The Dynamical and Climate Tests of an Atmospheric General Circulation Model Using the Second-Order Adams-Bashforth Method

The Asselin-Robert time filter used in the leapfrog scheme can degrade the accuracy of calculations. The second-order Adams-Bashforth method with the same accuracy as the leapfrog scheme is not subject to time splitting instability. A new semi-implicit atmospheric general circulation spectral model is developed on the basis of NCAR (National Center for Atmospheric Research) CAM3.0 (Community Atmosphere Model3.0). In this new model, the second-order Adams-Bashforth method is used as an alternative to the leapfrog scheme, and a Crank-Nicholson scheme is incorporated for the treatment of fast gravity modes. In this paper, the new model is tested by the Held-Suarez test and an idealized baroclinic wave test. Results of the Held-Suarez test show that the second-order Adams-Bashforth model has similar climate states to those of many other global models and it converges with resolutions. Based on the idealized baroclinic wave test, the capability of di?erent time di?erencing methods for keeping the initial steady-state are compared.This convinces a better ability of the second-order Adams-Bashforth method in maintaining the stability of the initial state. Furthermore, after the baroclinic wave is triggered through overlaying the steady-state initial conditions with the zonal perturbation, the second-order Adams-Bashforth method has an excellent property of convergence, and can represent the process of the baroclinic wave development much better than the original scheme in CAM3.0. A long-term integration of the new model during the period of 1980-1999 is also carried out and compared with that of CAM3.0. It is found that due to the reduction of simulation errors of prognostic variables, the second-order Adams-Bashforth method also has a better simulation ability for the diagnostic variables, such as precipitation.     

Comparison of Different Order Adams-Bashforth Methods in anAtmospheric General Circulation Model

The Asselin-Robert time filter used in the leapfrog scheme does degrade the accuracy of calculations. As an attractive alternative to leapfrog time differencing, the second-order Adams-Bashforth method is not subject to time splitting instability and keeps excellent calculation accuracy. A second-order Adams- Bashforth model has been developed, which represents better stability, excellent convergence and improved simulation of prognostic variables. Based on these results, the higher-order Adams-Bashforth methods are developed on the basis of NCAR (National Center for Atmospheric Research) CAM 3.1 (Community Atmosphere Model 3.1) and the characteristics of dynamical cores are analyzed in this paper. By using Lorenz nonlinear convective equations, the filtered leapfrog scheme shows an excellent pattern for eliminating 2Δt wave solutions after 20 steps but represents less computational solution accuracy. The fourth-order Adams- Bashforth method is closely converged to the exact solution and provides a reference against which other methods may be compared. Thus, the Adams-Bashforth methods produce more accurate and convergent solution with differencing order increasing. The Held-Suarez idealized test is carried out to demonstrate that all methods have similar climate states to the results of many other global models for long-term integration. Besides, higher-order methods perform better in mass conservation and exhibit improvement in simulating tropospheric westerly jets, which is likely equivalent to the advantages of increasing horizontal resolutions. Based on the idealized baroclinic wave test, a better capability of the higher-order method in maintaining simulation stability is convinced. Furthermore, after the baroclinic wave is triggered through overlaying the steady-state initial conditions with the zonal perturbation, the higher-order method has a better ability in the simulation of baroclinic wave perturbation.     

蛙跳格式的替代方案及其在大气环流模式中的应用

蛙跳（Leapfrog）时间差分格式采用AsselinRobert时间滤波方案去除计算解能够降低原始方程组的时间差分格式的计算精度,采用二阶Runge-Kutta格式构造欧拉前差方案可弥补蛙跳格式的不足。即在不存在计算解的条件下去除滤波影响,更大程度保持方程组的计算准确性。作者基于NCAR CAM3.0(Community Atmosphere Model 3.0)完善的软件平台,将原模式的三时间层蛙跳时间差分方案修改为两时间层二阶Runge-Kutta时间差分格式,对与重力波有关项使用中央差隐式处理,以此构建半隐式大气环流谱模式。通过斜压波实验比较不同格式在保持初值稳定性上的表现,从而发现,二阶Runge-Kutta方案能够更好的保证方案的初值稳定性。同时在纬向对称平衡场中加入扰动的情况下,二阶Runge-Kutta方案模拟的斜压波动发展演变的特征具有良好的收敛性,对波动发展的描述能力更强。存在这种优势的可能原因可归结为格式自身的优势和摆脱了时间滤波的负面影响,通过加入不同滤波系数的比较实验可以看到,滤波的平滑作用对模式结果的影响显著,但格式自身的优势也是改进模拟结果的主要因素。通过非绝热条件下20 年（1980～1999年）气候态全模式模拟考察模式在气候模拟中的表现,结果表明,此方案在长期的气候模拟中同样可降低预报变量及诊断变量的模拟误差,具有更好的模拟能力。     

The African Climate as Predicted by the IAP Grid-Point Nine-Layer Atmospheric General Circulation Model (IAP-9L-AGCM)

ＴｈｅＡｆｒｉｃａｎＣｌｉｍａｔｅａｓＰｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｔｈｅＩＡＰＧｒｉｄ－ＰｏｉｎｔＮｉｎｅ－ＬａｙｅｒＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＧｅｎｅｒａｌＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ（ＩＡＰ－９Ｌ－ＡＧＣＭ）ＣｈｉｎｅｋｅＴｈｅｏＣｈｉｄｉｅｚｉｅ①，...     

准两年振荡及其对东亚大气环流和气候的影响

通过多年资料分析,本文研究了平流层准两年振荡(QBO)的演变特征及其对东亚及西太平洋地区大气环流和气候变化的影响.结果表明,平流层QBO的演变特征是:东风向西风转换最早出现在印度洋赤道地区;西风向东风转换最早出现在美洲和西太平洋赤道地区.中国东部降水量、气温以及西太平洋副高和东亚急流都有准两年周期变化,并同平流层QBO有密切关系;平流层QBO对西太平洋台风活动也有一定影响,QBO的西风位相期西太平洋台风偏少.另外,ENSO对于平流层QBO有明显影响,一般在ENSO发生之后,QBO的西风位相期持续时间缩短.     

Simulations of the Tropical Intraseasonal Oscillation by the Atmospheric General Circulation Model of the Beijing Climate Center

The performance of BCC (Beijing Climate Center) AGCM 2.0.1 (Atmospheric General Circulation Model version 2.0.1) in simulating the tropical intraseasonal oscillation (TIO) is examined in this paper.The simulations are validated against observation and compared with the NCAR CAM3 (Community Atmosphere Model version 3) results.The BCC AGCM2.0.1 is developed based on the original BCC AGCM (version 1) and NCAR CAM3.New reference atmosphere and reference pressure are introduced into the model.Therefore,the origi...     

舍入误差对大气环流模式模拟结果的影响

此文旨在研究气候数值模式的长期计算时受舍入误差的影响。通过对大气环流谱模式SAMIL采用不同CPU数计算时获得的长时间积分结果进行分析,发现使用不同CPU数进行单精度计算时,其十年平均月平均500 hPa高度场随机误差在正负6～8 gpm范围内,而使用双精度计算时相应的误差为正负3～4 gpm。对于气候平均场而言,作者的试验表明SAMIL在并行计算时由于计算顺序改变而引起的误差在可接受范围之内。然而,虽然舍入误差的全球平均值不大,但其误差分布的差别范围并不小。数值试验得到的不同模拟结果之间误差大小与模拟结果的自身年际变化大小在同样的量级,因此对于“年际变化”这样的问题来说,其影响是不可忽略的,必须要使用集合预报的办法来减小误差的影响。文中列出了3种研究复杂数值模式舍入误差的实验方法,指出其一定条件下的等效性和不同适用范围,对于其他模式的舍入误差影响研究有一定的参考价值。在舍入误差分析的基础上,介绍了一种新型的专门针对舍入误差的集合预报方法（舍入误差平均集合,RME）,指出了其在气候模拟研究中的应用价值。     

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

印度洋偶极子对大气环流和气候的影响

赤道印度洋SST的分析研究证实了偶极子型振荡的存在，它在9-11月较强而在1-4月较弱。若以海温西高东低为偶极子振荡正位相，以海温东高西低为负位相，则一般是正位相时振荡要强于负位相。印度洋偶极子也存在年际（主要周期为4－5年）和年代际（主要周期为25-30年）变化。分析研究表明，印度洋偶极子对亚洲季风活动有明显影响，因为亚洲地区对流层低层的风场，南亚高压和西太平洋副高强度都与印度洋偶极子有关。另外，印度洋偶极子还对北美和南印度洋（包括澳大利亚和南美）地区的大气环流和气流有影响。     

大气环流模式中云系的超级参数化方案及其特征线方法之研究

就大气环流模式中如何有效处理云系,我们的目标:建立能考虑各种尺度和各种过程之间相互作用的多重尺度云系动力学(下称:云系超级参数化),并应同时考虑如下云的几何学与辐射传输两个问题:1)云的几何学,考虑如何描写云内结构的三维不均匀性和表面特征的几何不光滑性;2)云的辐射,考虑复杂云结构的辐射计算问题,并最终在大气环流模式中具体实现.本研究是理论部分,主要论述云系超级参数化框架和计算方法问题,主要结论如下:1)阐明了从多重尺度角度研究大气模式中云系的超级参数化方案是完全必要的.2)本云系超级参数化方案是3维完全Euler流体方程组,保留了全Coriolis力,Ertel全PV守恒,考虑声波等对云和降水微物理过程的影响.该云系超级参数化方案需要与大气大尺度动力学方程组进行耦合.3)关键问题为确定云系局部解的存在时间长度,不必考虑整体解.因为在实际大气中各物理量的不光滑,甚至不连续和间断,是有充分的物理意义的.大气中的间断除粘性和热传导等不可逆过程外,同时伴随着成云致雨的相变过程.4)在可积性和连续性条件下,证明了特征线的存在性;在Lipshitz条件下,证明了特征线的存在性和唯一性.5)给出了特征线积分的Picard方法的具体计算步骤,并同时给出了特征线积分稳定步长的具体条件.6)沿着特征线,初始场随着时间的推移,将发生平移、旋转与纯变形三种位移的几何和,这就是球面上平流方程的保形问题.     

典型南涝（旱）北旱（涝）梅雨大气环流特征差异及动力诊断分析

利用NCEP逐日再分析资料,采用合成分析和动力诊断方法比较研究了典型南涝(旱)北旱(涝)梅雨大气环流特征差异,逐一考察了近20种物理量对其主雨带位置的诊断识别能力.结果表明:典型南涝(旱)北旱(涝)梅雨极涡偏强(弱),亚欧中高纬槽脊振幅较大(小),中纬度110°E～150°E地区位势高度明显偏低(高),冷空气势力偏强(...     

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NCARCCM3全球模式中LSM陆面模型中的积雪方案的模拟效果,在Sun等[1]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.     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

中国东部夏季降水与东亚垂直环流结构及其预测试验

本文在分析中国东部夏季降水的时空分布特征基础上, 从东亚高、中、低层大尺度环流异常着手, 选取对中国东部夏季降水异常有显著影响的大气环流预报因子, 分别应用逐步回归和最优子集回归法两种统计降尺度方法, 以动力气候模式CAM3.1预报输出的大气环流预报因子为基础, 以中国东部夏季降水的典型空间分布型为预报对象, 建立动力与统计相结合的中国东部夏季降水预测模型, 并对1981～2000年的中国东部夏季降水进行回报试验。结果表明: 中国东部夏季降水具有4类典型的空间分布型式, 且具有显著的准2年和年代际尺度振荡周期; 东亚高、中、低层大气环流异常的特定配置, 对东部夏季降水的空间分布型有显著影响; 使用两种降尺度方案建立的动力与统计相结合的预测模型对中国东部夏季降水异常具有一定的预报技巧, 可以在一定程度上提高动力模式对中国东部夏季降水的预报效果。     

东亚地区夏季大气环流季节循环进程及其在区域持续性降水异常形成中的作用

利用32年(1968～1999年)月平均NCAR/NCEP再分析资料,分析了东亚地区夏季大气环流的季节循环进程, 并以1991/1994年为例,探讨了东亚地区夏季7～8月对流层上层环流的季节循环提前和延迟与气候平均的季节循环的差异,以及在江淮流域持续性降水异常过程中的作用,证实东亚地区季节循环的变异对形成我国东部地区持续性降水异常,特别是7月旱涝起着重要作用,江淮流域旱涝一般是和东亚地区大气环流季节循环的提早或推迟一个月左右相对应.通过波作用量的动力学诊断分析,研究了欧亚大陆沿副热带西风急流传播的异常准静止波的传播特征,并从以副热带西风急流为波导的准静止波(或者遥相关)角度对东亚地区夏季7～8月环流季节循环进程提前和延迟的可能机制作了分析.     

The Application of Flux-Form Semi-Lagrangian Transport Scheme in a Spectral Atmosphere Model

A flux-form semi-Lagrangian transport scheme(FFSL) was implemented in a spectral atmospheric GCM developed and used at IAP/LASG.Idealized numerical experiments show that the scheme is good at shape preserving with less dissipation and dispersion,in comparison with other conventional schemes.Importantly,FFSL can automatically maintain the positive definition of the transported tracers,which was an underlying problem in the previous spectral composite method(SCM).To comprehensively investigate the impact of FFSL on GCM results,we conducted sensitive experiments.Three main improvements resulted:first,rainfall simulation in both distribution and intensity was notably improved,which led to an improvement in precipitation frequency.Second,the dry bias in the lower troposphere was significantly reduced compared with SCM simulations.Third,according to the Taylor diagram,the FFSL scheme yields simulations that are superior to those using the SCM:a higher correlation between model output and observation data was achieved with the FFSL scheme,especially for humidity in lower troposphere.However,the moist bias in the middle and upper troposphere was more pronounced with the FFSL scheme.This bias led to an over-simulation of precipitable water in comparison with reanalysis data.Possible explanations,as well as solutions,are discussed herein.     

2012年华南前汛期降水特征及环流异常分析

2012年华南前汛期于4月第2候开始,6月第5候结束。前汛期降水经历了三个不同的阶段：第一阶段是4月第2候至5月第3候的降水集中期（锋面降水）,江南大部和华南大部降水偏多25％以上,第二阶段是5月第4候至6月第2候的少雨期,华南中部和东部降水偏少50％以上,第三阶段是6月第3—5候的第二个降水集中期（季风降水）,江南东南部至华南中西部降水偏多50％以上。对各阶段大气环流距平场的分析结果表明：华南前汛期开始后,偏强的乌拉尔山高压脊导致南下的冷空气偏强,偏强的低层副热带高压使得我国南方为整层水汽输送的异常辐合区,两者共同导致华南前汛期第一阶段的锋面降水较常年同期偏多;南海夏季风在爆发后偏弱和西北太平洋副热带高压（以下简称副高）持续3候异常偏北是导致第二阶段前汛期降水明显偏少的主要原因;第三阶段,南海夏季风异常偏强,副高南落并增强,以及孟加拉湾季风槽的偏强使得华南前汛期此阶段的季风降水偏多。     

大气环流的季节突变与季风的建立I·基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程。该理论方法将环流突变和季风建立时段,其“变差度”和与其前和其后场的“相似度”等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的“流”[flow])一起求出来。研究I先分析气候平均场,II分析各个别年份的情况及年际变化。研究I的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出“突变”时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的“预兆日期”,它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的“季风来临日期”要早2至4天。(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进都很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢。(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部。南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆。7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近。副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6~7月间只表现为在(5~20°N,120~150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸)。这里暂不讨论温寒带季风分支。(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风“爆发”之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风“爆发”(建立)。平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究。     

伴随系统及非线性优化方法在REM模式可预报性研究中的实际个例应用

利用REM模式的伴随系统和非线性优化方法，通过三个实际天气个例，对REM模式的可预报性问题进行了研究。结果表明，REM模式在给定的实际应用中可接受的预报误差范围内，对三个天气个例都具有预报能力。对于个例一，利用现有的常规报文初始观测场，进行简单的插值处理（最优插值等），REM数值模式就可以得到比较满意的预报结果； 对于个例二和个例三，对现有的报文初始观测场进行处理（如四维变分资料同化）后，REM模式在给定的误差允许范围内，对这两个天气个例仍得到满意的预报。研究结果不仅对改进数值模式具有一定的指导意义，而且对如何改进数值模式的初值问题，特别是在中尺度天气预报中如何改进具有一定的参考价值。