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。

一个耦合了简化生物圈方案的全球大气环流谱模式及其性能测试

在美国ＮＭＣＡＧＣＭ模式的基础上，参照ＣＯＬＡ低分辨率ＡＧＣＭ模式，移植和改进了一个包括植被层陆面过程的陆－气耦合全球大气环流谱模式（Ｒ１５Ｌ９）。其水平分辨率为菱形截断１５波，垂直方向分为９层，陆面过程采用简化的简单生物圈模式（ＳＳｉＢ）。该模式改善了对陆面特征的刻画。通过进一步完善初值处理、下垫面边值处理、模式后诊断及图形处理，使其成为一套可用于气候模拟研究的工具。对１月、７月平均场的模拟及其与１月、７月气候平均场的比较表明，该模式的性能良好。

准地转正压大气小波谱模式及其数值解

基于 β平面通道准地转正压位势涡度方程 ,用wavelet Galerkin方法导出了以周期小波尺度函数为基底的小波谱模式 ,提出了小波格 谱变换算法 ,大大减少了模式非线性项的计算量 ;利用小波基导出了流函数倾向的二维Helmholtz方程的矩阵代数方程 ,求出了周期边界条件下的高精度解 .数值试验表明 ,在热力和地形强迫下小波谱模式可以稳定的长时间积分 ,其数值解与格点差分模式的积分结果相近 ,但解的精度更高、收敛速度更快 .在单纯热力强迫下得到了收敛的稳定解 ,在地形强迫下解呈现约 15d的准周期振荡 ,类似于大气环流的高低指数循环 .

自忆谱模式对中期环流预报的改进

着眼于改进中期天气预报,以T63L16谱模式为动力核,运用大气自忆性原理设计成一个自忆谱模式并进行了10次数值预报试验,同核模式相比,自忆模式对环流预报的改进能随时间的延长而增加,到第15天时,均方根误差的减小可以达到16％,距平相关系数则增加了0.05。

一个五层大气环流模式动力学框架的正压RH波检验

本文从大气动力学和热力学的原始方程出发,在参考外来模式的前提下,自行设计了一个五层的全球大气环流谱模式,并在干绝热无摩擦条件下对模式进行了传统的正压RH 波检验。旨在判定所设计的谱模式动力学框架性能的好坏。试验结果表明,此模式的干绝热动力学框架设计体现了一般模式所具有的可靠性。

低阶谱模式的一种新方案及其应用

针对经典低阶谱模式存在的不足,提出了在最小二乘准则下通过计算不同函数组合与实测资料间的复相关系数,从实际观测资料中客观提取能反映具体物理现象的截断函数的新方案.克服了应用低阶谱模式研究物理现象时选取截断函数时的主观任意性.将此方法用于研究北半球夏季大气环流年际变化,利用1994年和1998年6月大气环流资料客观确定相应的函数组合,从描述大尺度大气运动的准地转两层斜压方程出发,揭示了造成这两年夏季大气环流演变存在差异的物理机制.

使用多时刻资料的北半球动力统计正压谱模式

本文将正压无辐散涡度方程的多时刻预报方程式用于北半球大气环流预报,给出一个待定系数是时间和空间函数的动力统计谱模式,该模式对西风带槽脊有一定的预报能力。

一个全球谱模式模拟能力的初步分析

为了进行大气环流的季节与年变化模拟研究,将墨尔本大学气象系用作固定月运行的9层15波全球谱模式经林元弼修改后的版本(以下简称NGCM)加以改进,使其能运行在时间变化的状态中,构成一个可供时间变化运行的GCM(以下简称TGCM)。随时间变化的GCM是在太阳高度、海温,海冰、陆冰、云量和臭氧等参数随时间变化的状态下运行的。而固定月运行的GCM,它只在上述那些参数固定下运行。那么,当固定月模式改变为随时间变化运行时,是否能得到与固定月运行相当的结果?能否把一些具有明显季节性变化特征的现象表现出来?本文通过对TGCM得到的1月份与7月份的结果与墨尔本大学I.Simmonds在固定月运行的1月份与7月份的结果(以下简称[2])的比较,以及TGCM对东亚西风带季节性变化的模拟,得到的结果是:在二年的时间变化运行中所得的1月和7月的平均情况各与固定月运行的结果基本相似。同时对东亚春夏之交西风带向北跳动的现象亦有相当程度的模拟。这个时间变化运行的模式可以用作全球或东亚季节与年变化趋势的模拟。

GOALS/LASG模式对气候平均态的模拟

中国科学院大气物理研究所LASG最近发展了全球海洋 大气 陆面耦合气候模式系统 (GOALS)的新版本 ,实现了全球大气环流谱模式 (R42L9)与海洋环流模式 (T63L3 0 )在 40°S～ 40°N之间的开洋面上海 气通量交换的完全耦合。该模式系统已积分了 40a ,基本上不存在明显的气候漂移。文中通过对所模拟的后 3 0a平均的热带、副热带地区海温、海表风应力、洋面净通量和降水等的气候平均态与多种实测资料的对比分析 ,结果表明 ,GOALS模式基本上模拟再现了当今气候的一些主要特征 ,对热带气候平均态已具有一定的模拟能力 ,但也注意到 ,与观测相比 ,区域性差异是明显存在的 ,比如沿赤道西太平洋“暖池”区和靠近南美沿岸的东太平洋海域以及印度洋海表温度明显偏高约 2℃ ,所模拟的赤道东太平洋海温冷舌西伸明显 ,造成赤道中太平洋海温明显偏冷等偏差。这些模拟误差 ,与模式中海表风应力和洋面所得到或释放的净热通量有密切的关系。

利用GCM模式对全球雷电活动的模拟分析

将修正的参数化方案嵌套入美国马里兰大学海- 陆- 气研究中心的全球大气环流谱模式（COLA GCM），建立了可用于全球雷电活动模拟与估测的模式系统。通过对模式输出与实况资料的对比，检验其气候模拟性能。虽然模式的分辨率较低但经过较长时间积分，仍可再现实况资料的主要特征。性能良好，计算稳定，且因时间步长较大可大大节省机时。耦合模式系统经长时间的积分后，模拟的多年平均的全球雷电频次时空分布及变化与观测分析较一致。全球范围内每秒钟平均有 79次的雷电发生，陆海比为１２．２。多发生在北半球夏季且具明显的季节变化特征。

利用混合海气耦合模式的气候异常预报试验

用混合海气耦合模式长期积分的模拟结果 ,分析了模式大气的年际变化性 ;用 1 979～1 994年间的“回报”个例 ,探讨了该模式对ENSO引起的全球气候异常的预报。结果表明 :模式能较好地再现与ENSO相关的全球大气环流的年际变化特征 ;对预报而言 ,模式较高的预报技巧主要分布在热带地区 ,全球热带大气具有较稳定的 1年左右的可预报时效 ;基本上可预报中、高纬地区由ENSO引起的冬、夏季大气环流异常 (包括气温和降水 ) ,超前时间可达 9个月至 1年。

潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动影响的机理研究

使用1958—2001年的中国气象局台风年鉴资料和欧洲中心再分析资料,初步揭示了潜热通量异常对西北太平洋(含南海)热带气旋活动的可能影响机理。统计分析发现,西北太平洋(含南海)热带气旋年频数与北太平洋副热带(简称关键区)的潜热通量在过去40余年中均表现为显著的减弱趋势。诊断分析表明,关键区的潜热通量通过低层信风向西的水汽输送—整个西北太平洋热带气旋活动区水汽低层辐合上升而凝结—潜热释放这一链条改变西北太平洋(含南海)大气环境场条件(包括中层湿度场、高低层涡度场和高低层散度场),进而调制热带气旋活动。使用SAMIL模式进行关键区内潜热通量加倍和减半的敏感性试验,进一步证实了关键区潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动调制作用的可能机理,而对南海热带气旋活动影响较小。由此可推断,在过去40余年中,北太平洋副热带中部区潜热通量的减弱趋势可能是造成西北太平洋(含南海)热带气旋频数下降的主要原因之一。

青藏高原地形对东亚夏季风北缘影响的数值试验

使用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/IAP)发展的大气环流谱模式SAMIL(R42L9),进行了有、无青藏高原对亚洲夏季风北边缘影响的数值模拟。结果表明,青藏高原大地形对夏季风北边缘活动有重要影响。有(无)高原时,其东侧的偏南风较强(弱)、较深(浅),向北扩展偏北(南),有(不)利于引导和加强夏季风北上,使北边缘偏北(南);同时,西太平洋副热带高压偏北偏西(偏南偏东),也有(不)利于夏季风向北深入我国大陆,从而使夏季风北边缘偏北(南)。与之相对应的夏季风降水区也偏北(南)。

南海-热带东印度洋海温异常对南海夏季风影响的数值试验

用低阶大气环流谱模式就前期冬春季南海-热带东印度洋(10 oN～15 oS, 90～120 o E) 海温异常对南海夏季风的影响进行了数值试验。结果表明, 当南海-热带东印度洋海温异常偏暖时,其南北两侧大气低层出现异常气旋性环流,高层出现异常反气旋性环流,其东西两侧, 在南海-热带西太平洋大气低层出现强大的异常辐合,高层出现强大的异常辐散;在热带西印度洋大气低层为明显的辐散,高层为明显的辐合,得到了与Gill理论相一致的结论。此时大气低层赤道两侧异常气旋性环流阻挡了赤道索马里越赤道SW气流进入南海, 加强了赤道西风, 并明显减弱了澳大利亚越赤道SW气流,菲律宾以东的异常反气旋性环流加强了西太平洋副热带高压, 使其位置偏南偏西, 同时大气高层印度洋上空的异常东风加强了南亚高压, 从而导致南海夏季风强度减弱, 爆发可能推迟。在南海-热带东印度洋海温异常偏冷时,大气低层赤道两侧异常反气旋性环流减弱了赤道索马里越赤道SW气流, 加强了澳大利亚越赤道SW气流,菲律宾东北部的异常气旋性环流不利于其东侧的副热带高压发展, 同时大气高层印度洋上空的异常西风减弱南亚高压强度,有利于南海夏季风加强, 爆发可能提前。

1998年夏季西太平洋副热带高压的变异分析

该文利用NCEP再分析资料和其他相关资料分析了1998年夏季西太平洋副热带高压的变异特征和机理。与多年平均相比,1998年夏季副高总体偏强、偏西。副高的南北进退出现显著异常,尤其是7月中旬,副高突然大幅度南撤,南撤后,副高偏南维持至8月初,长江中下游及以南地区出现“二度梅”。副高南撤现象从副高带的东部开始,逐渐西传。分析表明副高的异常变化是东亚大气环流异常调整的结果,其中副热带西风急流的异常变化对副高南撤起着重要的作用,急流位置和强度的变化及伴随的入口区和出口区次级环流和不稳定均有利于副高在7月中旬南撤和南撤后偏南维持。T106L19全球谱模式的敏感性数值试验表明,高度场对急流减弱的响应与观测分析结果一致。热源和水汽汇分析、OLR分析以及热源与位势高度场SVD分析均表明在副高南撤前,热带季风区非绝热加热显著减弱;这一结果有利于副高偏南维持;经圈环流的分析结果也与此相吻合。

一个改进的谱模式非线性项的计算方法及其应用

根据变维、纬向全谱的非线性项谱系数计算方法原理,新设计了一种适用于国际通用谱模式数值求解框架采用的非线性项谱系数计算方案;并利用自行设计的国际通用谱模式动力学求解框架,通过理论分析与多个例数值预报试验,与目前广泛采用的谱变换法进行了深入的对比研究,以期促进国内外现行的谱模式数值求解框架的发展.