全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅱ.年际变化的模拟

利用文献[1]建立的全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS），对模式的年际变化模拟能力进行了检验。50a积分显示，模式模拟出了大气和海洋界面的主要年际变率，能真实地模拟热带太平洋ENSO循环的主要特征，较好地再现了ENSO循环的过程，循环周期在3—5a之间，与实际观测值一致，同时模式也较好地反映了大气和海洋的耦合特征，对年际变化有较强的模拟能力，这与FRAC耦合方案设计有关，该方法能避免气候场的牵制作用，增强模式对年际变化的模拟能力。     

海气耦合环流模式及耦合技术的研究

介绍了近年来国内外海气耦合环流模式的研究、发展趋势,对不同模式的耦合技术及其人预报试验进行了综合分析,从ＥＮＳＯ预测与耦合环流模式的组成分类、模式的气候漂移及其处理技术（耦合方案）的特点,模式的季节、年际、年代际预报能力等方面评述了当前海气耦合环流模式的研究进展和影响耦合模式预报能力的有关问题,指出目前发展海气耦合模式的观难点所在,并就我国现状提出了进行针对性研究的具体想法。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ：局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“- -”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。     

全球热带简单海气耦合模式中的ENSO预报试验

利用一个全球热带简单海气耦合模式(GTSM模式),并选取热带三大洋较强的冷暖事件作为预报对象进行了若干预报试验,分析结果发现:在GTSM模式中由于热带三大洋海气耦合通过大气模式而相互作用和影响,使得该模式对于东大西洋和中东印度洋较强冷暖事件的预报能力,较单独大西洋或单独印度洋耦合模式均有明显提高,预报和观测的ATL3、IND3指数的相关系数达到0.5以上的月份,分别达到9个月和6个月左右;而在东太平洋则和ZC(LDEO1)模式差不多,预报和观测的Nio3指数的相关系数达到0.6以上的月份可以达到15个月左右.     

海气耦合随机动力模式的Fokker—Planck方程

将描写海温和气温交互作用的随机动力模式化为一个Ｆｏｃｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程（ＦＰＥ），然后用矩阵连分法进行求解，并对二氧化碳增温效应进行了计算。当ＣＯ２从３３０ｐｐｍ增加到６６０ｐｐｍ时增温１．２℃，模式中存在的优势周期为３￣４年，当ＣＯ２倍增时各周期有延长的趋势。     

基于通量距平的大气—海洋—海冰耦合模式

该文是基于月平均通量距平（ＭＦＡ）的海报耦合方案及其在４个海气耦合的环流模式中应用情况的一个综合评述，这些模式的实施情况表明，由于采用精细化了参考通量，修正的ＭＦＡ（ＭＭＦＡ）比它的原型具有为稳定的控制气候漂移的能力。     

海气耦合随机动力模式的Fokker-Planck方程

将描写海温和气温交互作用的随机动力模式化为一个Fokker-Planck方程(FPE),然后用矩阵连分法进行求解,并对二氧化碳增温效应进行了计算。当CO₂从330ppm增加到660ppm时增温1.2℃,模式中存在的优势周期为3～4年,当CO₂倍增时各周期有延长的趋势。     

全球海气耦合模式对我国极端强降水模拟检验

以1961—1999年我国地面观测逐日降水资料作为观测基础, 初步分析了18个全球海气耦合模式对我国20世纪极端强降水的模拟能力。分析模式对不同级别降水的模拟发现, 各模式模拟的我国1~10 mm小雨日数普遍明显偏多; 10~25 mm中雨日数的模拟结果总体上也以偏多为主, 虽然部分模式能够模拟出我国南方存在的高值中心, 但位置偏北至长江中下游地区; 25~50 mm大雨日数在我国南方明显偏少, 并且大值中心的位置基本都没能模拟出来; 50 mm以上暴雨日数的模拟结果也明显偏小, 除MIROC3.2(hires) 外大部分模式在长江以南地区的结果都未超过2 d; 大部分模式不能正确模拟出我国东部地区大雨日数变化趋势的空间分布。进一步分析各模式对极端强降水的模拟发现:各模式极端强降水阈值明显低于观测; 半数左右的模式模拟出了1961—1999年西北西部极端降水增加的趋势, 个别模式趋势系数的大小与观测相当, 大部分模式对东北和长江中下游地区的模拟结果呈与观测反向的变化趋势, 没有模式能够模拟出我国东部地区存在的东北—华北与华中—长江中下游—华南存在的极端强降水日数增加-减少-增加-减少的空间分布; 大部分模式模拟的极端强降水日数标准差与观测结果比较接近, 这可能主要是由于对观测和各模式使用了同样的判定极端强降水发生的方法。总的来看, 全球海气耦合模式对我国极端强降水的模拟能力还有待进一步改进。     

基于通量距平的大气-海洋-海冰耦合模式

该文是对基于月平均通量距平（ＭＦＡ）的海气耦合方案及其在４个海气耦合的环流模式中应用情况的一个综合评述．这些模式的实施情况表明，由于采用精细化了的参考通量，修正的ＭＦＡ（ＭＭＦＡ）比它的原型具有更为稳定的控制气候漂移的能力．     

全球海气耦合模式对东亚季风降水模拟的检验

以CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的40年再分析资料集ERA40为观测基础,分析了当前政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）的17个全球海气耦合模式对东亚季风区夏季降水和环流的模拟能力。结果表明:(1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至东亚西北部中国内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;(2) 大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:(1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;(2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,不利于降水的形成,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,空气湿度模拟值偏低、从而造成水汽输送偏弱也是导致东亚季风区夏季降水模拟偏小的原因之一。     

ARGO资料同化与海气耦合过程研究

本项目拟利用ARGO浮标等资料进行海洋物理过程、海气交换过程、资料同化以及改进海气耦合模式参数化方案的研究，这对提高我国的短期气候预测水平具有重要的作用。2003年顺利完成年度研究计划，取得的主要成果包括如下几个方面：     

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。     

一种新的El Ni(n)o海气耦合指数

利用1980～2010年月平均Hadley中心海表温度、美国全球海洋资料同化系统(GODAS)海洋温度和NCEP/NCAR大气环流再分析资料,通过对2个海洋要素(海表温度SST、上层热含量HC)和5个大气要素(海平面气压SLP、850 hPa风场、200hPa速度势和对外长波辐射OLR)的多变量经验正交函数展开(multivariate EOF,简称MV-EOF)探讨了热带太平洋的主要海气耦合特征.结果表明,MV-EOF分析的前两个耦合模态分别很好地对应了传统型El Ni(n)o和ElNiloModoki的海气耦合特征:传统型El Ni(n)o期间,伴随着赤道中东太平洋SST的异常增温,HC、SLP、200 hPa速度势等要素总体呈东西反相的“跷跷板”变化,低层850hPa赤道中太平洋出现较强西风距平,西北太平洋上空为反气旋性异常环流;ElNi(n)o Modoki期间,SST持续增温和HC正异常中心均显著西移至中太平洋,低层SLP和高空200 hPa速度势均呈现纬向三极型异常分布,低层异常强西风向西移至暖池东部,西北太平洋上空呈现气旋性异常环流.两类El Ni(n)o的海气耦合特征存在显著差异,较优的El Ni(n)o指数应不仅可以客观描述和区分El Ni(n)o现象本身,更要紧密联系两类事件所产生的大气响应.以往定量表征El Ni(n)o年际变化的指标大多立足于SST或SLP,本文选取HC作为研究指标,定义了一组新的El Ni(n)o指数HCEI和HCEMI.较以往基于SST的El Ni(n)o指数,HCEI和HCEMI不仅能更清楚地表征和区分两类El Ni(n)o(如1993年的传统型El Ni(n)o和2006年的El Ni(n)o Modoki),而且能更好地反映和区分两类El Ni(n)o与大气间的海气耦合特征,为ElNi(n)o的监测和短期气候预测工作提供了一个新工具.     

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.     

IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式的纬向平均大气气候态分析(英文)

分海洋和陆地两种情况来讨论IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式（GOAL）四个版本的结果,并与观测资料进行对比分析。一些重要的大气变量包括表面空气温度,海平面气压和降水率用来评估GOALS模式模拟当代气候和气候变率的能力。总的来说,GOALS模式的四个版本都能够合理地再现观测到的平均气候态和季节变化的主要特征。同时评估也揭示了模式的一些缺陷。可以清楚地看到模拟的全球平均海平面气压的主要误差是在陆地上。陆地上表面空气温度模拟偏高主要是由于陆面过程的影响。值得注意的是降水率模拟偏低主要是在海洋上,而中高纬的陆地降水在北半球冬天却比观测偏高。 通过模式不同版本之间的相互比较研究,可以发现模式中太阳辐射日变化物理过程的引入明显地改善了表面空气温度的模拟,尤其是在中低纬度的陆地上。太阳辐射日变化的引入对热带陆地的降水和中高纬度的冬季降水也有较大改进。而且,由于使用了逐日通量距平交换方案（DFA）,GOALS模式新版本模拟的海洋上的温度变率在中低纬度有了改善。 比较观测和模拟的年平均表面空气温度的标准差,可以发现GOALS模式四个版本都低估了海洋和陆地上的温度变率,文中还对影响观测和模拟温度变率差异的可能原因进行了探讨。     

5个海气耦合模式模拟东亚区域气候能力的初步分析

分析了CGCM1、CSIRO MK2、ECHAM4、HadCM2和GFDL共5个海气耦合模式模拟的东亚地区地面气温和降水量的多年平均值,并与观测值进行了比较,以初步考察全球模式对区域气候的模拟能力.结果表明,所有的模式对东亚地区地面气温及年变化的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值偏低,冬半年模拟结果较夏半年差;模式能模拟出东亚地区降水的时空分布特征,但模拟的区域性差别比较大,模式对西北、东北地区的模拟效果较差,就季节变化而言,冬、春模拟降水偏大.比较结果显示,ECHAM4和HadCM2对东亚地区地面气温和降水场的模拟效果优于其他模式.     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

全球海气耦合模式对中国区域年代际气候变化预测能力的评估

利用4个海气耦合模式对1960～2005年的多年代际回报结果,评估模式对中国区域年代际气候变化(温度和降水)的预测潜力,并初步给出2005～2015年的气候预测结果。与CMIP3多模式集合1960～2000年结果以及观测实况比较的结果表明:融入观测资料进行同化的年代际气候预测模式,对中国区域温度和降水的模拟能力总体好于CMIP3模式。年代际气候预测模式对温度气候场的模拟仍以"冷偏差"为主,但较之CMIP3模式已有显著改进,中国区域平均的冷偏差减少1.3°C;对降水气候场的模拟仍以"湿偏差"为主,但在华南沿海和西北内陆降水的模拟能力优于CMIP3模式,中国区域平均的湿偏差降低了20%。年代际模式和CMIP3模式都能较好地模拟出中国区域尤其是北方20世纪后期的增暖信号;但CMIP3模式对20世纪后期中国东部降水的旱涝结构演变的模拟与观测相反;而年代际气候预测模式未能再现华北偏旱的变化,但能成功地模拟江淮流域和华南沿海的旱涝演变。2005～2015年的10年预测表明中国区域将继续增暖0.3～0.7°C,且增温幅度北方大于南方,增幅中心位于西北内陆和青藏高原;而降水的变化趋势不显著,黄淮地区、西北内陆和青藏高原的降水略有增加,而西南地区降水将减少。但需要指出的是,这种预测的不确定性是相当大的。     

辐射参数化方案对一个海气耦合模式云和辐射模拟的影响

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响, 结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异; 晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低; 在60°S~60°N之间, Fu_Liou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测; 在对大气顶净辐射的模拟上, 除了冬季的太平洋和大西洋东岸云量明显减少的部分地区外, Fu_Liou方案对大气顶净辐射的模拟总体上较Morcrette方案有了较为明显的改善; Fu_Liou方案模拟的海洋低层云显著减少, 而热带地区高云的模拟明显增加; 由于采用了“二元云量”算法, 尽管云量有所减少, Fu_Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所增强, 一定程度上改进了Morcrette方案云的短波吸收作用偏弱的现象。