大气环流模式性能特点分析

地球系统模式是模拟气候系统行为和变化的重要工具,在气候研究中扮演着重要的角色。大气环流模式是地球系统模式的一个重要部分。地球科学的快速发展对大气环流模式的分辨率提出越来越高的要求。高性能计算机的发展为更高分辨率大气环流模式的研究提供必要的硬件环境。但是当前并没有针对大气环流模式的高性能计算的特征和需求等方面的研究。中科院大气所(LASG)发展的格点大气环流模式(GAMIL)被选为代表,分析大气环流模式的性能特点,并且建立了性能模型。这些分析和性能模型将为预测未来大气环流模式的性能特征和提升性能提供帮助。

21层大气环流模式IAP AGCM-III的设计及气候数值模拟I.动力框架

设计了IAP (InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences)AGCM III,对其动力框架作说明和检验 ,时间积分采用改进的非线性迭代法。用Rossby Haurwitz波对框架进行了波型检验、能量检验和波速检验。结果表明 ,非线性迭代 3次的时间积分方案具有较好的稳定性 ,能够有效地抑制短波 ,同时对长波的歪曲较小 ,且时间积分步长可放得较大 ;该框架能够较长时间地保持Rossby Haurwitz 4波波型 ,在积分过程中能够较高精度地保持总有效能量守恒 ;模式计算的Rossby Haurwitz波速为每天西传 1 5个经度 ,这与理伦值很接近。

利用大气环流模式模拟北大西洋海温异常强迫响应

北大西洋地区的海温异常能够在多大程度上对大气产生影响,一直是一个有争议的问题。作者利用伴随北大西洋涛动出现的海温异常对大气环流模式CAM2.0.1进行强迫,考察了模式在冬季(12月、1月和2月)对三核型海温异常的响应。通过与欧洲中期天气预报中心提供的再分析资料的对比,发现该模式可以通过海温强迫在一定程度上再现具有北大西洋涛动特征的温度场和环流场。在北大西洋及其沿岸地区,模式模拟出了三核型的准正压响应,与经典的北大西洋涛动型大气异常是一致的。模式结果与北大西洋地区大气内部主导模态的差别主要体现在两个方面:一是异常中心位置多偏向于大洋上空,在陆地上的异常响应强度很弱;二是高纬地区对海温异常的响应不显著,没有强迫出与实际的大气模态相对应的异常中心,表明该地区海洋的反馈作用较弱。

BCC大气环流模式对亚澳季风年际变率主导模态的模拟

利用观测海温驱动下的北京气候中心大气环流模式(BCC-AGCM)1979—2000年的模拟数据,从亚澳季风(A-AM)年际变率的角度,对该模式的性能进行了分析。通过季节依赖的EOF分析方法(S-EOF)得到观测第1模态,与ENSO从暖位相向冷位相的转变相联系,并伴随东南印度洋和西北太平洋的降水异常随季节变化。该模态具有准2a和4—6 a周期的谱峰。分析结果显示,BCC模式可以很好地模拟出第1模态的时间变化特征,及其与ENSO位相的同步关系。但是,模式模拟的降水空间型与观测存在偏差,这主要是由于模式对环流场模拟的偏差造成的,具体表现在西北太平洋(WNP)反气旋和南印度洋(SIO)反气旋的季节锁相模拟偏差。前者与模式模拟的环流场整体偏东有关,后者是由于SIO反气旋的发展和衰亡过程受印度洋局地海气相互作用影向,而单独大气模式则无法合理地反映这一过程。另外,模式模拟的第一模态降水空间型在夏季效果较差,原因在于模式模拟的夏季平均降水量存在偏差,尤其是东南印度洋的降水量模拟偏少。进一步分析表明,这可能与对流参数化方案的选择有关。

舍入误差对大气环流模式模拟结果的影响

此文旨在研究气候数值模式的长期计算时受舍入误差的影响。通过对大气环流谱模式SAMIL采用不同CPU数计算时获得的长时间积分结果进行分析，发现使用不同CPU数进行单精度计算时，其十年平均月平均500hPa高度场随机误差在正负6～8gpm范围内，而使用双精度计算时相应的误差为正负3～4gpm。对于气候平均场而言，作者的试验表明SAMIL在并行计算时由于计算顺序改变而引起的误差在可接受范围之内。然而，虽然舍入误差的全球平均值不大，但其误差分布的差别范围并不小。数值试验得到的不同模拟结果之间误差大小与模拟结果的自身年际变化大小在同样的量级，因此对于“年际变化”这样的问题来说，其影响是不可忽略的，必须要使用集合预报的办法来减小误差的影响。文中列出了3种研究复杂数值模式舍入误差的实验方法，指出其一定条件下的等效性和不同适用范围，对于其他模式的舍入误差影响研究有一定的参考价值。在舍入误差分析的基础上，介绍了一种新型的专门针对舍入误差的集合预报方法（舍入误差平均集合，RME），指出了其在气候模拟研究中的应用价值。

一个统计低云方案及其在大气环流模式中应用初探

文中利用湍流耗散特征时间尺度和湍流垂直扩散系数对湍流二阶距进行参数化 ,将一个统计云方案与一阶湍流闭合方案进行耦合。基于数值试验 ,在不同的相对湿度、温度垂直梯度、以及湍流耗散特征时间尺度条件下 ,对该方案云量模拟能力的分析 ,发现该统计云方案对其采用的参数及湍流耗散特征时间尺度敏感。基于该数值模拟分析 ,修改了该统计云方案 ,并结合其他边界层积云参数化方案 ,给出了一个基于统计的低云参数化方案。将其初步应用于NCARCCM 3后发现 :该方案可以显著增强CCM 3对副热带低云的模拟能力 ,可以合理地模拟出大洋东部大陆西岸冷海域低云量大值中心 ,显示出该方案对于改进大气环流模式低云参数化具有潜在的应用前景。

大气环流模式中动力框架与物理过程的相互响应

用大气环流模式CAM3.1和IAP AGCM4.0对模式中动力框架与物理过程之间的相互作用及响应关系进行了初步探讨。选用理想的物理过程(Held-Suarez强迫)及完整物理参数化方案,分别对两个模式积分了60d。试验表明,动力框架与物理过程之间的相互响应在低纬对流层和高纬对流层中上层有着较大的区别。在低纬对流层,动力框架及物理过程产生的温度倾向都有着较大的变率,对总的温度倾向的变率均有较大的贡献,且二者之间为相互补偿的反相关关系;在高纬对流层的中上层,总的温度倾向的变化主要依赖于动力框架的贡献,物理过程造成的倾向变化很缓慢,可近似地看做定常的强迫,且物理过程产生的温度倾向与动力框架产生的温度倾向之间为正位相的响应关系。此外,还对各个物理参数化方案之间的相互作用及响应关系进行了分析。结果表明,在所有过程中,湿过程所引起的温度倾向的变化最为显著,对总的物理过程倾向的贡献也最大;在高纬地区,长波辐射冷却也有较大的变率;短波辐射加热率及垂直扩散加热率的变化相对较小;长波辐射冷却和短波辐射加热之间为近似负反馈的响应关系。

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据"热力适应"理论,从分析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最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7)对全球非绝热加热场的模拟性能出发,分析并解释了SAMIL对东亚夏季风(EASM)子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2(NCEP/DOEAMIP-II Reanalysis)对比分析发现,SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布(LOSECOD),但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差,主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高,而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°)偏高,赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现,SAMIL能很好地模拟南亚高压;较好地模拟西太平洋副热带高压的主体,但西太平洋(30°N附近)潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、西伸脊点过于偏西;模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心,但中纬度潜热、感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料10m/s左右。进一步的讨论可知,造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足,改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。

全球大气环流模式BCC_AGCM2.0.1对1998年夏季江淮流域强降水过程的回报试验研究

利用中国气象局北京气候中心全球大气环流模式(BCC_AGCM2.0.1)对1998年6月24日～7月3日发生在我国江淮流域的强降水天气过程进行了回报试验。模式起报时间为1998年6月24日00时,使用前10天NCEP-II再分析逐时温度、涡度和散度场进行预报前初始协调(spin-up)积分,产生模式初值,预报时段为1998年6月24日～7月10日,回报试验结果表明:模式对全球500hPa位势高度的天气尺度演变过程具有4～7天的可预报性;BCC_AGCM2.0.1模式对中国区域的降水以及大气环流场具有3～4天的可预报性,6月24日起报后3天内的预报降水区域位置与实况一致,但中心强度有所差异。对起报后未来2天的5mm和10mm以上的降水预报能力相对较强,ETS评分值达到了0.25以上,HK评分超过了0.4,降水区域范围预报较为准确,BIA评分趋于1.0。模式对20mm以上的降水也具有一定的可预报性,但模式对大于30mm以上强降水的预报能力较差。

大气环流模式在黄河流域的适用性评价

本文以国际上较流行的5个大气环流模式（HadCM3、GFDL、ECHAM4、CSIRO-Mk2以及CGCM2）对黄河流域1961-1990年温度和降水的模拟结果为基础，通过与该流域同期观测值比较，分析了各大气环流模式（GCM）在黄河流域的适用性。研究结果表明：HadCM3、GFDL两个模式对黄河流域温度的模拟结果较好；ECHAM4、HadCM3两个模式对黄河流域降水的模拟结果较好。5个大气环流模式对温度的模拟明显优于对降水的模拟。总体而言，英国的HadCM3模式在黄河流域的适用性最好，可为黄河流域水文水资源、水土流失对全球气候变化响应等相关研究，提供未来气候变化情景的借鉴。

含雪—气相互作用的大气环流模式及其青藏高原积雪模拟

本文将 BATS方案的一些简化结果 ,引入到 GCM( R15L9)中 ,使得积雪也作为模式的一个预报量 ,实现了雪、气间可以相互作用。此种改进的模式 ,文中称作 SF— GCM。在模式中 ,积雪变化不仅体现在覆盖面积和反照率上 ,还能计算出相应的积雪深度、积雪时间和融雪吸热等等雪的各种参量。用该模式进行了 9年的时间积分 ,所得到的青藏高原积雪时、空分布特征与实际观测到的情况比较相近。

分块地形坐标大气环流模式框架的计算稳定性及数值试验

用数值试验方法讨论了分块地形η坐标大气环流模式动力框架的计算稳定性;采用实际初始场,该框架能够长期稳定地积分。在积分前100d内总有效能量变化很小,总质量守恒、各物理量场的数值和波形都得到很好保持,这表明该框架稳定性好。在分析了该框架的积分结果后可知其合乎物理事实,与IAP2.0的动力框架相比,能更好地反映出大地形的环流形势,这说明有大地形时采用分块地形η坐标要较σ坐标好。另外,还对青藏高原等大地形的纯机械强迫作了数值试验,得到了地形强迫平均槽脊的分布特征,给出了地形纯机械强迫造成的准定常行星波的图像。这些工作表明采用分块地形η坐标处理大地形是合理可行的。

基于秩评分方法定量评估大气环流模式在雅鲁藏布江流域的模拟能力

大气环流模式具有区域适应性.基于秩评分方法对比分析了20个大气环流模式在输出雅鲁藏布江流域9个气候变量的模拟能力,针对每个变量优选出了适应性较强的模式,并对模式的综合模拟能力进行秩评分.结果显示:INM:CM30、MIROC3.2_M、ECHAM5、CGCM3.1_T47、CGCM3.1_T63对地面要素的拟合更佳;与ERA-40再分析资料相比,ECHAM5、MIROC3.2_H、ECHAM4、GFDL:CM21、FGOALS:g10对高空变量的适应性更好;综合评估显示,ECHAM5、MIROC3.2_H、MIROC3.2_M、ECHAM4、GFDL:CM21更能模拟雅鲁藏布江流域气候状态.不同的统计特征值或气候变量组合将对模式评估产生不同的影响.

非对流云的观测事实及其对大气环流模式设计的意义

通过非对流云的气候资料分析和个例分析表明：（１）非对流云有季节变化，也随海陆分布的不同而变化，还与大气三圈环流及季风等密切相关。由于它们的相关性，在大气环流模式（ＧＣＭ）中对非对流云的模拟必须与提高模式其他部分的模拟能力相辅相成。（２）产生于中高纬度大范围上升气流的非对流云，由赤道辐合带积云对流所致的高空赤道地区的卷云与卷层云和形成于副热带冷海水上空的层云与层积云是新一代大气环模式显式预报的３类主要非对流云。这３类非对流云均是大尺度的，ＧＣＭ的网格能显示分辨，但在垂直方向如何提高ＧＣＭ的分辨率问题仍是一个有待研究的问题。（３）在ＧＣＭ中如何模拟冷海水上空的层云和赤道ＩＴＣＺ所对应的大范围卷云和卷层云是十分困难和必要的。（４）通过对东亚及西太平洋区域非对流云系的个例分析，可以认为在新一代大气环流模式中，应显式预报行星大槽及赤道辐合带所对应的非对流云系。在模拟这些非对流云系时，应考虑它们的生消过程。平流过程与辐射过程。由于一段时间内大气环流模式尚难以分辨锋面与α中尺度的气旋，因此有必要在ＧＣＭ中参数化这些系统，或采用更小的网格距。至于对非对流云所对应的降水参数化问题的研究，需要进一步的观测为基础。

国际大气环流模式比较计划(AMIP)进展

介绍了国际大气环流模式比较计划（ＡＭＩＰ）的概况，它的分析子计划及执行情况、科学进展、相关计划及未来发展等情况，以便国内学者了解并积极参与该研究计划。

热带大气10～20天振荡的大气环流模式数值模拟

利用大气环流模式对热带大气１０～２０天振荡进行了数值模拟研究，其结果同观测资料分析基本一致。模式资料的功率谱及动能的分析表明，１０～２０天振荡确实比３０～６０天振荡更突出地存在于热带大气中。同热带大气３０～６０天振荡的结构有些不同，对于在热带１０～２０天振荡，除纬向１波外，纬向２波也很明显；流动的斜压结构特征欠佳；系统以较快速度沿赤道西移。暖ＳＳＴ事件对热带大气１０～２０天振荡的影响也进行了模拟，对结果的比较分析表明，暖ＳＴＴ将使１０～２０天大气振荡减弱，使其结构更趋正压性。

分块地形坐标大气环流模式的动力框架及其整体性质

介绍了分块地形坐标大气环流模式的动力框架及该框架微、差分方程组的整体性质。目前该框架水平分辨率为 4°× 5°,垂直分辨率有 9层和 2 1层两个版本。给出了该框架的控制方程组及其差分形式、边界条件、时间积分方案等。该框架的微、差分控制方程组均满足总质量守恒、平流项二次守恒、科里奥利力不作功和总有效能量守恒 ;且未引入虚假的源和汇 ,保持了该框架计算过程中的物理真实性。该模式框架在主流微机上能长时间稳定积分 ,并可作有关地形的数值试验。

关于大气“记忆”的大气环流模式模拟研究

通过２种大气环流模式（ＧＣＭ）的数值模拟，研究了大气对于赤道东太平洋海温（ＳＳＴ）异常外强迫的“记忆”问题。结果表明，大气对外强迫的“记忆”比传统意义的“记忆”要长得多，这是因为外强迫通过影响大气内部动力过程而激发产生了低频振荡（即大气低频遥响应），使得外强迫的影响可持续相当长的时间，大气对外强迫的“记忆”也就变得相当长。

大气环流模式中陆面过程的参数化及其敏感性研究

本文就大气环流模式中引入陆面过程的各种参数化方法及大气环流和降水对各种陆面过程的敏感性研究进行了综述.首先指出大气环流模式中引入陆面过程的必要性;然后介绍了大气环流模式中陆面过程参数化的历史和现状,以及大气对陆面过程的敏感性;最后是对今后研究的展望.

大气环流模式中非对流云的预报方法

通过对大气环流模式中非对流云预报方法的物理分析表明：大气环流模式中非对流云的预报，应包括非对流云的云水（冰）微物理过程参数化、大尺度动力过程和云量三个方面。从大尺度调整法、大尺度闭合法和统计方法三个方面，讨论了已有的大气环流模式中非对流云的凝结（华）过程的参数化方案，指出了存在的问题及改进方法。对于Ｂｅｒｇｅｒｏｎ过程，指出了已有的线性化经验公式的不足，强调了采用非线性参数化公式的重要性。本文指出了直接将中尺度模式搬到大尺度模式是不合适的，有必要进一步研究。同时指出将来的大气环流模式，应考虑浅积云所产生的层积云，还分析了已有的深积云对流所产生的高空卷云的参数化公式。并从Ｌａｇｒａｎｇｅ观点、动边界观点和统计观点，提出了大气环流模式中的云量预报的一些方案，并指出了已有方案的不足。