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.     

影响春季热带太平洋地区海温变化的动力热力作用分析

厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）春季预报障碍是ENSO预测的一个难点问题,弄清影响春季热带太平洋地区海表温度（SST）变化的动力和热力作用对于理解ENSO关键区SST的异常变化及ENSO春季预报障碍成因非常重要。本文利用BCC-CSM2-MR数值模式,模拟产生一套1986～2017年间相互协调的逐月海表风应力、感热、潜热、长波和短波净辐射能量、海洋流场等观测代用数据。利用这些数据对影响海温变化的动力和热力作用及其相对重要性进行了诊断分析,结果表明:（1）与其他季节相比,春季Ni?o3.4区海洋表层温度（后文中用T_S表示）呈现出独特的先增暖后趋冷的不对称季节性转换特征,这一变化主要是由于影响T_S的大气风应力、海流以及能量净通量在春季均表现出明显的季节性转换过程。进一步的分析表明,热力作用对局地海温的季节性变化影响最为重要,水平平流输送以反向作用为主,其中经向平流输送起到了反向作用,不利于该区域T_S的季节性转变,纬向平流输送仅在春季转为弱的正贡献,浅层垂直平流输送对春季T_S变化的影响很小。（2）动力热力作用与T_S异常的变化倾向相关关系也表明,春季Ni?o3.4区热力作用与T_S异常变化呈现显著的正相关,纬向海流异常的输送项也表现为正相关,而经向海流输送项展现出由负相关向正相关转化的特征。（3）对Ni?o3.4区T_S变化的方差贡献分析结果表明,春季热力作用对T_S的异常变化的贡献达50%以上,相关系数超0.7,其次是纬向、经向平流项贡献,各占10%～20%左右,但两者作用相反,其他项贡献较小。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

沙尘气溶胶的光学特性及辐射强迫效应

在采用OPAC折射指数资料库和对数分布的基础上,利用MIE散射理论和一个简单的概念模型研究了沙尘气溶胶的辐射特性及全球直接辐射强迫值,分析了单相系沙尘气溶胶的消光、散射、吸收效率因子与粒径的关系,讨论了多相系沙尘气溶胶的光学参数随波长的变化特征。结果表明,消光效率因子和散射效率因子随粒径增大而衰减振荡,随波长增大振荡特性逐渐消失。消光系数对众数半径的变化很敏感,单次散射反照率和非对称因子对众数半径的变化不敏感。沙尘气溶胶的直接辐射强迫受气溶胶的单次散射反照率影响很大,随着众数半径的增大,沙尘气溶胶的负的直接辐射强迫值在减小,正辐射强迫值在增大。     

CCM3模式中LSM积雪方案的改进研究(Ⅱ):全球模拟试验分析

为了进一步检验新LSM积雪方案的气候模拟性能,经文献[1]单站模拟检验后,在本文中又进一步将其加入CCM3模式中,分别积分近两年。模拟结果表明：原LSM和新LSM积雪方案虽然都能再现全球气候的主要平均特征,但经改进后的新积雪方案对全球积雪气候、降水等要素场及环流等的气候模拟性能比原LSM积雪方案更好些。     

气候系统模式对南亚高压气候特征的模拟比较研究

应用国家气候中心气候模式(BCC_CSM1.1)CMIP5和AMIP试验结果对模式模拟南亚高压的能力进行了评估。结果表明,BCC_CSM1.1模式对作为北半球高层大气环流活动中心的南亚高压有较好的模拟能力。它能够模拟出南亚高压的气候平均状态、季节变化,对南亚高压脊线的位置、高压中心的位置及其季节变化也有较好的模拟。模式存在的主要问题是高度场和南亚高压强度的模拟结果较观测明显偏弱;模拟的脊线位置在冬半年要比观测略偏南;模拟的南亚高压中心在某些月份与观测有出入,例如,5月南亚高压中心的模拟较观测偏西,夏季南亚高压的双中心的位置与实际也略有差异;模拟的南亚高压强度偏低与多种因素有关。比较耦合模式与单独大气模式模拟的南亚高压强度发现,在给定观测海温的条件下,模拟的误差减小13%~15%。因此可以认为耦合模式的误差大部分来自大气分量。海洋模拟的改进虽然对总体的模拟结果有所改进但贡献不大;比较T106和T42两种分辨率的模式对南亚高压进行模拟结果发现,分辨率的提高明显减小了南亚高压及全球100 h Pa位势高度场的模拟误差。为验证地形强迫对模拟结果的影响,进行了改变青藏高原地形高度的试验,结果表明青藏高原地形高度对南亚高压的强度有明显的影响,高原高度升高将会促使南亚高压及更大范围的高层位势高度场增强。因此,正确给定高原地形这一模式的下边界条件,对模拟结果的改进有重要作用。     

The Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land system model, Spectral Version 2: FGOALS-s2

The Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Spectral Version 2 (FGOALS-s2) was used to simulate realistic climates and to study anthropogenic influences on climate change. Specifically, the FGOALS-s2 was integrated with Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) to conduct coordinated experiments that will provide valuable scientific information to climate research communities. The performances of FGOALS-s2 were assessed in simulating major climate phenomena, and documented both the strengths and weaknesses of the model. The results indicate that FGOALS-s2 successfully overcomes climate drift, and realistically models global and regional climate characteristics, including SST, precipitation, and atmospheric circulation. In particular, the model accurately captures annual and semi-annual SST cycles in the equatorial Pacific Ocean, and the main characteristic features of the Asian summer monsoon, which include a low-level southwestern jet and five monsoon rainfall centers. The simulated climate variability was further examined in terms of teleconnections, leading modes of global SST (namely, ENSO), Pacific Decadal Oscillations (PDO), and changes in 19th–20th century climate. The analysis demonstrates that FGOALS-s2 realistically simulates extra-tropical teleconnection patterns of large-scale climate, and irregular ENSO periods. The model gives fairly reasonable reconstructions of spatial patterns of PDO and global monsoon changes in the 20th century. However, because the indirect effects of aerosols are not included in the model, the simulated global temperature change during the period 1850–2005 is greater than the observed warming, by 0.6°C. Some other shortcomings of the model are also noted.     

BCC_CSM1.0模式对20世纪降水及其变率的模拟

应用国家气候中心气候系统模式 (BCC_CSM1.0),在给定温室气体、太阳常数、硫酸盐气溶胶、火山灰等外强迫数据的条件下,对19世纪末到20世纪气候进行模拟。对降水模拟结果的检验表明:BCC_CSM1.0模式能够模拟出全球降水的基本气候状态、季节变化、季节内振荡、年际变化等特征。模拟结果显示:与CMAP及CRU观测分析资料相比基本一致,全球陆地降水在过去一个多世纪中存在上升趋势。同时,模式也存在不足和需要改进之处:模拟降水的时空分布与观测不一致;我国东部地区的雨带季节转变较观测偏快;主要雨带位置较观测偏西、偏北;夏季青藏高原东北侧有虚假的降水中心;热带季节内振荡较实际偏弱;降水年际变率较观测略大,主要发生在降水较明显的热带。BCC_CSM1.0模式模拟的全球陆地降水以及欧亚、亚洲、中国大陆 (中国东部、江南、华北等地区) 平均降水与近105年由观测所得的CRU资料基本一致,但多数地区比观测略偏低。模拟的全球陆地、中国东部、江南、华北等地区的降水趋势也与CRU资料一致;模拟的全球陆地降水在过去105年中有明显的上升趋势,与CRU资料相比,上升趋势更强,但在欧亚、亚洲、中国范围内模拟的降水趋势与观测有一定的差异。     

热带太平洋年际尺度和热带不稳定波引起的叶绿素变率对ENSO调制的互补效应

在热带太平洋,观测数据表明海表叶绿素(Chl)表现出年际尺度变率和由热带不稳定波(TIW)引发的中小尺度扰动这两者的共存现象;两者通过海洋生物引发的加热(OBH)反馈对ENSO造成的联合影响尚未得到充分的表征和理解.本文利用一个混合型大气-海洋物理-生物地球化学耦合模式(HCM AOPB)来量化年际和TIW尺度上Chl扰动对ENSO的单独以及联合调制影响. HCM敏感性试验结果证实了两者对ENSO振幅存在相反的作用,其中大尺度Chl年际变率造成的海洋生物-气候反馈效应通过其对上层海洋层结和垂向混合的影响来减弱ENSO,而TIW尺度的Chl扰动则倾向于增强ENSO.气候模式中ENSO的模拟敏感地依赖于对不同尺度上Chl效应的表征方式,因此有必要在气候模式模拟中充分地考虑不同尺度上Chl引发的气候效应.本文揭示了热带太平洋Chl效应是气候模式中ENSO模拟的一个偏差源,可为不同尺度上热带太平洋气候系统与海洋生态系统间相互作用提供新的见解.这些结果也揭示了ENSO调制的复杂性:即热带太平洋海洋生物地球化学过程相关的年际和TIW尺度上的Chl扰动与物理过程间的相互作用可对ENSO产生协同效应.     

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。