区域海气耦合模式WON在东南亚低纬高原一次强降水事件模拟中的应用

为改善东南亚低纬高原区(LLHSA)降水模拟的性能,提高降水预报准确性,本文采用大气环流模式WRF(4.2版)和海洋分量模式NEMO(3.4版),用耦合器OASIS3-MCT进行桥接,得到区域海气耦合模式WRF-OASIS-NEMO(WON)。大气和海洋分量模式都配置成相同的Arakawa-C网格,水平空间分辨率设为0.25°,耦合频次设置为逐小时,便于模拟海洋和大气环流相耦合的中尺度运动特征。为评估WON模式的模拟性能,选取2020年8月16-18日的强降水过程为例,与单独WRF模式的模拟效果进行比较分析。WON和WRF模式模拟的降水大值区位于高原东北部和中西部地区,平均日降水量约为20 mm·d^(-1),与观测事实基本相符。WON模式改善了WRF模式在高原南部降水偏多而在高原西北部降水偏少的模拟偏差。WON模式改善了降水动力条件的模拟效果,在高原中南部气旋式环流增强,在高原西侧反气旋式环流增强,进而改善了WRF模式在高原南部周围降水偏少,高原西北部降水偏多的模拟偏差。WRF和WON模式均能再现垂直螺旋度的发展特征,即在对流层中低层为正垂直螺旋度发展,而在对流层高层为负垂直螺旋度发展。两个模式在雨带西部400 hPa高度层附近垂直螺旋度模拟偏强,而在600~700 hPa高度层上垂直螺旋度模拟偏弱。WON模式相对于WRF模式的改进区域主要集中在雨带中西部地区。本次强降水的水汽来源包括孟湾的西南水汽输送和中国南海的偏南水汽输送。WRF模式和WON模式均能较好地重现相关水汽通量特征。WRF模式在孟湾北部水汽辐合偏强,而在中国南海水汽向北输送偏弱。WON模式主要改善了WRF模式在中国南海水汽输送偏弱的模拟偏差。WON模式改善降水模拟效果的主要原因是孟湾海表热通量交换导致孟湾中低层大气偏冷偏干,大气对流活动减弱,在孟湾北部形成的低层反气旋偏差改善了本次强降水过程动力条件和水汽条件的模拟效果。

区域海气耦合模式对黄渤海周边近地层温湿预报的性能研究

相对中国其他海域,三面环陆的黄渤海区域海洋与中纬度大气间的相互作用有其独特性,在该区域开展海气耦合模式对气象要素的影响研究十分必要。本文基于大气和海洋的全球预报和再分析资料,利用高分辨率区域海气耦合模式(简称耦合模式)和非耦合模式,开展数值模拟试验。并根据国家地面常规气象观测站和埕北石油A平台实况观测资料,对比分析了2020年6月两种模式对近地层大气温湿要素预报结果,并结合海温、海气热通量变化和风场调整情况,分析了海气双向耦合过程对近地层温湿要素预报影响的原因。结果表明:耦合模式对近地层的湿度要素预报改进较大,以增湿效应为主;海气双向耦合对温湿要素的影响范围可扩展至黄渤海周边省市全域,可提升耦合模式对黄渤海周边区域近地层湿度和白天温度的预报效果;湿度对海气双向耦合的响应速度明显快于温度,说明耦合模式先改进了近地层湿度预报效果;耦合模式海表向上的潜热通量增加是近地层温湿要素预报改进的主要原因。

基于海气耦合模式的超强台风“山竹”数值模拟

基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建WRF-ROMS海气双向耦合模式,针对2018年超强台风“山竹”进行模拟。利用观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明海气耦合模式对台风“山竹”的模拟相对单一模式有更高的精度,耦合模式得到的台风路径与最佳路径吻合良好,误差控制在60 km以内;获取的风速和海平面气压结果也较单一模式更为准确。基于海气耦合模拟结果,进一步分析台风作用下风场、气压场、海表流场和风暴增水的时空分布特征,结果表明:1)空间分布方面,台风进入南海后,七级风圈半径在台风沿路径右后方较大;气旋式流场与台风风场呈现出显著的埃克曼效应,流向与风向呈45°;风场、气压场、风生流场和增水分布均存在明显的不对称性,台风路径右侧的台风强度、流速和增水均大于左侧。2)时间分布方面,风场与气压场分布特征相似且与台风中心保持同步,流场和近岸风暴增水相对台风路径存在3 h左右的滞后。

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NCARCCM3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 1 0 0m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 1 0 0m ,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称 ,成为“doubleITCZ”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?

海气耦合模式在东亚地区的可靠性评估

该文利用近３０年（１９６１～１９９０）的表面大气温度、海平面气压、５００ｈＰａ高度和降水的季平均气候资料，评估了５个海气耦合模式（ＤＫＲＺＯＰＹＣ，ＤＫＲＺＩＳＧ，ＮＣＡＲ，ＧＦＤＬ，ＨＡＤＬ）对东亚和中国气候的模拟能力，结果表明，这些模式部有一定的能力模拟东亚和中国的气候，但模拟场都有明显的系统误差，在模拟季平均的气候变量场上不同的模式各有优缺点。另外，冬季的模拟效果比夏季好；５００ｈＰａ高度场的模拟效果最好，降水场的模拟效果最差，海平面气压和大气温度的模拟效果居中，考虑各个季节各个气候变量模拟的总体情况，可以认为在模拟东亚气候的效果上，ＤＫＲＺＯＰＹＣ是目前最好的海气耦合模式。

全球海气耦合模式对东亚季风降水模拟的检验

以CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的40年再分析资料集ERA40为观测基础,分析了当前政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(IPCC AR4)的17个全球海气耦合模式对东亚季风区夏季降水和环流的模拟能力。结果表明:(1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至东亚西北部中国内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;(2)大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:(1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;(2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,不利于降水的形成,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,空气湿度模拟值偏低、从而造成水汽输送偏弱也是导致东亚季风区夏季降水模拟偏小的原因之一。

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料，分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（ＳＳＴ）异常的影响，并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对ＳＳＴ变化的相对重要性。结果表明，冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响ＳＳＴ的主要因子，但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与ＳＳＴ倾向（而不是ＳＳＴ本身）之间存在着显著的相关，这同Ｃａｙａｎ和Ｒｅｙｎｏｌｄｓ等利用ＣＯＡＤＳ资料和ＮＣＥＰ资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同，冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用，而不是相反。模式给出的ＳＳＴ倾向的第一个ＥＯＦ分量及其与海平面气压场的相关特征同Ｗａｌａｃｅ等从观测资料分析所得到的结果是一致的；进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋），大尺度大气环流异常在很大程度上决定着ＳＳＴ的异常，而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“-+-”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。

一个可描写ENSO循环基本特点的简单热带海气耦合模式

在所构造的海气耦合模式中，采用Ｚｅｂｉａｋ海洋模式框架，并重建了一个海洋数值模式，大气模式采用了Ｇｉｌｌ模式。在大气模式中保留了时间发展项，潜热加热采用了Ｋｌｅｅｍａｎ方案。对模式的积分结果表明，海温异常具有３—７年的准周期振荡。在模式Ｅｌ Ｎｉｏ事件的初始阶段，西风异常，海温正距平（ＳＳＴＡ）首先在赤道西太平洋发生，然后向东传播、加强。在模式ＥＮＳＯ循环的位相转换过程中，ＳＳＴＡ的空间分布共有４种不同类型。模式模拟的Ｅｌ Ｎｉｏ。事件的初始阶段有两种发展类型，它们是：在初始阶段中西太平洋和东太平洋沿岸各有海表温度的正异常发生。在以后的发展中，一种情况是这两块正 ＳＳＴＡ都发展连成一片，形成Ｅｌ Ｎｉｏ事件；另一种情况是中西太平洋地区的正 ＳＳＴＡ衰减，中东太平洋地区的正 ＳＳＴＡ加强，向西传播，形成 Ｅｌ Ｎｉｏ事件。模式模拟的 Ｌａ Ｎｉａ事件的初始阶段也有两种发展类型，它们的发展过程和Ｅｌ Ｎｉｏ事件初始阶段的发展过程相似。

区域海气耦合模式对我国极端降水模拟分析

使用区域海气耦合模式40年的降水模拟结果,采用百分位的方法定义极端降水事件,分析了耦合模式模拟的夏季中国极端降水事件的特征。结果表明,区域海气耦合模式基本能够模拟出气候平均极端降水阈值的空间分布型及极端降水事件在长江中游、西南部分地区和长江下游局部地区的显著增加、增强趋势,在中西部、华北北部和东北局部的显著减少、减弱趋势。EOF分析发现,模式模拟的极端降水事件几个特征量在我国江南地区长江以南与华南沿海及长江以北的呈反位相变化,这一变化以年代际为主要特征。区域耦合模式基本能够模拟出极端降水量、夏季总降水量、极端降水日数两两间的高时空相关关系。

全球海气耦合模式(BCC_CM1.0)对江淮梅雨降水预报的检验

以国家气候中心全球大气-海洋耦合模式(BCC_CM1.0)20年的预报产品为基础,重点分析了该模式对中国江淮梅雨的预报能力以及梅雨预报中存在误差的可能原因。试验表明:BCC_CM1.0对江淮梅雨降水有一定的预报能力,模式基本上能够预报出气候态下梅雨降水的空间分布特征。尽管其方差贡献率和时间系数与观测相比有偏差,但模式还是能够预报出梅雨降水的主要模态。气候平均下,BCC_CM1.0模式预报的梅雨雨带位置偏北,因而预报的江淮流域长江以北降水偏多,而长江以南预报的降水偏少。同时发现模式对江淮流域梅雨期中等强度降水预报较好,雨强概率分布与观测结果基本一致,而对大雨强降水和小雨强降水预报相对较差。合成分析发现,江淮流域雨带偏北、降水偏少时,模式的预报能力较好;而江淮流域雨带偏南、降水偏多时,模式预报能力相对较差。BCC_CM1.0对高度场的预报普遍偏低,尤其是在青藏高原上空有一个虚假的低值中心,对副热带高压的预报也偏弱,这样使得东亚季风区气压梯度增加,从而导致预报的东亚夏季风偏强、向北推进的幅度加大,最终致使预报的梅雨雨带偏北。此外,比湿场预报的偏差也可能是造成梅雨雨带偏北的原因之一。

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II:热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“-+-”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。

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。

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。

海气耦合模式FGOALS_gl模拟的水汽和云辐射反馈过程

本文分析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)发展的快速耦合模式FGOALS_gl对低纬太平洋区域水汽温室效应(Ga)和云辐射强迫特征的模拟能力,讨论了模拟偏差的成因。结果表明,FGOALS_gl能合理再现Ga、云辐射强迫的气候态空间分布特征,但也存在明显的偏差。模式低估了冷舌区和西北太平洋Ga的强度,原因在于表层海温(SST)和对流层(特别是中层)水汽的模拟偏差。模式总体上高估了云长波辐射强迫(Cl)和云短波辐射强迫(Cs)的强度,未能合理再现副热带北太平洋的Cl低值中心和东南太平洋的Cs大值中心。模式对Cl(Cs)的模拟偏差主要来自高云量(总云量)的偏差,云辐射强迫的模拟偏差还与云垂直结构和光学厚度的模拟偏差有关。从对ElNio型海温强迫的反馈来看,模式能基本再现低纬太平洋区域Ga正反馈、Cl正反馈和Cs负反馈的空间分布,但较之观测,反馈大值区过于西伸。Ga正反馈的偏差主要源自低纬太平洋SST年际异常的强度和空间型,及水汽对ENSO响应的偏差。高云量(总云量)对ENSO响应的偏差是导致Cl正反馈(Cs负反馈)的主要原因,同时,在部分区域云顶高度和云光学厚度对云辐射反馈的模拟偏差亦有影响。

区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用

区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具。本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean–Atmosphere–Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工作。FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需求。针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量。通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差"。改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率。较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟。最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息。分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景。

海气耦合模式的优化方法研究

气候模式不断发展的同时,对高性能计算机提出了更高的要求,如何提高模式在现有计算机资源上的运行效率问题已越来越重要。文章介绍了利用编译器优化和手工优化技术对海气耦合模式进行优化试验,优化后模式运行效率提高60%,表明将这些优化方法应用到气候模式的改进工作中,可以达到较好的效果。

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963—2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因。结果表明:耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验(单独的大气模式),对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动。对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963—2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小。对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致。对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟。

Zebiak-Cane海气耦合模式研究进展

系统、全面地总结了国内外关于Zebiak-Cane海气耦合模式的应用及分析研究,指出了模式的优点及存在的不足,并评析了模式改进工作,最后进行了讨论并展望未来的发展方向。

WRF_ROMS-1.2中尺度海气耦合模式简介

本文介绍了WRF_ROMS-1.2中尺度海气耦合模式的研发背景、子模式、耦合技术,并依照模块功能介绍了该耦合模式中各子模块的主要作用。WRF_ROMS-1.2采用的MCT(ModelCoupling Toolkit)耦合器技术及消息传递的并行计算方式,均为当前多模式耦合的先进技术,很大程度上提高了模式的可扩展性和计算效率,为耦合模式的建立以及中尺度海气相互作用(尤其是热带气旋期间的海气相互作用)的研究、模拟和预报提供建设性参考。