温盐环流与全球增暖的数值模拟 (一)纬向平均温盐环流的模拟

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第一部分。为了建立一个简单海一气耦合模型，我们首先根据Ｗｒｉｇｈｔ和Ｓｔｏｋｅｒ等人的设计复制出一个包括大西洋、太平洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，从等温、等盐和无运动的初始状态出发，在给定的年平均海表强迫下将模式积分了４０００年，模拟出了和原作相似的温盐环流。对模拟结果的分析表明，相对于北太平洋而言，北大西洋北部的高盐、低温特点（后者是由两大洋在地理上的差别决定的）是形成当代温盐环流的主要原因；从与温盐环流相联系的海表热通量来看，北大西洋北部是向大气提供热量的主要源地；模式温盐环流对于海表盐度通量的敏感性试验的结果表明，对于纬圈平均的二维模式而言，要想模拟出合理的温盐环流就必须人为地提高北大西洋北部的海表盐度，文章分析了这种作法的物理根据；模式中的对流过程对于温盐环流的维持是至关重要的，对比有无季节循环的试验结果可以看出，虽然温度场的明显的季节变化只出现在模式的最上面两层，但由于引进季节循环后冬季高纬海洋的对流活动加强，后者直接影响到温盐环流，使更多的深海热量上传并向大气释放。这是使海洋温跃层得以保持合理．厚度的一个重要原因。     

LASG耦合气候系统模式FGCM-1.0

本文描述了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)最新发展的一个耦合气候系统模式的基本性能. 该模式是在LASG灵活的全球耦合气候系统模式（英文缩写为FGCM）的初始版本FGCM-0的基础上发展而来的,是该系列耦合模式的第二个版本,即FGCM-1.0. FGCM-1.0通过一个通量耦合器将大气、海洋和海冰三个分量模式耦合在一起,其中海洋分量模式是LASG发展的一个涡相容分辨率（eddy-permitting）全球海洋环流模式,大气和海冰分量模式则为美国国家大气研究中心（NCAR）的大气环流模式CAM2和海冰模式CSIM4. 耦合模式完整地考虑了海气界面上的动量、热量和淡水通量交换,尽管在模式中没有使用任何形式的人为的通量调整或者通量距平方案,模式还是比较合理地模拟出基本的气候形态. 通过对该耦合模式长期积分结果的进一步分析发现,模式能够比较好地模拟出厄尔尼诺－南方涛动（ENSO）以及印度洋偶极子事件的基本特征;与FGCM系列耦合模式的最初版本FGCM-0相比,FGCM-1.0模拟的北赤道逆流（NECC）和ENSO循环更加真实.     

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     

一个大羊环流模式中赤道西太平洋暖池海面温度对西风爆发的响应

用逐日的欧洲中期数值预报中心再分析(ERA)风应力,和由Haney公式结合ERA海表资料与预报海温计算出的热通量强迫一个全球大洋环流模式.并用逐日的模拟结果与TOGA-COARE(Tropical Ocean--Global Atmosphere--Coupled Ocean-AtmosphereResponse Experiment)浮标观测资料对比,分析模拟结果中暖池海区上层海洋热量平衡对西风爆发(WWB)的响应.在第一次WWB过程中,模拟与观测的主要差异在WWB期间,而造成差异的原因主要是模式中由下沉运动引起的增温和由强的纬向温度梯度引起的暖平流.初步认为下沉增温可能是差分格式本身和模式分辨率不足造成的.从热量平衡的结果看,第二次WWB事件的模拟比第一次更成功,两次差异可能与两次WWB事件的季节背景不同有关.     

太平洋大尺度环流数值模拟 I:数学模式及其性能

本工作基于曾庆存的海洋环流模式设计思想和大气物理研究所海洋环流模式(IAPOGCM)基本动力框架,设计并实现了四层太平洋环流模式;同时引进稳定有效的时间积分方案和海表热通量参数化方法,对太平洋大尺度环流进行了较为系统的数值模拟. 本文首先导出消除“刚盖”近似、扣除海洋标准层结、保持总有效能量守恒的OGCM基本方程组;给出空间差分格式和时间积分方案,引入海表热通量计算方法;然后,在太平洋区域对所设计的四层OGCM的一些模式性能进行了分析、表明,时间积分方案采用基于“灵活性系数”技术的加速收敛方法和适应过程中流场正压斜压进一步分解算法,同时采取一些技术处理,可确保模式稳定而有效地进行长时间数值积分、有效能量分析表明,与海面起伏相联系的有效表面位能是总有效能量的重要组成部分,它与动能同量级甚至更大些,因此在OGCM中须考虑有效表面位能与其它能量间的转换机制,这在物理上更加合理,而采用“刚盖”近似则是不合理的;同时,扣除海洋标准层结,缩小了位能与动能之间的量级差别,有利于长期数值积分的稳定进行.此外,这个模式能直接计算海面起伏和分析有效能量,使得表面流场和上层海洋热储率的模拟比已有文献的结果有明显的改进.除模式设计外,本部分只给出模式的基本性能,系统的模拟结果将在第Ⅱ,Ⅲ两部分发表.     

一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式Ⅱ.模式气候漂移和增强温室效应的初步分析

着重分析和讨论全球大气，海洋－海冰耦合环流模式的两个长时间数值积分试验──１３０年控制试验和９５年敏感性试验（增强温室效应试验），尤其是控制试验中的气候漂移现象以及与此相关的敏感性试验中增援信号的提取问题。在控制试验中，大气二氧化碳浓度维持当前的气候值不变；而在敏感性试验中，大气二氧化碳浓度开始时以１％的速率等比增加，它在积分至７０年且其值已达初始值的二倍后便不再变化。分析结果表明，尽管这个耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移，但敏感性试验给出的全球增暖的基本特征在物理上是合理的；这个耦合模式产生气候漂移的主要源地是在高纬度海洋的冰水交界区，且初步的热收支估算揭示它可能与冰－水交界区的耦合方案有关。本文最后在对控制试验和敏感性试验的环流型式的时间演变进行相关分析的基础上给出了有关全球增暖幅度的３种估计，同时指出：尽管全球增暖的空间分布不可避免地要受到模式气候漂移的影响，但这种影响的大部分在计算气温年较差的变化时却可以被自动扣除。     

一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

The flexible global ocean-atmosphere-land system model, Grid-point Version 2: FGOALS-g2

This study mainly introduces the development of the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System Model: Grid-point Version 2 (FGOALS-g2) and the preliminary evaluations of its performances based on results from the pre-industrial control run and four members of historical runs according to the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) experiment design. The results suggest that many obvious improvements have been achieved by the FGOALS-g2 compared with the previous version,FGOALS-g1, including its climatological mean states, climate variability, and 20th century surface temperature evolution. For example,FGOALS-g2 better simulates the frequency of tropical land precipitation, East Asian Monsoon precipitation and its seasonal cycle, MJO and ENSO, which are closely related to the updated cumulus parameterization scheme, as well as the alleviation of uncertainties in some key parameters in shallow and deep convection schemes, cloud fraction, cloud macro/microphysical processes and the boundary layer scheme in its atmospheric model. The annual cycle of sea surface temperature along the equator in the Pacific is significantly improved in the new version. The sea ice salinity simulation is one of the unique characteristics of FGOALS-g2, although it is somehow inconsistent with empirical observations in the Antarctic.     

青藏高原对东亚纬向型环流形成的动力作用

本文用大气环流的气候资料,指出东亚地区纬向型环流较多。利用原始方程数值模拟和简单的理论分析讨论了形成区类环流特征的动力机制;并指出东亚纬向型环流比北美多,可能是与青藏高原和洛矶山高原的地形强迫性动力作用的特点不同有关。     

THE INTERBASIN TRANSPORT OF ATMOSPHERIC MOISTURE EVALUATED FROM NCEP/NCAR REANALYSIS DATA

With the objective of providing a relatively accurate and complete diagram,the global scaleinterbasin transport of atmospheric moisture on the basis of the NCEP/NCAR reanalysis data for theperiod 1980 to 1994 is evaluated.The results show that the net zonal vapor flux for the Pacific,theAtlantic and the Indian Oceans is 0.25 Sv,—0.68 Sv and —0.29 Sv respectively.The markingdifferences in the zonal moisture budget among individual basins are speculated as the reason thatdominates the differences in the salinity between the Pacific and the Atlantic Oceans.Though currentevaluation on the net zonal moisture flux for the Atlantic basin is generally in qualitative agreementwith the previous estimate,quantitative discrepancy is found to exist.According to current statistics,the tropical easterlies carry water vapor of 0.43 Sv from the Atlantic basin across Central Americainto the Pacific,and the northern westerlies allow water vapor of 0.25 Sv to escape from the Pacific.Quantitative analyses also reveal that the seasonal variation of net zonal vapor flux for the Pacific andthe Indian Oceans is stronger than that for the Atlantic,which may be favorable for the maintenanceof high salinity feature of the Atlantic Ocean.