1960-2020年东北黑土区水蚀动力因子时空格局及其对主要大气海洋环流模式的响应

[目的]研究东北黑土区水蚀动力因子的时空格局及其对大气海洋环流模式的响应,对区域极端降水事件诱发的土壤侵蚀防治有重要意义。[方法]选用降雨侵蚀力(R)、暴雨雨量(R 50p)、极端强降水量(R 95p)、连续5日最大降水量(R 5d)表征水蚀动力因子,基于1960-2020年逐日降雨数据,采用滑动平均、小波分析、Sen斜率估计法、Mann-Kendall检验方法,分析1960-2020年东北黑土区水蚀动力因子的时空格局,解析水蚀动力因子对大气海洋环流模式的响应。[结果](1)东北黑土区的年降雨侵蚀力(R)为1145.36~3575.94(MJ·mm)/(hm^(2)·h·a),暴雨雨量(R 50p)为73.17~197.86 mm,极端强降水量(R 95p)为265.81~566.35 mm;连续5日最大降水量(R 5d)为69.67~124.95 mm。(2)东北黑土区4个水蚀动力因子在1960-2000年均呈不显著上升趋势,且均未发生整体突变,但2015年后上升趋势明显,表明研究区发生降雨侵蚀的潜在可能性增加。4个水蚀动力因子均存在以约44年为主周期,29年为小周期的周期性变化特征,并经历高低交替2次振荡过程。(3)各水蚀动力因子的空间分布均呈现南高北低,东西两侧低中部高的特征,各指标的最大值出现在长白山-完达山山地丘陵区,最小值出现在呼伦贝尔丘陵平原区。(4)东亚夏季风指数(EASMI)是对东北黑土区水蚀动力因子影响最显著的单一环流模式,北极涛动(AO)和多元ENSO-南方涛动指数(MEI)可以通过影响东亚夏季风间接影响水蚀动力因子。东亚夏季风指数-南海夏季风指数叠加(EASMI-SCSSMI)对各水蚀动力因子的影响均为最显著(ΔPSAC>5%);而东亚夏季风指数、南海夏季风指数和多元ENSO-南方涛动的大气海洋环流模式仅对降雨侵蚀力(R)影响显著(ΔPSAC>5%)。[结论]东北黑土区水蚀动力时空格局的影响因素主要包括地形、东亚夏季风和南亚夏季风等,需关注2014年后水蚀动力增强带来的潜在水蚀危害。

海洋环流模式的并行I/O优化研究

极端气象日益加剧,严重影响人类的生产生活。如何有效应对未来极端环境变化,更关乎国际竞争。因此,发展高精度高分辨率的地球系统模式推动气候变化研究至关重要。随着模式精度和分辨率的不断提高,I/O性能已成为制约模式计算效率和可扩展性的瓶颈。选取典型的海洋环流模式LICOM3作为研究对象,基于天河HPC系统,详细测试和分析了模式的I/O逻辑过程,发现在3K进程规模下I/O可占整体运行时间一半以上,是限制模式计算性能的关键因素。为此,设计并实现了主要输出过程的MPI-IO并行优化方案,显著提升了模式运行效率,基本解决了模式I/O瓶颈。测试结果表明,MPI-IO并行优化方案将输出时间占比从48.58%降到2.44%,将输出带宽提升到6.21 GB/s,约是原程序的14倍。此外,进一步分析了影响并行I/O性能的因素,以期为相关工作提供参考和指导。

海洋环流模式的发展和应用 Ⅰ.全球海洋环流模式

概述近10年来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全球海洋环流模式的发展及其在全球海气耦合模式的发展和气候模拟方面的应用。重点是:一个30层、0.5°×0.5°的准全球海洋环流模式LICOM的建立及其模拟的热带太平洋海洋环流和印度尼西亚贯穿流;以20层海洋模式为海洋分量建立的全球海洋—大气—陆面系统耦合模式GOALS在气候变化模拟方面的应用,和以海洋模式L30T63为海洋分量建立的灵活的耦合环流模式FGCM-0在热带太平洋—印度洋海气相互作用及古海洋—古气候模拟方面的应用。

IAP/LASG海洋环流模式对风应力的响应

为了检验第三代 ＩＡＰ／ＬＡＳＧ全球海洋环流模式在模拟 ２０世纪 ８０年代热带太平洋年际变化方面特别是圆 Ｎｉｎｏ和 Ｌａ Ｎｉｎａ事件的能力，作者使用了三种风应力资料强迫该模式。然后，将模拟的海温同ＮＣＥＰ海洋同化资料相比较。分析表明，在赤道附近，模式对风应力的响应在 ＳＳＴ分布。温跃层的描绘以及突出Ｅｌ Ｎｉｎｏ和 Ｌａ Ｎｉｎａ事件方面同 ＮＣＥＰ海洋同化资料有许多共同点。然而，在描绘１０°Ｎ以北和１０°Ｓ以南的ＳＳＴ异常以及描写季节循环方面，响应是不够精确的。另外。

海洋环流模式中不同近似假设下的海表高度

Boussinesq近似是现代海洋环流模式中经常采用的假设,但随着海洋模式的不断发展完善以及气候研究应用的需要,有必要估算Boussinesq近似造成的模式误差。分别利用一个非Boussinesq近似的海洋模式与另一个结构相同且采用Boussinesq近似的模式计算海表高度,并同时利用模式预报的温度、盐度资料计算了比容异常高度。分析结果显示,这3种不同定义的海表高度无论空间结构,还是时间演变,都基本类似,尤其在热带海区最接近,差值≤1cm。Boussinesq近似意味着在模式中以体积守恒代替质量守恒,通常的做法是对其进行简单的质量补偿来保持质量守恒。比较说明,以质量补偿方法进行的高度订正对减小Boussinesq近似带来的误差没有本质的意义。

GPU在海洋环流模式POP中的应用

在CUDA(Compute Unified Device Architecture)架构下将GPU(Graphic Processing Unit)计算首次应用到海洋环流模式POP(Parallel Ocean Program)中。测试结果表明:无论高分辨率还是低分辨率,GPU都能够提高海洋环流数值模式POP的计算速度,GPU加速比最低都在1.5倍以上,最高可以超过2.2倍;并且随着模式使用线程数目的增多,GPU的加速比在降低,但是GPU利用效率在增长。

海洋环流模式的发展和应用 Ⅱ.近海和区域环流模式

回顾了近20年来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近海和区域海洋环流模式发展和应用的历程。介绍了正压区域海流模式在中国近海海流数值模拟研究当中的应用以及一个24层、最高水平分辨率为0.25°×0.25°的三重嵌套的中国近海环流模式及其应用。在嵌套模式基础上,基于变分原理,建立了一个中国近海环流的资料同化分析系统。初步结果表明,资料同化提高了模式计算的真实性,所揭示的黑潮的强度和流幅、夏季黄海冷水团的位置等都更接近观测结果。

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 Ⅱ.年代际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟,分析了北太平洋海温和环流场的年代际变化特征,同时诊断了197677年代际跃变过程中海温场变化的机制.模式模拟出了北太平洋海温年代际异常的主要模态以及197677年跃变前后的演变特征,模拟的北太平洋中部、加州沿岸和KOE区的海温异常的强度和演变趋势均和观测比较一致;同时,模式重现了分别始于20世纪70和80年代的中纬度海温异常信号沿等密度面向低纬地区的两次潜沉过程.在表层,流场的异常主要表现为与风应力异常基本符合Ekman关系的一个异常海洋涡旋,而整个上层海洋平均的流场异常则表现为两个海洋涡旋的异常,其中副热带海洋涡旋的异常的强度要显著于副极地海洋涡旋的异常,而副极地海洋涡旋异常出现的时间比副热带海洋涡旋晚3a左右的时间.对197677年前后3个区域上层海温各贡献项的诊断结果表明,北太平洋中部变冷主要是水平平流和热通量异常贡献的结果;而加州沿岸变暖主要归因于热通量的贡献;在KOE区,垂直平流、热通量和水平平流三者都起了重要作用,其中水平平流异常对这一区域海温年代际跃变出现的时间起了至关重要的作用.

压力坐标海洋环流模式的发展和应用前景

Boussinesq近似的海洋环流模式是基于体积守恒而不是质量守恒模式,因此非经质量订正不能正确模拟海表高度的全局变化,而基于压力坐标考虑海水可压缩性的海洋环流模式则可以精确地保证质量守恒,更适用于海底压力和海表高度的模拟,介绍了在理想几何条件下这两类模式模拟的北大西洋海盆和太平洋海盆海表高度和海底压力的比较,讨论了对Boussinesq近似模式进行全局质量订正的必要性、地转适应过程在减小两类模式模拟结果差异方面的作用、以及压力坐标海洋环流模式的应用前景。

保形平流方案在海洋环流模式中的应用

通过将两步保形平流方案与二阶中央差物质输运平流方案进行对比,发现对于理想的一维平流方程,两步保形平流方案可以给出更准确的模拟．进而将此方案引入到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)发展的海洋环流模式(LICOM)中替代温度和盐度方程中的二阶中央差平流方案,发现在热带中、东太平洋区域,相对于原模式,模拟结果在温度场上有较大的改进,较好地克服了以往存在的赤道太平洋冷舌过强的问题．对比海表平流项变化和温度变化,运用线性回归分析,证明平流项的变化是改进中、东太平洋的重要原因,也由此表明两步保形平流方案的优点．

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测，在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上，引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程，发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测，进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究，并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析，就海洋及其时间变化的三维特征，检验了模拟结果。首先，检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力，结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟；海温异常的强度和结构特征与实况有偏差，尤其是次表层，距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况；表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近，只是在日期变更线附近偏大。然后，强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ，真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力，而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此，为全面评估该海洋模式，探讨模式误差的原因，根据同化资料，找出年际变化和季节变化最显著的区域之后，检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。?

一个η-坐标近岸海洋环流模式

本文描述球坐标系下的一个三维的依赖于时间和空间的近岸海洋环流模式,为了便利地求解具有复杂海底地形的近岸海洋环流模式,引入一套新坐标———η-坐标,目的是将原坐标系下的环流模式转化到新坐标系下,从而得到较原模式易于求得更精确解的η-坐标模式.

一个海洋环流模式对风应力响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式对风应力变化的响应,尤其是在热带太平洋冷舌区对风应力的响应,使用源于SODA(simple ocean data assimilation)再分析资料的风应力强迫该模式进行控制试验,在(10°S^10°N,180°~120°W)的区域减小风应力进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的资料进行分析比较。结果表明,试验结果在总体趋势上大致相同,风应力减小时主要是对试验区表层有影响,可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画较弱,且影响范围不仅是在试验区。此外,该模式能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确。

用OPA9全球海洋环流模式模拟不同类型El Nino事件

根据El Nino事件中正的海表面温度异常(sea surface temperature anomaly,简称SSTA)首先出现的区域及其传播特征,将El Nino事件分成3种类型,即东部型、西部型和驻波型。为了研究不同类型El Nino事件物理机制的差异,首先利用高分辨率全球海洋环流模式OPA9,对这3种不同类型的El Nino事件进行模拟。在逐月海表面风应力和热通量的驱动下,模式模拟出了1950—2005年间全球海温演变。模拟结果表明,模式可以很好地模拟出海洋的气候态,并且对El Nino事件期间的正SSTA首先出现的区域以及对正SSTA的传播特征都做出了很好的模拟,成功地模拟了不同El Nino事件的发展类型。

一个压力坐标海洋环流模式(PCOM1.0)的基本模拟性能评估

参照Griffies et al.(2009)提出的海洋—海冰耦合模式参考试验(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments,COREs),设计了一个800年积分的数值试验,对一个质量严格守恒的压力坐标海洋环流模式(Pressure Coordinate Ocean Model,PCOM1.0)的基本模拟性能进行了评估,并与观测资料和再分析资料进行了对比。结果表明,PCOM1.0模拟的温盐场和基本流场与COREs模式的模拟水平基本接近。其中,模拟的大西洋经向翻转流在45°N附近达到18 Sv(1 Sv=106 m3 s-1),与观测估计值接近;对海表面温度的模拟误差主要集中在北太平洋黑潮区和北大西洋湾流区等中高纬度急流区;模拟的热带太平洋温跃层过于深厚;模拟的经德雷克海峡的体积输送达130 Sv,比大部分COREs模式及再分析资料都更接近于观测估计值。

海洋环流模式LICOM的GPU实现与优化

【目的】为了加速海洋环流模式LICOM的积分计算,降低因分辨率的提升而带来的运行成本,本文设计并实现了基于CUDA C的GPU加速版本。【方法】本文基于目前最新的LICOM3版本,在分析LICOM海洋网格块的并行算法的基础上,结合使用CUDA线程并行计算海洋网格点,将LICOM主要计算程序移植到GPU平台上,并从数据传输和设备内存的使用两个方面进行优化。【结果】实验表明,GPU版本模拟结果的与原CPU版本基本一致。与使用相同数量的Intel Xeon E5-2680 V2 CPU相比,使用2至16块NVIDIA K20 GPU单个模式天加速了9.31到1.27倍。【局限】由于LICOM3计算的边界同步通信比较多,限制了程序的可扩展性,未来需要通过边界通信优化和算法优化来提高模式的可扩展性。【结论】本文对LICOM3程序进行了GPU版本的实现和优化,取得了一定的加速效果并保持较好的扩展性,为今后面向更大规模计算的海洋环流模式发展提供了经验和参考。

全球海洋环流模式中氚分布的模拟

氚(3H)作为一种重要的被动示踪物,经常被用于研究海洋中的物理过程及评估海洋环流模式的模拟性能。使用一个全球海洋环流模式(LICOM)来研究氚在海洋中的分布、存储和输送。模拟的全球氚通量表明,1975年之前氚主要由海气交换输入海洋,特别是在1963年,氚的气体交换输入约为降水输入的2.5倍,1975年之后两种方式的氚输入通量都大幅减少。比对GEOSECS(Geochemical Ocean Sections Study,1972～1978年)和WOCE(World Ocean Circulation Experiment,1989～1995年)大洋观测计划期间的观测资料发现,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要缺点在于模拟的氚向深层的穿透不足,特别是在全球的两个副热带地区,表现尤为明显,氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模式给出的海洋中氚储存总量的结果与基于观测得到的结果比较吻合,如北太平洋海区:1973～1974年模拟结果约为20.4kg,相同期间观测估计值为21.1±4.7kg,1989～1995年模拟结果为20.7kg,相同期间观测估计值为23.4±2.0kg。氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,模式成功模拟出氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。

海洋环流模式NEMO的代码现代化

海洋数值模式是精准海洋环境预报的核心手段。随着计算分辨率的不断提高,海洋数值模式对计算性能的要求也越来越高。为了提高模式计算性能,充分发挥现代计算机的特点,选取海洋环流模式NEMO开展了代码现代化优化方案在海洋环流模式中的应用研究。首先使用Intel性能分析工具对模式的计算性能进行了分析;随后,针对热点函数,开展了编译选项优化、标量串行代码优化、SIMD优化、内存带宽优化以及多进程扩展。结果显示:经过以上优化步骤,在不增加任何硬件成本的前提下,模式整体性能可提升31%,且在多进程下表现出了较好的负载均衡性。这表明,本研究采用的优化策略是一种切实可行的方法。在此基础上,进一步对代码现代化过程中出现的显著影响计算效率的问题,如大量指针的使用阻止矢量化、循环嵌套过多、内存带宽占用过高等,开展了分析和讨论,为未来模式的设计和改进提供了参考和建议。

全球海洋环流模式研究进展

全球海洋环流模式是地球系统数值模拟的关键组成部分,在气候预估和海洋环境预报中扮演着至关重要的角色。系统回顾了全球海洋环流模式的发展历程,并综述了该领域近年来的重要科技进展,涵盖了动力框架、物理过程参数化以及软硬件环境配置三大核心内容。在动力框架方面,主要探讨了水平离散方法、垂直坐标方案以及变分辨率技术的最新发展;在物理过程方面,重点关注了中尺度、亚中尺度和边界层混合参数化的进展;在软硬件配置方面,讨论了异构计算架构和人工智能在该领域的应用现状与前景。特别介绍了我国自主研发的全球海洋环流模式LICOM的进展。基于该领域的发展趋势,为我国全面推进完全自主的全球海洋环流模式的研发战略和长远规划提出了建议。