海气耦合气候模式对大气中水汽输送、辐散辐合与海气间水通量交换的模拟

基于ECMWF再分析结果对LASG第三代全球海洋- 大气- 陆地耦合系统模式 （GOALS）的两个版本和第四代耦合气候模式初始版（FGCM—0） 所模拟的大气水汽输送 与辐散辐合特征、海气间水通量交换，进行了评估分析。结果表明：（1）对垂直积分的水汽 通量场的流函数及其对应的无辐散水汽通量矢量的模拟，三个耦合模式都能够较为合理地再 现副热带大洋的涡旋结构、中纬度西风带的东向水汽输送。赤道东风带的西向水汽输送和东 亚夏季风水汽输送等行星尺度特征及其季节变化，只是GOALS的涡旋位置。FGCM—0的 涡旋中心强度，较之实际略有偏差。（2） 反映在垂直积分的水汽通量场的势函数和对应的无 旋水汽矢量上，对南北半球副热带大洋水汽辐散区、热带辐合带（ITCZ）、东亚夏季风区强 烈的水汽辐合特征等的模拟，FGCM—0的结果相对合理。GOALS的热带辐合中心过于集 中在印度尼西亚群岛附近，东亚夏季风水汽辐合中心偏南。（3）关于海气水通量交换， FGCM—0较为理想地再现了副热带的净蒸发、ITCZ和中高纬度的净降水特征以及夏季 ITCZ的季节性北移，但对南太平洋辐合带（SPCZ）、副热带南大西洋的净蒸发特点，以及 阿拉伯海和孟加拉湾季节变化的差异，模拟结果不理想。FGCM—0在模拟SPCZ上的偏 差。

关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发，通过简单的理论分析指出：用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择；海气耦合漂移是由两部分组成的，其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差，而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用；海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移，但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项．本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验，指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案。

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异。结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进。分析显示两种模式都能够较好地再现东亚地区气候平均夏季大气水汽含量和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理,在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向上的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季旱涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进。但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差。

5个海气耦合模式模拟东亚区域气候能力的初步分析

分析了CGCM1、CSIROMK2、ECHAM4、HadCM2和GFDL共 5个海气耦合模式模拟的东亚地区地面气温和降水量的多年平均值 ,并与观测值进行了比较 ,以初步考察全球模式对区域气候的模拟能力。结果表明 ,所有的模式对东亚地区地面气温及年变化的模拟结果均较好 ,但在整个模拟区域地面气温模拟值偏低 ,冬半年模拟结果较夏半年差 ;模式能模拟出东亚地区降水的时空分布特征 ,但模拟的区域性差别比较大 ,模式对西北、东北地区的模拟效果较差 ,就季节变化而言 ,冬、春模拟降水偏大。比较结果显示 ,ECHAM4和HadCM2对东亚地区地面气温和降水场的模拟效果优于其他模式。

一个海气耦合模式对东亚夏季气候预测潜力的评估

利用一个具有较高分辨率的海气耦合模式SINTEX-F(Scale Interaction Experiment-Frontier Re-search Center for Global Change coupled GCM)的多年回报结果,评估了该海气耦合模式对东亚区域,尤其是中国地区气候异常的预测潜力。与观测实况的比较结果表明:SINTEX-F模式对夏季降水、500 hPa高度场和地表气温都有一定的预测技巧,但是相比而言降水与高度场的回报技巧要高于地表气温;而且耦合模式对东亚地区气候异常的主要空间分布和年际变化特征也有较好的预测潜力,对500 hPa高度场效果较好;对降水异常的年际变化也有一定的预测潜力,尤其是我国中部地区效果较好,但是模式预测的降水异常的幅值较观测相对偏弱;此外对我国西部的极端气候也有一定的预测潜力。

海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候的能力分析

该文采用FGOALS-s2模式两个20 a积分试验的结果,一个是海气自由耦合的控制试验,另一个是由控制试验产生的月平均海温强迫大气的海温强迫试验,通过比较两个试验结果的气候态和标准差,研究海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候变率的能力。结果表明：FGOALS-s2模式控制试验能够很好的再现降水和大气环流场的气候特征。与海温强迫试验相比：耦合模式能更好的模拟东亚地区气候态,200~500 h Pa垂直积分的气温整体偏低,850 h Pa上的东亚夏季风和南亚夏季风均偏弱,青藏高原附近的降水显著偏少,阿拉伯海、孟加拉湾、南海区域降水偏多,副高减弱偏南;耦合模式模拟的东亚气候标准差,在青藏高原上空200~500 h Pa上垂直积分气温变率偏大,阿拉伯海、孟加拉湾以及南海和西北太平洋降水变率均偏少;两种试验均能较好地模拟中国雨带从华南到长江流域再到华北的季节演变过程,控制试验模拟的降水北进过程中雨带偏南,而南退过程缓慢。

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。

区域海气耦合模式RIEMS2.0-POM2K模拟的黑碳气溶胶对东亚春夏气候的影响

黑碳气溶胶的辐射强迫及其对东亚的气候效应仍有较大不确定性,同时在黑碳气溶胶气候效应的研究中对海洋的关注较少。为了量化分析黑碳气溶胶直接辐射效应和分析其通过海气相互作用对东亚夏季风的影响,用区域海气耦合模式进行黑碳气溶胶离线模拟的敏感试验。试验结果表明:东亚晴空大气顶和地面的净辐射强迫在春季分别为1.58 W·m^-2和-2.75 W·m^-2,在夏季分别为1.68 W·m^-2和-2.62 W·m^-2。受黑碳气溶胶辐射效应影响,大气变暖,大气热力稳定度增加,云量减少。春季黑碳气溶胶的"热泵效应"引起华南降水增加和夏季风提前爆发。夏季孟加拉湾海表降温,南支槽加深,引起华南降水增加;另外中纬度附近经向温度梯度增大,进而增强冷空气势力和水汽辐散,引起华北降水减少。华南降水正异常和华北降水负异常有利于"南涝北旱"。黑碳气溶胶辐射效应能通过海气相互作用增加热带海表温度,减小经向温度梯度和海陆热力差异,进而减弱夏季风。此外,黑碳气溶胶辐射效应也能增强局域哈德莱环流及北风,进而减弱夏季风。

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。

一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式

本文初步建立了一个可用于模拟几十年到上百年气候变化的全球大气－海洋－海冰耦合的环流模式（ＣＧＣＭ）．该模式采用“预估－校正”的月平均距平耦合方案，把一个两层大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个２０层海洋环流模式（ＯＧＣＭ）耦合在一起；由于北冰洋尚未被包括在海洋模式内，因此我们在大气模式中嵌入了一个北冰洋薄层热力学海洋模式。１３０年的积分试验表明，尽管耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移现象，但模式模拟的全球气候的空间分布特征基本上是合理的。这为进一步利用该模式模拟全球增强温室效应提供了数值实验依据。

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅰ.一种新的再分析同步耦合方案

利用NCAR CCM2十八层全球大气环流谱模式和IAP/LASG OGCM二十层全球大洋环流模式,设计了一个通量场再分析同步耦合方案FRAC(Flux Re-AnalysisCoupling scheme),建立了全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)。利用EOF理论消除分量模式通量在海气非线性相互作用过程中产生的高频振荡,保留模式通量场的主要成分,使模式误差不致被迅速放大。模拟结果表明,积分前10 a全球平均海表温度仅上升0.1℃,全球平均表面温度仅上升0.3℃,以后基本保持不变,模式没有出现明显的气候漂移,50 a积分显示,模式对气候态的模拟与观测基本一致,部分结果优于未耦合模式。

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。

ECHAM4/OPYC3海气耦合模式对东亚季风年循环及其未来变化的模拟

德国马普研究所海气耦合摸式ECHAM 4/OPYC3对东亚地区 2m温度年循环的模拟尽管有一些偏差 ,但还是相当成功的。其模拟的东亚夏季风偏弱 ,而冬季风偏强 ,此偏差可能与 2m温度以及西太平洋副热带高压模拟偏差有关。该模式模拟的东亚季风区夏季降水量偏弱 ,这与上述夏季风环流的模拟结果是一致的。该模式较好地抓住了华北地区经向环流和降水量的年循环特征。利用最新的温室气体和SO2 排放方案 ,即政府间气候变化委员会 (IPCC )排放方案特别报告 (SRES)的A2和B2方案 ,通过该模式 1 1 1年的积分结果讨论了东亚季风气候在 2 1世纪后 30年中的变化 ,其主要结果为 :全球变暖导致夏季海陆温差增大和冬季海陆温差减弱 ,进而使东亚季风环流在夏季加强 ,冬季减弱。长江流域和华北地区的夏季降水量显著增强 ,而后者的增强更为显著 ,使得东亚季风区的夏季多雨区向北延伸 ;东亚季风区 9月份的降水量在两个方案中都显著增加 ,说明在全球变暖条件下东亚季风区的多雨季节将延迟一个月。

海气耦合环流模式及耦合技术的研究

介绍了近年来国内外海气耦合环流模式的研究、发展趋势 ,对不同模式的耦合技术及其预报试验进行了综合分析 ,从 ENSO预测与耦合环流模式的组成分类、模式的气候漂移及其处理技术 (耦合方案 )的特点、模式的季节、年际、年代际预报能力等方面评述了当前海气耦合环流模式的研究进展和影响耦合模式预报能力的有关问题 ,指出目前发展海气耦合模式的难点所在 ,并就我国现状提出了进行针对性研究的具体想法。

海气耦合气侯模式的依时解

运用量子力学方法，精确地求出了海气耦合随机－动力模式的依时解．对依时解的分析表明：当气候系统处于基态时，系统的行为呈布朗运动形式，由此从理论上证明了Ｈａｓｓｅｌｍａｎｎ关于随机气候模式建立的立足点．当系统处于第一激发态时，系统运动呈随时间衰减的形式；在一定条件下则为周期振荡，主周期长度为２．３年．最后将结果用来讨论二氧化碳浓度倍增时的气候影响．

海气耦合随机动力模式的Fokker-Planck方程

将描写海温和气温交互作用的随机动力模式化为一个Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程（ＦＰＥ），然后用矩阵连分法进行求解，并对二氧化碳增温效应进行了计算。当ＣＯ２从３３０ｐｐｍ增加到６６０ｐｐｍ时增温１．２℃，模式中存在的优势周期为３～４年，当ＣＯ２倍增时各周期有延长的趋势。

海气耦合随机模式中随机项的处理

本文对海气相互作用随机动力模式中随机项的处理作了探讨,分析了目前对随机项的简单处理而产生的问题,在此基础上,对随机项处理进行了重新认识和改进,并由此解释了相应合理的模式解。

全球纬向平均的海气耦合一维模式分析

本文从能量平衡角度,考虑海气相互作用和纬向间的差异,设计了一个纬向平均的海气耦合一维模式,进行了模式平衡态求解、敏感性试验以及随机分析。并对模式部分计算结果进行了与实测资料的比较,验证了模式的合理性和可信性。

区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况的模拟研究

采用区域海气耦合模式对１９９８年５～ ８月东亚近海海况进行了模拟研究。耦合模式模拟出了黑潮海流及其右侧的大尺度反气旋式涡旋，对南海表层海流的模拟也与实际基本相符，并模拟出了南海海流受季风影响较大的特点。模式也模拟出了伴随西南季风爆发及推进而发生的海温突增及暖水区北推过程。这为进行区域气候变化与区域海气相互作用问题的研究开辟了一条新途径。