大洋温盐环流的稳定性及变率模拟研究进展

围绕大洋温盐环流的稳定性和变率,以三维原始方程大洋环流模式（OGCM）和海气耦合模式为重点,兼顾理想概念模式,总结了近年来模拟研究的主要成果。概括了几个主要前沿方向——大洋温盐环流的多平衡态现象、数十年／年代际变率以及百年到千年尺度的变率特性等的研究成果,探讨了其内部机制。     

Fine-resolution simulation of surface current and sea ice in the Arctic Mediterranean Seas

A fine-resolution model is developed for ocean circulation simulation in the National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Chinese Academy of Sciences, and is applied to simulate surface current and sea ice variations in the Arctic Mediterranean Seas. A dynamic sea ice model in elastic-viscous-plastic rheology and a thermodynamic sea ice model are employed. A 200-year simulation is performed and a dimatological average of a 10-year period (141st-150th) is presented with focus on sea ice concentration and surface current variations in the Arctic Mediterranean Seas. The model is able to simulate well the East Greenland Current, Beaufort Gyre and the Transpolar Drift, but the simulated West Spitsbergen Current is small and weak. In the March climatology, the sea ice coverage can be simulated well except for a bit more ice in east of Spitsbergen Island. The result is also good for the September scenario except for less ice concentration east of Greenland and greater ice concentration near the ice margin. The extra ice east of Spitsbergen Island is caused by sea ice current convergence forced by atmospheric wind stress.     

海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式耦合的实现

通过采用一种较好地考虑了海气通量交换对下垫面特征非线性依赖的通量计算方案,利用较成熟的逐日通量距平耦合方案实现了次网格尺度海冰非均匀条件下一个全球大气环流模式和一个全球海洋环流模式在高纬地区的耦合,并完成了一个50年的长期积分。模拟结果表明,通量计算方案中水道的作用是合理的,耦合模式能较好地模拟出北半球高纬海冰的主要地理分布特征,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度偏大。     

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.     

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.     

海洋在CO2增暖事件中的作用

本文以海洋在CO_2引起的增暖事件中的作用为线索,评介了近几年来国外利用大洋环流模式和海-气耦合模式所进行的若干研究工作,其中包括海洋对大气热异常的响应,海洋热输送作用对模式气候敏感性的影响,热异常向海洋中渗透的物理机制,和海-气耦合模式对CO_2增加的平衡响应,以及对于CO_2突然增加和逐渐增加的两类迁延响应的差异。     

热带大气季节内振荡研究进展——观测、动力机制和数值模拟

热带大气季节内振荡（MJO）是热带大气活动的强信号。对MJO动力机制的探讨，经历了由考虑完全的大气内部过程（波动－CISK理论），到考虑海洋影响的大气过程（WISHE理论），到最新的考虑大气－海洋耦合作用（WCMC模式）的逐步发展、完善的阶段。现阶段大气模式能够模拟MJO的一些基本特征但存在许多缺陷。在大气模式中引入上层海洋的反馈作用，可以有效改善模拟MJO的时空结构。MJO的强度变化、季节特征、传播速度等的精确描述只能借助于海气耦合模式。     

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。     

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。