新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统

依托国家重点基础研究（973）计划项目"上层海洋对台风的响应和调制机理研究",中国气象局上海台风研究所联合国家海洋局的相关单位,通过实施近海台风的外场观测科学试验、加强台风边界层（特别是海气相互作用）物理过程诊断分析及参数化方案等的研究,建立并改进了台风强度预报的海-气-浪耦合预报模式系统,并在此基础上发展了台风强度的集合预报技术,在历史典型台风个例和2016-2017年台汛期的业务化测试中表现出良好的预报性能。     

区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性研究

本文回顾了近年来海表粗糙度参数化研究成果,借助COARE算法对四种粗糙度参数化方案下海浪对海气界面通量及大气底层运动的影响进行分析,并对高海况条件下,区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性进行了初步的探讨。研究表明：海表粗糙度受海面波浪状态的影响,在其参数化方案中考虑波龄的作用后,在高风速、低波龄区,波浪作用使海气界面上的动量和热量通量显著增加;波浪通过参与海气界面上的动力和热力作用影响低层大气运动,低波龄条件下,波浪作用使大气运动减弱,高波龄条件下,波浪作用较小;区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案较敏感,不同的参数化方案对台风路径影响不大,对台风强度影响显著,从本文的个例来看,采用Smith92和Liu07方案的模拟结果更接近实测值。本文的研究结果为更合理的参数化海气界面的物理过程,提高耦合模式的模拟准确率提供了一定的参考。     

高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统的业务化运行与检验分析

依据我国独立发展的浪致混合理论,基于MASNUM第三代海浪数值模式和三维POM海流数值模式,研制开发了高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统并进行了(准)业务化运行与预报产品精度检验.该浪-潮-流耦合数值预报系统能够提供全球、西北太平洋和中国近海三个海域不同分辨率的海浪、海流以及温度、盐度等数值预报产品.基于卫星遥感数据、...     

基于MCT耦合器的WRF-POM区域海气耦合模式构建及应用

为研究区域海气耦合模式在中尺度海气相互过程中的应用,利用MPI(ModelCouplingToolkit)并行通信技术,构建了基于MCT耦合器的WRF-POM并行区域海气耦合模式,并利用该模式对台风"凤凰"进行了一系列的数值模拟试验。试验结果表明:该耦合模式可以实现稳定高效的并行计算,并较好地再现了台风"凤凰"的活动过程;相对单一的大气模式,耦合模式可以更加准确地模拟出台风"凤凰"的路径和强度,其中不使用"Bogus方案"的耦合试验模拟效果最好,其路径平均绝对误差相对控制试验和使用"Bogus方案"耦合试验分别减小了20.1%和72.5%,强度的平均均方根误差则分别减小了41.4%和17.9%;耦合模式还能较好地再现表层海洋对大气的响应特征:台风大风使得表层流速显著增大,强烈的"抽吸夹卷"效应使得低层较冷海水上翻,海表温度降低,混合层深度增加。     

一个区域海-气耦合模式的建立:模式验证及其对热带气旋“云娜”的模拟

本文以区域热带气旋模式(GRAPES-TCM)为基础,引入海洋环流模式(Estuarine,Coastal and Ocean Model(semi-implicit),ECOM-si)和Ocean Atmosphere Sea Ice Soil 3(OASIS3)耦合器,建立了一个区域海-气耦合模式。利用该模式对0414号热带气旋"云娜"进行了数值模拟,验证了模式的性能。结果表明,耦合模式模拟的"云娜"强度相比单独的大气模式更接近观测,单独大气模式模拟的近地面风场偏强,而耦合模式模拟的近地面风场的强度和非对称结构均与观测更为接近。数值实验中,"云娜"热带气旋过境引起的海表面温度的下降与实况接近,海表面温度下降引起的海-气热通量相比控制实验的结果明显下降,分析资料表明这一下降是合理的。海洋模式的引入导致了热带气旋"云娜"结构的变化,这种变化不但反应在径向风的减弱(强度下降),还反应在对流强度和最强对流发生位置的变化,并最终引起了热带气旋降水结构的改变。     

POAMA海气耦合模式对2003和2004年南海夏季风预报能力的评估

运用澳大利亚大气海洋耦合预报模式（Predictive Ocean Atmosphere Model for Australia,POAMA）的输出结果,采用泰勒图与分类统计分析方法,评估了该模式对2003和2004年南海夏季风的爆发和演变进行实时预报的能力。通过对泰勒图的分析发现,随着预报初始时间越来越接近实际的季风爆发时间,模式预报南海夏季风爆发和演变的能力越来越强。当提前1-30d预报南海夏季风时,模式能够很好地预报风场、射出长波辐射OLR（Outgoing Longwave Radiation）和降水场的空间分布,其中对风场的预报最好。通过对季风爆发指数和分类统计的分析,定量分析了模式预报南海夏季风爆发的能力,结果表明该模式对南海夏季风爆发时间有一定的预报能力,其最大预报时限可以提前10-15d左右,这与目前中期预报的上限（2周）是一致的。     

WRF-POM耦合模式对一次海雾过程的模拟试验

采用中尺度大气模式WRF和区域海洋模式POM构造了一个中尺度海气耦合模式。以2008年7月7—11日一次大范围黄海海雾过程为研究对象,将该耦合模式和单独的WRF模式进行对比试验。模拟结果显示:与单独使用WRF模式相比,耦合模式能有效改进海雾的模拟结果,特别是对于海雾发展与演变的模拟更接近于实况,这种改进效应主要源自于耦合模式中对于SST的描述更为精细。     

SWAN模式对黄渤海海域浪高的模拟能力试验

SWAN模式即第三代浅水波浪数值预报模式,不仅能仔细考虑能量平衡方程式中的各项源函数,而且对近海海域(浅水)以及复杂地形海域的浪高有很好的模拟能力。本文在简述我们从青岛海洋大学“九.五”国家重点科技攻关项目中引进的SWAN模式的基础上,详细论述了T213和MM5两种风场资料在SWAN模式中的应用及对比验证。发现MM5海平面上空10m处风场资料优于T213的1000hPa风场资料,用在SWAN模式对黄渤海海域浪高模拟中预报结果较好。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

大气-海浪耦合模式对台风“碧利斯”的数值模拟

本文将海表粗糙度作为耦合大气、海浪模式的重要因子,实现中尺度大气模式MM5(V3)和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向耦合,建立充分考虑大气、海浪相互作用的大气.海浪耦合模式.将该大气-海浪耦合模式应用于对0604次台风"碧利斯"的数值模拟,在耦合模式中引入Smith92海表粗糙度参数化方案,探讨其对台风和台风浪的影响.研究结果表明,大气-海浪耦合模式能够抓住台风过程的总体特征.Smith92海表粗糙度参数化方案对台风路径影响不大.但在台风系统强度的模拟上影响明显,采用Smith92方案使得台风系统强度显著增强,对台风系统强度的模拟有明显改善.同样,大气-海浪耦合模式能够很好的模拟台风过程中海浪的传播和演变.采用Smith92方案使得海面有效波高明显增高,对海面有效波高的模拟有一定程度改善.因此,在大气-海浪耦合模式中恰当的选择海表粗糙度参数化对改进大气-海浪耦合模式的模拟效果是很有意义的.     

海-陆-气耦合模式中海洋分量的温盐模拟分析

基于OASIS耦合器,发展了一套具有较高分辨率并行化的海-陆-气耦合模式,并进行了30年以上的耦合积分。为了评估模式中海洋分量的基本性能,首先考察了耦合模式对"气候漂移"的控制,然后对比分析了耦合与未耦合海洋环流模式模拟温度和盐度的气候态特征和季节变化,结果显示耦合模式的模拟结果中没有出现明显的"气候漂移现象",同时能较好的模拟全球大洋温盐分布的基本特征和季节变化。     

CMA数值模式对台风“杜苏芮”(2305)的预报性能分析

2023年第5号台风“杜苏芮”海上维持超强台风时间长达约72 h,登陆福建时为强台风级,登陆后维持时间长达22 h,给我国近海、沿海和内陆地区造成了严重的风雨影响。各家数值模式预报出现较大分歧,给综合预报造成较大困难。为了更好地对模式做出解释应用,重点检验中国气象局区域台风数值预报系统（China Meteorological Administration_Regional Mesoscale Typhoon Numerical Prediction System,CMA-TYM）和中国气象局全球同化预报系统（China Meteorological Administration_Global Forecast System,CMA-GFS）的路径和强度预报在“杜苏芮”预报过程中的表现,并采用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）和美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）预报与之对比,从而找出国产模式的优势和不足。检验结果发现,CMA-TYM路径预报误差与NCEP相近,大于ECMWF和CMA-GFS。在台风生成初期,CMA-TYM对其移动方向预报出现较大偏差,明显偏向了实况路径的右侧。23日开始的路径预报对登陆点把握良好,误差主要由对移动速度的预报偏快造成。CMA-TYM对快速加强过程的预报效果较其他模式具有显著优势。CMA-GFS的路径预报质量较好,平均误差略大于ECMWF,但小于NCEP和CMA-TYM,尤其是对长时效预报具有较好的可参考性,但对强度预报明显偏弱。     

一个区域耦合模式在不同分辨率下对台风“山神”的数值模拟

数值模式是台风研究的主要技术手段之一,但是目前数值模拟的台风强度普遍难以达到实际的强度。本文利用1个高分辨率区域海气耦合模式,以HYCOM同化数据以及NCEP FNL1(°)×1(°)再分析资料为模式,提供初始边界条件,对台风"山神"进行了多组不同水平分辨率下的耦合、非耦合模拟实验。初步证明:适当提高水平分辨率能够改善台风中心热通量等的模拟,进而改善台风路径的模拟效果,并显著提升模拟台风的最大强度;通过耦合、非耦合实验组证明,提升水平分辨率可改善海气耦合对台风强度模拟的负面效应,并分析了在特殊海洋涡旋结构下海洋对台风"山神"的响应过程,包括台风引起的路径右侧海表温度冷异常、相应的不对称环流场以及中尺度冷涡的增强与合并等过程。     

简单海气耦合模式对热带太平洋对流运动的数值试验

通过海气交界面附近进行的热力和动力过程,海洋向大气输送热量和水汽,大气向海洋输送动量,驱动海洋.大气中的垂直湍流热量和水汽输送过程又把主要是来自海气界处的热量和水汽输送向大气的高层.     

用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式综述：中间型和混合型模式

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是地球气候系统中最强的年际变率信号, 起源于热带太平洋海气相互作用过程, 并对全球的天气和气候等产生显著的影响。过去几十年来, 广泛、深入而细致的海气相互作用研究致力于发展和改进海气耦合模式以用于ENSO模拟和预测, 各种类型的海气耦合模式应运而生。经过半个多世纪的努力, ENSO数值模式及其应用已经取得了巨大进展, 包括已发展了一些高度理想化的概念(concept)模型来解释ENSO准周期性循环(包括正负反馈机制等); 同时也已发展了几类复杂程度不同的海气耦合模式并用于对ENSO的真实模拟和实时预测等研究, 尤其是已能提前6个月或更长时间对ENSO事件的发生和发展等进行有效的实时预测。其中最为复杂的模式是基于原始方程组的大气环流模式(Atmospheric General Circulation Models, AGCMs)与海洋环流模式(Oceanic General Circulation Models, OGCMs)等所组成的环流型耦合模式(Coupled General Circulation Models, CGCMs), 这类模式变量取为完全变量的形式(如总的海表温度场, 其可以分解为气候态部分和年际异常部分), 还考虑了尽可能详尽的物理过程及其参数化方案。中间型耦合模式(Intermediate Coupled Models, ICMs)是一类介于高度理想化概念模型与复杂的环流型耦合模式之间的简化模式, 其对应的控制方程组采用距平形式, 直接取大气和海洋年际异常场作为预报变量(如海表温度年际异常), 而相应的气候平均态部分则由对应的观测资料来给定; 大气与海洋模式间的耦合采用异常耦合(anomaly coupling)。混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models, HCMs)是另一类简化的海气耦合模式, 其中海洋或大气模式有一个分量模式采用了简化的距平类模式(类似于ICMs),而另一个分量模式则采用环流型模式(General Circulation Models, GCMs); 如可采用统计的大气风应力年际异常模式与OGCM间的耦合而构建一种HCM_OGCM,也可采用简化的海洋距平类模式(如ICM中的海洋分量模式)与AGCM间的耦合而构建另一种HCM^AGCM。历史上, ICMs、HCMs和CGCMs等这几类耦合模式都在ENSO理论体系的发展、数值模拟和实时预测等方面都起到了重要作用。本文主要回顾作者与合作者所研发的ICMs和HCMs的构建、特点和应用例子等。     

一个较高分辨率的基于通量订正的海-气耦合环流模式的设计和性能评估

采用日通量距平耦合方案,将中科院大气所最新发展的两个具有较高分辨率的大气和海洋环流模式耦合,并进行了10年以上的耦合积分。为了评估模式的基本性能,对比分析了耦合与未耦合的大气环流模式和海洋环流模式模拟结果,结果显示耦合模式比较成功地控制了"气候漂移",可以较好地模拟平均气候态和季节变化。     

台风"卡努"(0515)加强过程对边界层参数化方案的敏感性试验

利用中尺度非静力MM5模式，分别选用Eta、Blackdar和MRF3种边界层参数化方案，对台风“卡努”（0515）登陆前加强过程进行数值模拟，模拟结果对比分析及其与实况的比较表明：边界层方案对台风强度有明显影响，“卡努”个例试验中Eta方案模拟的台风强度较好，Blackdar方案次之，而MRF方案较差．边界层通量分析表明这种差别主要是由水汽凝结潜热释放多寡造成的．边界层方案的差异也导致台风动力和热力结构在水平和垂直分布上都出现显著差异．     

IPCC耦合模式对北太平洋海-气系统冬季重现的模拟

冬季重现(再现)是中高纬度大尺度海表温度重要的持续性特征,是热带外海洋特有的现象。北太平洋大气环流也存在这一现象,它可能会强迫产生这一海域海温的冬季重现。本文利用IPCC 20C3M耦合模式资料,评估了耦合模式模拟北太平洋海–气系统冬季重现的能力。北太平洋海温冬季重现的空间范围是海盆尺度的,中部重现时间比其周围晚。大气环流场的冬季重现主要是在北太平洋中部,它与海温冬季重现关系密切。大多数IPCC耦合模式基本上可以模拟出太平洋海温大范围的冬季重现现象。与重现范围的模拟相比,耦合模式对重现时间地理差异的模拟都比较差。各模式对大气环流冬季重现时空分布特征的模拟较差,大部分模式未能模拟出大气环流场中主要的重现区域。而且,大气环流冬季重现对海温重现的可能影响并没有体现在这些耦合模式中。耦合模式对北太平洋大气冬季重现的模拟还有待改善。     

基于CESM1.2.2模拟的浪致混合对末次冰盛期和工业革命前气候的影响

海洋上层垂向混合在模式中发挥重要的作用,以往的研究表明垂向混合的不足使得模拟的海洋温度和混合层深度与观测存在显著偏差。前人提出一种修正方案,考虑波浪产生的垂向混合,将由表面风作用下产生的波浪这样一个实际物理过程的湍混合进行参数化,其结果被证实能够显著提高模式模拟和预报的准确性。本文首次将浪致混合引入海气耦合的古气候模式,基于末次冰盛期和工业革命前2种不同的气候条件,探究浪致混合在海气耦合模式中的作用。在不同气候背景下,由于风场强度的不同,导致末次冰盛期浪致混合的强度小于工业革命前,但2个气候时期都体现出中纬度混合强度最大的特点。将浪致混合加入到气候模式中,模拟结果表明：中纬度海域2个时期都出现海表面降温而次表层升温的现象,但末次冰盛期的表面降温强度弱于工业革命前状态;不同月份下的模拟结果显示,在南北半球的夏季,海洋表层温度的降温最为显著。中纬度海域海洋上混合层深度在年平均条件下2个气候背景时期都出现加深现象,但末次冰盛期的加深程度弱于工业革命前;不同月份下的模拟结果显示,在南北半球的冬季,混合层加深的变化达到极值。另一方面,在高纬度海域,末次冰盛期的海表面温度出现了显著升高,这是由于浪...     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅱ.西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响的数值模拟(英文)

用第一部分建立的简单海气耦合模式,研究了西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响。模式可以较好地模拟出热带太平洋海温“西高东低”的分布,以及“暖池”附近ＳＳＴ的水平梯度较小等特征。在垂直方向上海洋混合层深度关于赤道呈准对称的“马鞍”型分布特征也可以从理论上和数值模拟的结果中得到证实。模式中“暖池”形成的时间尺度大约为半年多,大气中凝结潜热的释放有利于“暖池”的快速形成,提高凝结潜热的释放的效率,“暖池”形成的时间就缩短。“暖池”形成的动力学机制是海气耦合系统中海洋Ｒｏｓｓｂｙ波振幅的不稳定增长所致。“暖池”区海气之间的耦合作用确实对热带大气的季节内振荡产生影响。当海气之间进行耦合作用时,可以模拟得到扰动传播的周期大约为５０多天（ｄ）,与实际观测相吻合。提高海气之间的耦合强度会降低扰动的传播速度,使传播周期明显加大。当不考虑海气之间的耦合作用时,模拟得到的扰动传播周期明显地比用耦合模式得到的要小。