潜流的最大流速为40 cm/s,出现在次表层130 m左右,虽然模拟值比基于NCEP资料估计的最大流速80 cm/s小,但与其位置十分相近.两个试验均较好地模拟出了温盐的分布结构,包括北太平洋和南太平洋中层水的形成以及南极底层水的输送等.通过详细分析两个试验结果发现,总的说来在目前模式所采用的参数条件下,GM的结果稍好于HOR的结果.这些模拟结果表明,在LICOM基础上构建的太平洋环流模式从总体上是能再现许多观测特征的,可为今后进一步研究被动示踪物在北太平洋的分布等问题提供一个十分有用的工具.     

区域耦合模式FROALS模拟的西北太平洋热带气旋潜势分布与年际变率:耦合与非耦合试验比较

热带气旋潜势指数可以合理刻画热带气旋生成的位置与范围, 被广泛应用于评估气候系统模式对热带气旋的模拟。本文使用区域海—气耦合模式FROALS对西北太平洋地区1982～2007年的积分结果, 检验了该模式对热带气旋潜势指数的气候态和年际变率模拟能力, 并从决定热带气旋潜势的五个变量角度, 分析了造成模式模拟偏差的原因。结果表明, 模式可以合理再现西北太平洋地区热带气旋潜势指数的分布, 但由于西北太平洋季风槽模拟偏弱且耦合后模拟海温偏冷, 使得耦合试验模拟的热带气旋潜势指数分布偏弱, 尽管较之单独大气模式, 其模拟的空间分布有改善。在年际变率方面, 模式可以合理再现年际变率中热带气旋潜势指数对ENSO的响应, 且耦合模式优于单独大气模式, 分析表明其原因在于耦合模式模拟的850 hPa季风槽强度与年际变率优于单独大气模式。因此区域耦合模式在模拟热带气旋指数年际变率方面相较大气模式有优势。     

区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用

区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具.本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工 作.FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需 求.针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量.通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差".改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率.较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟.最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺 度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息.分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景.