FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的高分辨率模式比较子计划（HighResMIP）,建立了海洋环流预测系统（LFS）等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动（TIW）等事件。     

Simulations of the 100-hPa South Asian High and precipitation over East Asia with IPCC coupled GCMs

The South Asian High (SAH) and precipitation over East Asia simulated by 11 coupled GCMs associated with the forthcoming Intergovernmental Panel on Climate Change’s (IPCC) 4th Assessment Report are evaluated. The seasonal behavior of the SAH is presented for each model. Analyses of the results show that all models are able to reproduce the seasonal cycle of the SAH. Locations of the SAH center are also basically reproduced by these models. All models underestimate the intensity and the extension of coverage in summer. The anomalous SAH can be divided into east and west modes according to its longitudinal position in summer on the interannual timescale, and the composite anomalies of the observed precipitation for these two modes tend to have opposite signs over East Asia. However, only several coupled GCMs can simulate the relationship between rainfall and SAH similar to the observed one, which may be associated with the bias in simulation of the subtropical anticyclone over the West Pacific (SAWP) at 500 hPa. In fact, it is found that any coupled GCM, that can reproduce the reasonable summer mean state of SAWP and the southward (northward) withdrawal (extension) for the east (west) mode of SAH as compared to the observed, will also simulate similar rainfall anomaly patterns for the east and west SAH modes over East Asia. Further analysis indicates that the observed variations in the SAH, SAWP and rainfall are closely related to the sea surface temperature (SST) over the equatorial tropical Pacific. Particularly, some models cannot simulate the SAWP extending northward in the west mode and withdrawing southward in the east mode, which may be related to weak major El Ni?no or La Ni?na events. The abilities of the coupled GCMs to simulate the SAWP and ENSO events are associated partly with their ability to reproduce the observed relationship between SAH and the rainfall anomaly over East Asia.     

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。     

海洋环流的长期变化和预估

IPCC第六次评估报告(AR6)于2021年8月在IPCC第一工作组第14次联合大会上得到审议通过,并得到了IPCC第54届全会接受和批准.文中主要对该报告第九章"海洋、冰冻圈和海平面"中与海洋环流的相关评估内容进行解读.与以前的IPCC报告相比,AR6进一步确认人类活动对海洋环流的影响,并基于最新的数值模式给出对未来...     

FGOALS耦合模式对赤道太平洋海温和降水年循环的模拟评估

本文评估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/IAP）研发的全球气候系统模式（FGOALS）的4个版本（FGOALS-g2、s2、g3、f3-L）对赤道太平洋地区的海温、降水气候态和季节循环的模拟能力。本文从海气耦合机制和热量收支的角度对耦合模式结果和相应的大气模式比较计划试验（AMIP）进行了对比分析,探讨了造成这一地区海温和降水模拟偏差的原因。结果显示,上一代模式g2和s2的海表温度均方根误差大于2°C,新一代模式g3和f3-L模拟的均方根误差降低50%,为1°C左右。因为新版本中赤道太平洋地区的净短波辐射平均态误差的减小,海洋上层热量动力输送过程的改善和净短波辐射与海温回归关系改进,赤道太平洋地区海温的平均态,南北温度和降水的不对称性都更加接近观测。f3-L比g3在上述方面改进更多,海温也更加合理。但是新一代版本模拟的降水均没有显著改进,赤道北侧ITCZ的降水偏大4 mm d?1。对流降水带来的凝结潜热释放加强了南北非绝热加热梯度,越赤道南风偏差抵消了一部分因为短波辐射偏大带来的海温偏暖,这说明海温平均态的改善是模拟误差相互抵消的结果。在季节循环的模拟方面也存在类似的现象,f3-L和g3中的海温年循环有所改进但较观测振幅仍旧偏弱。这是因为f3-L和g3模拟的经向风和潜热的年循环振幅比前版本要偏强,误差加大的同时也更大地抵消短波辐射的年循环偏差。g2和s2模拟的海温在赤道东太平洋则存在一个虚假半年循环分量,这主要是由潜热通量半年循环偏差所引起的。     

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。     

任意正交曲线坐标系下的海洋模式动力框架的发展与评估

本文发展了一个可以适用于任意水平正交曲线坐标系的海洋模式动力框架,并将其应用于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发展的气候系统海洋模式LICOM2.0（LASG/IAP Climate system Ocean Model,version2.0）。在经纬网格坐标系下,新的动力框架与LICOM2.0原有的动力框架模拟结果完全一致。基于新的动力框架,海洋模式可采用能够准确描述北冰洋地形的三极网格,克服了LICOM2.0经纬网格版本必须将北极点处理为孤岛的缺陷,从而显著改进了模式对于北冰洋环流和北大西洋经圈翻转流函数（AMOC）的模拟能力。此外,引进三极网格还可以避免模式网格距随纬度增加而急剧减小带来的计算不稳定,在LICOM2.0的三极网格版本中,模式不需要采用任何空间滤波方案仍然能够保证计算的稳定性,从而与LICOM2.0的经纬网格版本相比,极大地提高了模式的并行效率,这一点在当水平分辨率提高到0.1度时表现得尤为明显,海洋模式的并行加速比可以从经纬网格版本的5.8左右提高到三极网格版本的15.0左右。     

Paleoclimate simulations of the mid-Holocene and last glacial maximum by FGOALS

Paleoclimate simulations of the mid-Holocene (MH) and Last Glacial maximum (LGM) by the latest versions of the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Spectral Version 2 and Grid-point Version 2 (FGOALS-s2 and g2) are evaluated in this study. The MH is characterized by changes of insolation induced by orbital parameters, and the LGM is a glacial period with large changes in greenhouse gases, sea level and ice sheets. For the MH, both versions of FGOALS simulate reasonable responses to the changes of insolation, such as the enhanced summer monsoon in African-Asian regions. Model differences can be identified at regional and seasonal scales. The global annual mean surface air temperature (TAS) shows no significant change in FGOALS-s2, while FGOALS-g2 shows a global cooling of about 0.7 C that is related with a strong cooling during boreal winter. The amplitude of ENSO is weaker in FGOALS-g2, which agrees with proxy data. For the LGM, FGOALS-g2 captures the features of the cold and dry glacial climate, including a global cooling of 4.6 C and a decrease in precipitation by 10%. The ENSO is weaker at the LGM, with a tendency of stronger ENSO cold events. Sensitivity analysis shows that the Equilibrium Climate Sensitivity (ECS) estimated for FGOALS ranges between 4.23 C and 4.59 C. The sensitivity of precipitation to the changes of TAS is～2.3% C-1 , which agrees with previous studies. FGOALS-g2 shows better simulations of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) and African summer monsoon precipitation in the MH when compared with FGOALS-g1.0; however, it is hard to conclude any improvements for the LGM.     

全球变暖背景下热带大气季节内振荡的变化特征及数值模拟

利用欧洲中期数值预报中心的ERA40再分析逐日的200 hPa风场资料,选取1958-1977年和1980-1999年各20年,对比分析了在全球变暖背景下前后两个时段热带大气季节内振荡(ISO)的特征及其变化.研究表明: 近20 a来,原来在赤道中太平洋上活跃的ISO减弱,而在中印度洋、孟加拉湾地区ISO变得活跃;全球变暖背景下,ISO的强度变化幅度加大,表明ISO更加活跃,且季节变化明显,冬、春季强,夏、秋季弱;对流层上层的纬向风能量更集中于1-3波,ISO的频率有加大的趋势.还利用中国科学院大气物理研究所LASG发展的耦合气候系统模式FGOALS-1.0g中的控制试验及其二氧化碳浓度加倍试验结果,分别对应实测资料的前后20年进行对比分析.发现模式对ISO的空间结构模拟较好,但低估了ISO的强度;时空谱分析表明模式结果中包含有更多的纬向风的高频成分,由于能量的分散,导致对ISO活动强度的低估.但通过对模式的控制试验和温室气体增加试验结果的对比分析,发现耦合模式还是较好地反映出在全球变暖背景下ISO在中印度洋、孟加拉湾地区变得活跃、频率加大等变化特征.     

FGOALS模式对中国西南地区干旱气候的模拟研究

本文利用台站资料、NCEP资料及FGOALS模式结果对全球变暖背景下西南地区的干旱及其成因进行比较分析,结果表明:西太平洋副热带高压较常年异常偏弱偏东,中高纬环流场比较平直;由南向北的水汽输送较常年偏弱,中低层水汽通量和湿润年相比表现为辐散;而西南地区上游的青藏高原地区对流活动减弱,低涡活动减弱,都是导致该地区降水偏少,从而形成高温干旱的主要原因。与NCEP资料相比,FGOALS模式模拟的中高层位势高度偏低,越往高层,偏差越大;FGOALS模拟的暖湿水汽输送位置较为偏南;垂直运动大值区偏西。