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。     

FGOALS-g模式及其参与CMIP6的方案

为参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）和进一步提高模式的模拟能力,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）模式团队发展了新一代的格点大气版本的FGOALS-g耦合模式。新版本模式在大气分辨率、海洋网格,以及各分量模式的物理过程等方面都有一定的改进,并正在参与CMIP6最核心的试验以及多个CMIP6模式比较子计划试验。给定CMIP6外强迫,模式在工业革命前参照试验（piControl）和大气模式比较计划（AMIP）试验中模拟的初步结果都比较合理。     

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.     

Simulating Crop Net Primary Production in China from 2000 to 2050 by Linking the Crop-C model with a FGOALS＇s Model Climate Change Scenario

Net primary production （NPP） of crop represents the capacity of sequestrating atmospheric CO2 in agro-ecosystem, and it plays an important role in terrestrial carbon cycling. By linking the Crop-C model with climate change scenario projected by a coupled GCM FGOALS via geographical information system （GIS） techniques, crop NPP in China was simulated from 2000 to 2050. The national averaged surface air temperature from FGOALS is projected to increase by 1.0℃ over this period and the corresponding atmospheric CO2 concentration is 535 ppm by 2050 under the IPCC A1B scenario. With a spatial resolution of 10 ×10 km^2, model simulation indicated that an annual average increase of 0.6 Tg C yr^-1 （Tg=10^12 g） would be possible under the A1B scenario. The NPP in the late 2040s would increase by 5% （30 Tg C） within the 98×10^6 hm^2 cropland area in contrast with that in the early 2000s. A further investigation suggested that changes in the NPP would not be evenly distributed in China. A higher increase would occur in a majority of regions located in eastern and northwestern China, while a slight reduction would appear in Hebei and Tianjin in northern China. The spatial characteristics of the crop NPP change are attributed primarily to the uneven distribution of temperature change.     

SST日变化对西太平洋暖池海表热通量季节内变化的影响(英文)

基于利用日最大太阳辐射、日平均海面风和日降水量近似计算海表温度（SST）日变化的振幅的方法,发展了一个计算SST日循环的参数化方案。利用周平均SST强迫美国国家大气研究中心（NCAR）的CCM3大气模式进行了有、无考虑SST日变化的比较试验。热带海洋与全球大气计划之耦合海气响应实验（TOGA COARE）的强化观测期间 IMET浮标的逐时海表观测资料不仅验证了该参数化方案的合理性,也表明了利用参数化方案对强迫场SST迭加日变化使CCM3较真实地模拟出西太平洋暖池海表热通量的季节内变化的位相结构。     

气候系统模式发展中的耦合器研制问题

基于"耦合器"框架、采用模块化结构是当今气候系统模式发展的主要技术方向.作者概述了耦合器的基本功能,对目前世界上应用比较广泛的11个耦合器进行了综合评述,重点是美国通用气候模式耦合器和法国的OASIS耦合器,扼要概括了目前较具影响力的三个耦合器发展计划,在此基础上,对耦合器的主要发展态势进行了总结,并结合自身模式发展的需求进行了讨论.     

Long-term behaviors of two versions of FGOALS2 in preindustrial control simulations with implications for 20th century simulations

Climate drift in preindustrial control (PICTL) simulations can lead to spurious climate trends and large uncertainties in historical and future climate simulations in coupled models. This study examined the long-term behaviors and stabilities of the PICTL simulations in the two versions of FGOALS2 (the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model Version 2), which have been submitted to the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5 (CMIP5). As verified by examining time series of thermal fields and their linear trends, the PICTL simulations showed stable long-term integration behaviors and no obvious climate drift [the magnitudes of linear trends of SST were both less than 0.04oC (100 yr)-1] over multiple centuries. The changed SSTs in a century (that corresponded to the linear trends) were less than the standard deviations of annual mean values, which implied the internal variability was not affected. These trend values were less than 10% of those of global averaged SST from observations and historical runs during the periods of slow and rapid warming. Such stable long-term integration behaviors reduced the uncertainty of the estimation of global warming rates in the historical and future climate projections in the two versions of FGOALS2. Compared with the trends in the Northern Hemisphere, larger trends existed in the SST and sea ice extents at the middle to high latitudes of the Southern Hemisphere (SH). To estimate the historical and future climate trends in the SH or at some specific regions in FGOALS2, corrections needed to be carried out. The similar long-term behaviors in the two versions of FGOALS2 may be attributed to proper physical processes in the ocean model.     

印度洋海温异常对南亚区域净初级生产力影响的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋-大气-动态植被耦合气候模式 (GOALS-AVIM) 的模拟结果, 分析了印度洋海表温度 (SST) 变化及其与南亚陆面净初级生产力 (NPP) 的关系。模式连续运行50年, 取后40年结果分析。对模拟的印度洋海表温度距平 (SSTA) 的经验正交分解 (EOF) 进行分析, 发现第一特征向量在全区域表现为一致变化的趋势, 表明在春夏秋冬四季中印度洋海温都有一致增暖或降温的趋势, 同时赤道印度洋海温一致变化与赤道太平洋Niño3指数有滞后的正相关, 太平洋的Niño3指数变化超前印度洋海温一致变化8个月左右。第二特征向量则表现为热带印度洋SST存在着东西方向振荡的偶极子型振荡特征, 而且偶极子强度有明显季节变化, 并有很明显的季节相位锁定。印度洋SSTA的一致变化的异常趋势与南亚地区的季节和年平均NPP变化表现出很强的同期和滞后相关性; 与南亚地区年平均NPP相关性较高的印度洋夏季SST的EOF第一模态正负相位对应着不同的850 hPa流场、 500 hPa高度场以及南亚地区降水场的异常。分析表明, 印度洋及南亚地区的夏季风加强或减弱导致受南亚地区降水异常, 并使该地区NPP产生异常的增加或减少。     

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

海气耦合气候模式对大气中水汽输送、辐散辐合与海气间水通量交换的模拟

基于ECMWF再分析结果对LASG第三代全球海洋-大气-陆地耦合系统模式(GOALS)的两个版本和第四代耦合气候模式初始版(FGCM-0)所模拟的大气水汽输送与辐散辐合特征、海气间水通量交换,进行了评估分析.结果表明:(1)对垂直积分的水汽通量场的流函数及其对应的无辐散水汽通量矢量的模拟,三个耦合模式都能够较为合理地再现副热带大洋的涡旋结构、中纬度西风带的东向水汽输送、赤道东风带的西向水汽输送和东亚夏季风水汽输送等行星尺度特征及其季节变化,只是GOALS的涡旋位置、FGCM-0的涡旋中心强度,较之实际略有偏差.(2)反映在垂直积分的水汽通量场的势函数和对应的无旋水汽矢量上,对南北半球副热带大洋水汽辐散区、热带辐合带(ITCZ)、东亚夏季风区强烈的水汽辐合特征等的模拟,FGCM-0的结果相对合理.GOALS的热带辐合中心过于集中在印度尼西亚群岛附近,东亚夏季风水汽辐合中心偏南.(3)关于海气水通量交换,FGCM-0较为理想地再现了副热带的净蒸发、ITCZ和中高纬度的净降水特征以及夏季ITCZ的季节性北移,但对南太平洋辐合带(SPCZ)、副热带南大西洋的净蒸发特点,以及阿拉伯海和盂加拉湾季节变化的差异,模拟结果不理想.FGCM-0在模拟SPCZ上的偏差,是由海气耦合过程造成的.GOALS未能合理再现ITCZ和SPCZ降水大于蒸发的特点,其净降水集中在西太平洋暖池区;但对副热带南大西洋、北印度洋水通量季节变化的模拟相对合理.