区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

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。     

大气环流模式（SAMIL）海气耦合前后性能的比较

基于耦合器框架，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大气环流谱模式 （SAMIL）最近成功地实现了与海洋、海冰等气候分量模式的耦合，形成了“非通量调整”的海－陆－气－冰直接耦合的气候模式系统（FGOALS-s）。在耦合系统中，由于海温、海冰等的分布由预报模式驱动，大气与海洋、海冰之间引入了相互作用过程，这样大气环流的模拟特征与耦合前会有不同。为分析耦合系统的性能，作者对耦合前后的模拟结果进行了分析比较，重点是大气模拟特征的差异。结果表明，耦合前、后大气环流的基本特征相似，都能成功地模拟出主要的环流系统分布及季节变化，但是由于海温和海冰的模拟存在系统性的偏差，使得耦合后的大气环流受到明显影响。例如耦合后热带海温偏冷，南大洋、北太平洋和北大西洋等中纬度地区的海温偏高，导致海温等值线向高纬海域的伸展较弱，海温经向梯度减小。耦合后海冰在北极区域范围偏大，在南极周边地区则偏小。海温、海冰分布模拟的偏差影响到中、高纬低层大气的温度。热带海温偏低，使得赤道地区降水偏弱，凝结潜热减少，热带对流层中高层温度比耦合前要低，大气温度的经向梯度减小。经向温度梯度的改变，直接影响到对平均经圈环流及西风急流强度的模拟。尽管耦合系统中海温、海冰的模拟存在偏差，但在亚洲季风区，耦合后季风环流及降水等的分布都比耦合前单独大气模式的结果合理，表明通过海[CD*2]气相互作用可减少耦合前季风区的模拟误差，改善季风模拟效果。比较发现，海温、海冰模拟的偏差，除与海洋模式中经向热输送偏弱、海冰模式中海冰处理等有关外，也与大气模式中总云量模拟偏低有关。大气模式本身的误差，特别是云、辐射过程带来的误差，对耦合结果具有极为重要的影响。完全耦合后，这些误差通过与海洋、海冰的反馈作用而放大。因此，对于FGOALS-s而言，要提高耦合系统的整体性能，除改进各气候分量模式的模拟性能外，需要重点改进大气模式中的云、辐射过程。     

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水—SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水—SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水—SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。     

简化的中纬度冬季环流耦合模式中的大尺度海气相互作用

用包括有天气尺度大气变率、海温（ＳＳＴ）平流和海气热交换的简化耦合模式的模拟结果研究了中纬度海气相互作用问题。研究发现将模式ＳＳＴ的强暖型事件合成对显示海洋强迫大气迹象是有用的。还提供了海洋影响大气的其他证据，即海洋平流似乎通过反馈效应增强了模式ＳＳＴ异常的持续性。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

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.     

气候系统模式对南亚高压气候特征的模拟比较研究北大核心CSCD

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。     

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。     

前期海洋热状况异常影响2008年1月雪灾形成的初步研究

考察2008年1月雪灾发生前期全球海洋的热状况发现,强La Ni~↑na事件和北大西洋显著增暖是最明显特征。此外,北太平洋中部较常年偏暖,北极（特别是北欧海附近）海冰较常年显著偏少。利用合成分析和全球大气环流模式试验,研究了强La Ni~↑na事件的影响。结果表明,强La Ni~↑na事件能部分解释南方偏冷和降水偏多,及包括蒙古冷高压增强、青藏高原南支槽加深和西太平洋“负-正-负”的异常分布型在内的部分环流形势,但不能解释乌拉尔山阻塞的异常增强。模拟中等强度La Ni~↑na的影响并与强La Ni~↑na进行了比较,发现：只有当La Ni~↑na很强时,我国南方冬季偏冷、降水偏多的信号才显著;当La Ni~↑na强度只是中等时,这种信号将大为减弱。最后分析讨论了北大西洋异常增暖的影响,认为它对乌拉尔环流异常形成有重要贡献。因此,2008年1月雪灾的形成可能是包括强La Ni~↑na事件和北大西洋增暖等因素共同作用的结果。     

A Hybrid Coupled Ocean–Atmosphere Model and Its Simulation of ENSO and Atmospheric Responses

A new hybrid coupled model(HCM) is presented in this study, which consists of an intermediate tropical Pacific Ocean model and a global atmospheric general circulation model. The ocean component is the intermediate ocean model(IOM)of the intermediate coupled model(ICM) used at the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences(IOCAS). The atmospheric component is ECHAM5, the fifth version of the Max Planck Institute for Meteorology atmospheric general circulation model. The HCM integrates its atmospheric and oceanic components by using an anomaly coupling strategy. A100-year simulation has been made with the HCM and its simulation skills are evaluated, including the interannual variability of SST over the tropical Pacific and the ENSO-related responses of the global atmosphere. The model shows irregular occurrence of ENSO events with a spectral range between two and five years. The amplitude and lifetime of ENSO events and the annual phase-locking of SST anomalies are also reproduced realistically. Despite the slightly stronger variance of SST anomalies over the central Pacific than observed in the HCM, the patterns of atmospheric anomalies related to ENSO,such as sea level pressure, temperature and precipitation, are in broad agreement with observations. Therefore, this model can not only simulate the ENSO variability, but also reproduce the global atmospheric variability associated with ENSO, thereby providing a useful modeling tool for ENSO studies. Further model applications of ENSO modulations by ocean–atmosphere processes, and of ENSO-related climate prediction, are also discussed.     

ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟

利用NCAR/CCM3大气环流模式,模拟不同海温背景场强迫下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,模式能够模拟出不同海温背景场下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的不同响应,模拟结果与诊断结果基本一致。在20世纪70年代末之后的平均海温背景场强迫下,El Nio对阿留申低压的加强作用比70年代末之前更明显,而ENSO暖位相对蒙古高压的作用则由70年代末之前的轻微减弱变为明显加强。虽然70年代末以后ENSO事件的强度比70年代末之前有所增大,但ENSO对东亚大槽和东亚冬季风的减弱作用反而不再那么明显;同时在高空风场中,由ENSO激发出的PNA型异常环流在70年代末以后明显加强。     

一个具有高分辨率海洋分量的海气耦合模式

发展了中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)全球海-陆-气耦合系统模式的一个新版本（GOALS-5），其中海洋分量是基于30层高分辨率的海洋环流模式。对该耦合模式成功地进行了30年的积分，基本上克服了气候飘移。与GOALS较早的几个版本模拟的SST相比，北半球夏季中高纬地区的误差显著改善，可能主要是由于采用了GM90的等密度混合方案使经向热输送增强的结果。对赤道中东太平洋冷暖事件有较好的模拟能力，并且对SST变率的模拟在位置和强度上比旧版本有明显改善。     

Modeling the tropical Pacific Ocean using a regional coupled climate model

A high-resolution tropical Pacific general circulation model (GCM) coupled to a global atmospheric GCM is described in this paper. The atmosphere component is the 5°×4°global general circulation model of the Institute of Atmospheric Physics (IAP) with 9 levels in the vertical direction. The ocean component with a horizontal resolution of 0.5°, is based on a low-resolution model (2°×1°in longitude-latitude).Simulations of the ocean component are first compared with its previous version. Results show that the enhanced ocean horizontal resolution allows an improved ocean state to be simulated; this involves (1) an apparent decrease in errors in the tropical Pacific cold tongue region, which exists in many ocean models,(2) more realistic large-scale flows, and (3) an improved ability to simulate the interannual variability and a reduced root mean square error (RMSE) in a long time integration. In coupling these component models, a monthly "linear-regression" method is employed to correct the model's exchanged flux between the sea and the atmosphere. A 100-year integration conducted with the coupled GCM (CGCM) shows the effectiveness of such a method in reducing climate drift. Results from years 70 to 100 are described.The model produces a reasonably realistic annual cycle of equatorial SST. The large SSTA is confined to the eastern equatorial Pacific with little propagation. Irregular warm and cold events alternate with a broad spectrum of periods between 24 and 50 months, which is very realistic. But the simulated variability is weaker than the observed and is also asymmetric in the sense of the amplitude of the warm and cold events.     

Numerical simulation by a stretched-coordinate Ocean General Circulation Model: A preliminary results

Summary ?A three-dimensional Ocean General Circulation Model has been developed in stretched coordinate from scratch. The same model has been used to perform some numerical experiments to simulate the basic circulation pattern and the model variability to atmospheric forcing. For numerical simulations 72 × 25 grid points in the horizontal directions and nine (10, 30, 75, 250, 500, 1000, 1500, 2000 and 3000 m) vertical levels are considered. The lateral boundaries are set at 60° N and 60° S. The basic focus of the paper is on the demonstration of the performance of the model and its assessment by employing appropriate forcing from the outputs of an atmospheric general circulation model. Hence, the model was forced with the forcing (wind and thermodynamic) derived from the ECMWF runs from the AMIP archives. The preliminary results show the realistic simulation of basic pattern of different fields. The model simulations show that the model is able to reproduce some of the general features of the ocean, such as surface currents, surface temperature and salinity, mass transport and meridional heat transport. It is also to be noted that the model is capable to capture the El-Ni?o and La-Ni?a type events. Received April 3, 2002; revised June 6, 2002; accepted July 24, 2002 Published online: February 20, 2003     

一个灵活的海洋——大气耦合环流模式

Based on the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Climate System Model version 1(CSM-1), a Flexible coupled General Circulation Model version 0 (FGCM-0) is developed in this study through replacing CSM-1＇s oceanic component model with IAP L30T63 global oceanic general circulation model and some necessary modifications of the other component models. After the coupled model FGCM--0 is spun up for dozens of years, it has been run for 60 years without flux correction. The model does not only show the reasonable long-term mean climatology, but also reproduce a lot of features of the interannual variability of climate, e.g. the ENSO-like events in the tropical Pacific Ocean and the dipole mode pattern in the tropical Indian Ocean. Comparing FGCM-0 with the NCAR CSM-1, some common features are found, e.g. the overestimation of sea ice in the North Pacific and the simulated double ITCZ etc.The further analyses suggest that they may be attributed to errors in the atmospheric model.     

三维弹性大气模式和实测强风暴的模拟

建立了三维中γ尺度(云尺度)弹性大气模式,并用它对美国CCOPE计划中观测到的一个强风暴实例作了模拟。模拟风暴的主要参数及结构图象与实测结果比较接近。     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

二维平流辐射雾的数值模拟

本文采用二维非定常数值模式,模拟了大气边界层内辐射雾、平流辐射雾和在海陆交界处的平流辐射雾的形成、演变规律。研究了雾发展过程中湍流-辐射作用及风场、水汽平流和海陆风环流对雾发展影响的特点。模拟计算结果得出湍流-辐射作用是雾发展变化的主要物理因子。大气边界层风场及风场环流和水汽的平流输送对在不同地点,时刻雾的发展和强度变化也有重要的影响。     

对流边界层的大涡模拟研究

本文建立了一个均匀平坦地面上对流边界层的大涡模式,模式考虑了水汽,采用了考虑浮力和固壁影响订正的一阶闭合。并用所建模式进行了由热扰动发展的对流边界层的模拟及其对地表热状况变化响应的初步探讨性模拟工作。通过模拟认为,模式较好地反映了对流边界层的主要结构。