FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季SST—降水关系的模拟评估

评估了耦合气候系统模式FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季降水和SST相关关系的模拟技巧,并对比了相应的观测海温强迫试验(AMIP)和历史气候模拟试验结果。结果显示,FGOALS海洋同化试验对亚洲季风区大部分海域夏季SST年际变化有较高的模拟技巧,但其对菲律宾以东海域模拟技巧较低。在西北太平洋夏季降水—SST相关关系方面,同化试验部分地再现了南海和菲律宾以东海域降水超前SST变化1个月和同时二者的负相关关系,优于AMIP试验但逊于自由耦合模拟试验。同化试验对SST倾向—降水相关关系的模拟技巧亦介于AMIP试验和自由耦合试验之间。观测中,西北太平洋夏季降水与环流异常受日界线附近和赤道东印度洋海洋大陆地区海温异常的遥强迫,并通过改变到达海表的净短波辐射通量影响局地SST异常,导致局地海温—降水和局地海温倾向—降水的负相关关系。在AMIP试验中,遥强迫导致的西北太平洋地区环流异常较之观测偏弱,由于缺少局地海气耦合过程,在西北太平洋多数地区表现为海温对大气的强迫作用,即SST—降水正相关关系。FGOALS同化试验和自由耦合试验考虑了局地海气耦合过程,虽然低估了遥强迫对西北太平洋地区夏季环流异常的影响,依然部分模拟出局地降水—SST负相关关系但较之观测偏弱。同时,自由耦合试验高估了西北太平洋20°N以南地区海温异常对大气环流异常的强迫,使得其对中国南海和日本岛以南海域SST—降水负相关关系的模拟稍优于同化试验。

南海三维变分海洋同化模式及其验证

基于Princeton Ocena Model(POM)建立了一个南海三维变分海洋同化模式,该模式主要用于卫星遥感高度计沿轨资料同化,考虑了每条轨道上的误差相关性,并且引入递归滤波优化运算.采用1998年春季和夏季、2000年夏季3个航次温盐资料对这个系统进行评估表明,相对于未同化的模式模拟结果,无论对温盐异常年份还是正常年份,该系统的温盐均方根误差和偏差都显著减小,误差结构更符合正态分布.特别是在盐度场上能重现南海由于降水和径流所造成的淡水盖,该系统也能将海表动力高度信息有效传递进模式次表层;温盐资料验证各航次评估结果差别不大,表明该同化系统性能是稳定的.

简易海洋同化数据中的厄尔尼诺现象

为研究在厄尔尼诺现象演变过程中海气相互作用的性态特征,该文再次应用拓展伴随模态分析于简易海洋同化数据(SODA data).结果表明:通过相互作用形成厄尔尼诺/拉尼娜现象的海洋与大气具有明显不同的性态,气候系统中并不存在一个相对独立的热带太平洋大气变异,但是的确存在一个相对独立的热带太平洋海洋变异;原因在于大气是底部界面受热而海洋是顶部界面受热,从而导致前者具有较后者强烈得多的斜压不稳定性和能够覆盖大部分热带太平洋的赤道辐合带; 再次证实了正是直接来自中纬度海域的西风爆发和海面风辐聚导致赤道太平洋上层海水的东向移动和经向辐聚造就了厄尔尼诺所特有的增温信号.

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水-SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水-SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水-SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。

年代际气候预测系统IAP DecPreS的海洋同化试验在西北太平洋的海温偏差及其对亚洲夏季风的影响

本文分析了中国科学院大气物理研究所年代际气候预测系统IAP DecPreS的海洋同化试验(简称EnOIIAU试验)在西北太平洋地区的海表面温度(SST)年循环的模拟技巧,并通过对比IAP DecPreS系统自由耦合历史气候模拟试验结果,在包含海气耦合过程的框架下讨论了耦合模式中西北太平洋夏季SST模拟差异,及其对亚洲季风区夏季季风降水模拟的影响。结果表明,EnOI-IAU试验较好地模拟出了西北太平洋各个季节的SST空间分布,并显著减小了原存在于历史气候模拟试验中持续全年的SST冷偏差。混合层热收支诊断分析表明,包含同化过程在内的海洋过程的模拟差异对西北太平洋海温的模拟提升有重要贡献。夏季,EnOI-IAU试验模拟的印度季风伴随的低层西风较观测偏东、偏强,且高估了赤道西太平洋区域的降水量值、低估了印度洋区域的降水量值。水汽收支分析显示,气旋式环流异常造成的水汽辐合异常是造成亚洲季风区降水模拟差异的主要原因。研究表明,较之历史模拟试验,EnOI-IAU试验中夏季西北太平洋地区SST增暖造成局地对流增强,进而使得局地产生异常上升运动,水汽辐合增强,造成西北太平洋地区降水模拟偏多,激发出低层西风异常及赤道外气旋式环流异常。该低层西风异常导致了北印度洋地区低层辐散异常,减小了原存在于历史试验中印度洋地区的正降水偏差。西北太平洋气旋式环流异常一方面增强了印度夏季风伴随的低层西风,使得更多的水汽从阿拉伯海输送到西太平洋暖池区域,增强了该区域的降水量;另一方面,该气旋式环流异常减小了历史模拟试验中中国南部区域偏强的低层风速,进而提升了模式对东亚低层西南风的模拟能力。

FGOALS-s2海洋同化系统中东亚夏季风和前冬厄尔尼诺—南方涛动关系的年代际变化

海洋同化系统为年代际预测试验提供初值,其性能可能会影响年代际预测技巧,因此评估其对重要年代际变化现象的模拟能力非常必要。观测发现,东亚夏季风(EASM)和前冬厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的关系在1970s末加强,随后在1990s中期后减弱。基于FGOALS-s2耦合气候模式的海洋同化系统评估了其对这2次年代际变化的模拟能力。结果表明,决定模式能否再现EASM和前冬ENSO关系的年代际变化有2个重要因素:(1)与前冬ENSO有关的夏季印度洋—太平洋海温型的年代际变化;(2)模式西北太平洋反气旋对热带海温的响应偏差。模式中西北太平洋反气旋与东北印度洋的暖海温关系稳定,当1970s末前冬ENSO对夏季印度洋海温影响显著增强时,模式能够模拟出北印度洋降水以及赤道东印度洋至海洋大陆上空Kelvin波的增强,从而可再现EASM与前冬ENSO关系的增强;而1990s中期后模式中与前冬ENSO有关的东北印度洋海温异常进一步增强,与观测相反,使得模式未能再现观测中EASM与前冬ENSO关系的减弱。此外,1990s中期后模式对夏季中太平洋冷海温异常的Rossby波响应存在较大偏差,是其未能再现此次年代际变化的另一个原因。研究表明,与ENSO有关的热带印太海温的年代际变化预测水平和模式对海温的响应偏差将在一定程度上制约模式对EASM与ENSO关系的年代际预测能力。

国家气候中心全球海洋资料四维同化系统在热带太平洋的结果初步分析

介绍了国家气候中心(NCC)“全球海洋资料四维同化系统”(简称NCC-GODAS).该系统包含观测资料预处理系统、插值分析系统和所应用的动力模式.插值分析系统采用四维同化技术方案,在时间上设置一个4周的窗口,将此窗口之内的观测资料以一定的权重插入插值分析系统, 在空间上采用三维变分方案.海洋动力模式为“九五”期间LASG研制的L30T63OGCM 1 0版本.文中考察了该系统从1982年到2003年3月在热带太平洋的部分同化分析结果,并与NCEP的再分析资料和EMC/NCEP的太平洋区域海洋资料同化系统的结果进行了对比分析.结果显示,该系统的同化结果(如SST,SSTA,Nino指数,次表层海温变化等)与NCEP的同期同化结果具有很好的一致性.同时,该系统得出的海洋同化资料气候场与海洋模式气候场相比,有显著的改进.表明该系统具有较好的同化能力,其同化结果可为海-气耦合模式进行季节和跨季节的气候预测业务提供可信的海洋初始场资料,同时还可以为相关研究提供海洋分析场.

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为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开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。

现代海洋/大气资料同化方法的统一性及其应用进展

海洋 /大气资料同化的理论基础是用数值模式作为动力学强迫对观测信息进行提炼 ,或者说 ,从包含观测误差 (噪声 )的空间分布不均匀的实测资料中依据动力系统自身的演化规律 (动力学方程或模式 )来确定海洋 /大气系统状态的最优估计。本文对主要的现代海洋 /大气资料同化方法 ,包括最优插值 (Optim al Interpolation,简称OI)、变分方法 (3- Dim ensional Variational和 4 - Dimensional Variational,分别简称 3DVAR和 4 DVAR)和滤波方法(Filtering)的原理、算法设计和实际应用进行系统地回顾 ,并对这些资料同化方法的优缺点进行分析和讨论。在滤波框架下 ,所有的现代资料同化方法都被统一了 :OI和 3DVAR是不随时间变化的滤波器 ;4 DVAR和卡曼滤波是线性滤波器 ,即非线性滤波的退化情形 ;而集合滤波能构建非线性的滤波器 ,因为集合在某种程度上体现了系统的非高斯信息。一个非线性滤波器的主要优点是能计算和应用随时间变化的各阶误差统计距 ,如误差协方差矩阵。将非线性滤波器计算的随时间变化的误差协方差矩阵引入到 OI或 4 DVAR中 ,也许能实质性地改进这些传统方法。在实际应用中 ,方法的优劣可能取决于所选用的数值模式和可获得的计算资源 ,因此需针对不同的问题选取不同的资料同化方法。

南海北部海洋四维变分同化试验研究

为了研究四维变分同化方法在南海北部海洋数值预报中的适用性,使用海洋区域模式(ROMS),建立了南海北部海洋资料四维变分同化系统,进行了温盐廓线和海面温度数据同化试验,初步对比分析了三种四维变分实现方法的同化效果。研究结果表明,四维变分同化方法具有较好的同化效果,其中,增量强约束方法(I4DVar)具有较好的稳定性,其稳定性高于4DPSAS和R4DVar。本文研究成果为建立南海业务化海洋四维变分同化及预报系统奠定技术基础。

OVALS海洋资料同化系统并行计算研究

海洋数值预报技术的发展与高性能计算密切相关。为提高OVALS海洋资料同化系统的时效性,本文实现了OVALS系统的并行化。在温盐资料同化模块并行化过程中,本文提出了层优先处理器划分算法,并研究了基于该算法的并行I/O、全局通讯等实现方法;在高度计资料同化模块并行化过程中,设计实现了基于预处理的非规则区域分解算法,较好地实现了OVALS并行计算负载平衡。数值实验表明,OVALS并行系统在36并行规模下取得了17.45的并行加速比。

气候模式中海洋数据同化对热带降水偏差的影响

本文采用海洋卫星观测海表温度(SST)和海面高度异常(SLA)数据,对国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography Earth System Model version 1.0)中海洋模式分量进行了集合调整卡尔曼滤波(EAKF)同化,对比分析了大气环流、湿度和云量对海洋数据同化的响应,探讨了海洋同化对热带降水模拟偏差的影响。结果表明:海洋数据同化能有效改善海表温度和上层海洋热含量的模拟,30°S^30°N纬度带内年平均SST的绝均差降低60%。同化后大气模式模拟的赤道两侧信风得到明显改善,上升气流在赤道以北热带地区增强而在赤道以南热带地区减弱,热带降水模拟的动力结构更为合理,水汽和云量分布也更切合实际。热带年平均降水的空间分布和强度在同化后均得到改善,赤道以南的纬向年平均降水峰值显著降低,降水偏差明显减小,同化后30°S^30°N纬度带内年平均降水绝均差降低35%。

海洋温盐度资料多变量同化研究进展

早期海洋资料同化仅考虑温度的调整而忽略盐度的变化,这往往会带来虚假信息,可能导致密度场被严重恶化,同化后的结果甚至比没有同化任何观测资料时还要差。为了解决这个问题,海洋资料同化中的一些温、盐度多变量调整方案便被提出来了。本文对广泛应用于多变量分析的资料同化方法及不同温、盐度多变量调整方案进行了系统的回顾,对它们的优缺点进行了分析与讨论,并指出了不同调整方案的适用条件及应用现状,最后对Argo资料在海洋资料同化中的重要性及今后的研究重点进行了探讨。

面向大规模海洋数据同化算法的并行实现及优化

海洋数据同化是一种将海洋观测资料融合到海洋数值模式中的有效手段,经过同化的海洋数据更加接近海洋的真实情况,对人类理解和认识海洋具有重要意义。围绕海洋数据同化设计了一种基于区域分解的一般性并行实现方法。在此基础上,提出了一种基于IO代理的新并行算法。首先,IO代理进程负责数据的并行读取;接下来,IO代理进程对数据进行切块,然后将块数据发送给相应的计算进程;当计算进程完成局部数据同化后,IO代理进程负责收集计算进程的同化结果,并将其写入磁盘。该方法的主要优势在于:利用IO代理进程来负责IO,而不是像传统方法那样让所有进程都来参与IO(直接并行IO),这样可以防止大量进程对磁盘的同时访问,有效避免进程排队所导致的等待。在天河二号集群上的测试结果表明,对于1度分辨率的数据同化,在核心数为425时,该并行实现的总运行时间为9.1 s,相对于传统串行程序的加速比接近38倍。此外,对于0.1度分辨率的数据同化,基于IO代理的并行同化算法在使用10 000核时依然具有较好的可扩展性,并且可将其IO时间最大限制在直接并行IO时间的1/9。

不同矩阵分解方法对海洋数据同化的影响

在海洋数据同化领域,集合最优插值方法中,矩阵求逆过程所使用的奇异值分解(singular value decomposition,SVD)十分耗时。对集合最优插值中逆矩阵的求逆过程进行优化,分别使用LU分解、Choleskey分解、QR分解来替代SVD分解。首先,通过LU分解(Choleskey分解或QR分解)得到相应的三角矩阵(或正交矩阵);然后,利用分解后的矩阵来实现相关逆矩阵的计算。由于LU分解、Choleskey分解、QR分解的算法复杂度都远小于SVD分解,因此改进后的同化程序能得到大幅度的性能提升。数值结果表明,所采用的三种矩阵分解方法相比于SVD分解,都能将集合最优插值的计算效率提升至少两倍以上。值得一提的是,在四种矩阵分解中Choleskey分解使得整个同化程序的性能达到了最优。

同化Argo海洋廓线观测对CAS-ESM-C的上层海洋温度模拟的改进

基于中国科学院地球系统模式气候分量系统(CAS-ESM-C)最新发展的海洋资料同化系统,分别同化Argo(array for real-time geostrophic oceanography,实时地转海洋学观测阵)海洋温盐廓线观测和SST(sea surface temperature,海表温度)观测资料,并与实际观测数据及模式自由积分结果对比,研究同化海洋廓线对海气耦合模式海温模拟的改进。分析结果表明,同化海洋廓线和SST观测均能减小模拟的SST偏差,有效改进热带太平洋暖池、冷舌结构的模拟。但对于海洋上层200~400 m温度而言,同化SST的改进效果微弱,同化海洋廓线观测能显著改进模式对其模拟的效果,使得同化后的1000 m深度以上海温的均方根误差(root mean square error,RMSE)平均减小至1℃,减小幅度超过60%;同时对于热带太平洋上层海温的垂直分布及温跃层结构模拟改进显著,西太平洋暖池区200~400 m海温模拟偏差减小约6℃,减小幅度超过80%。

海洋资料同化对气候季节-年际预测技巧及初始场的影响试验

集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter,EnKF)是一种国内外广泛使用的海洋资料同化方案,用集合成员的状态集合表征模式的背景误差协方差,结合观测误差协方差,计算卡尔曼增益矩阵,有效地将观测信息添加到模式初始场中。由于季节、年际预测很大程度上受到初始场的影响,因此资料同化可以提高模式的预测性能。本文在NUIST-CFS1.0预测系统逐日SST nudging的初始化方案上,利用EnKF在每个月末将全场(full field)海表温度(sea surface temperature SST)、温盐廓线(in-situ temperature and salinity profiles,T-S profiles)以及卫星观测海平面高度异常(sea level anomalies SLA)观测资料同化到模式初始场中,对比分析了无海洋资料同化以及加入同化后初始场的区别、加入海洋资料同化后模式提前1~24个月预测性能的差异以及对于厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o–southern oscillation,ENSO)预测技巧的影响。结果表明,加入海洋资料同化能有效地改进初始场,并且呈现随深度增加初始场改进越显著的特征。加入同化后,对全球SST、次表层海水温度的平均预测技巧均有一定的提高,也表现出随深度增加预测技巧改进越明显的特征。但加入海洋资料同化后,模式对ENSO的预测技巧有所下降,可能是由于模式误差的存在,使得同化后的预测初始场从接近观测的状态又逐渐恢复到与模式动力相匹配的状态,加剧了赤道太平洋冷舌偏西、中东部偏暖的气候平均态漂移。

卫星遥感海表温度资料和高度计资料的变分同化

利用国家气候中心正在发展的第二代全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0),针对多变量同化的协调性问题,发展了一种基于三维变分框架(3DVAR)下的高度计和海表温度(SST)相互约束的同化方法。该方法使海面高度和SST资料在同一个动力约束关系下进行同化。在一般方法中,海面高度和SST观测项是代价函数中2个独立的观测项,海面高度项引入动力高度计算公式,海表温度项用统计关系进行垂向投影。在代价函数的实际求解的计算过程中,虽然其总体积分效应受海面高度观测的约束,但整个水柱中各层温盐分析变量的调整是无序的。针对这个问题,文章提出一种新的同化方案。该方案将SST的观测项并入海面高度观测项中,海面高度的一部分,确切说是上层海洋部分,由SST决定,因此至少在SST的统计关系能影响到深度的上层海洋,在代价函数的求解过程中,温盐的调整是受较强的统计关系约束的,而这种统计关系的有效性已经在很多SST的同化试验中被其他学者广泛应用并证明。利用该方法,对1993—1997年的AVHRR卫星遥感海表温度资料进行变分同化试验,用TAO、OISST和SODA数据集进行检验证明,通过对卫星遥感资料的同化能够有效改进对海洋温度和盐度的估计。海洋表层的月平均温、盐度的总均方根误差相对同化前分别降低了0.67℃和0.2‰。在混合层中,同化效果较好。

国家气候中心短期气候预测模式系统业务化进展

该文简要介绍了国家气候中心短期气候预测模式系统的研发成果,并侧重于从海洋资料同化系统、陆面资料同化系统、月动力延伸预测模式系统、季节气候预测模式系统4个方面介绍了第2代短期气候预测模式系统的业务化进展。第2代海洋资料同化系统已初步建成,其对温盐的同化效果总体上优于第1代同化系统;陆面资料同化系统正在研发中,目前已完成其中的多源降水融合子系统的业务建设工作,可为陆面分量提供实时的大气降水强迫分析场;第2代月动力延伸预测系统基于国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.2建立,已于2012年8月进入准业务运行阶段;第2代季节预测模式系统基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m)建立,将于2013年底投入准业务运行。初步评估表明:第2代月动力延伸预测模式系统和季节气候预测模式系统分别对候、旬、月和季节、年际时间尺度的气候变率体现出了一定的预测能力,其对降水、气温、环流等要素的预测技巧总体上要高于第1代预测系统。