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。

基于耦合气候模式的始新世全球季风数值模拟

全球一半以上人口生活在季风区。为了研究温室气候时期全球季风气候的特征,利用耦合气候数值模式(Community Earth System Model),模拟了距今最近的温室气候时期——始新世(40 Ma B.P.)的全球季风气候特征。该模式全面考虑了大气、海洋、陆地、陆冰、海冰、植被等气候子系统的耦合作用,大气CO2含量设为工业革命前的4倍。模拟结果表明,在始新世时期,全球季风的范围、强度与现今大体相当,但是区域上,各季风区的特征与现今有明显差异。

基于CMIP5耦合气候模式的1.5℃和2℃升温阈值出现时间研究

利用CMIP5耦合气候模式的模拟结果,分析了不同排放情景下1.5℃和2℃升温阈值出现的时间。多模式集合平均结果表明:RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下,全球地表温度将分别在2029年、2028年和2025年达到1.5℃升温阈值;RCP2.6情景下直至21世纪末期都未达到2℃升温阈值,RCP4.5和RCP8.5排放情景下达到2℃升温阈值的时间分别为2048年和2040年。伴随着排放情景的升高,完成从1.5℃升温阈值到2℃升温阈值所需要的时间缩短。区域尺度上,达到同一升温阈值的时间主要表现为陆地比海洋早,且陆地对排放情景差异的敏感性相对较差,而海洋达到升温阈值的时间则随着排放情景的升高而明显提前。中国达到相应升温阈值的时间要早于全球,且以东北和西北地区出现的时间最早。

DEMETER耦合气候模式对西北太平洋台风活动及其影响因子的预测效能

利用耦合气候模式实现一步法预测是气候预测的重要发展方向之一.该研究基于欧洲多模式短期气候集合预测计划(DEMETER)6个耦合气候模式1974～2001年回报试验结果,首先探讨了耦合气候模式对夏季(6～10月)西北太平洋台风发生密切相关的6个主要气候因子的预测性能,在此基础上,利用这6个气候因子与台风发生频次的统计关系,研究了耦合气候模式对西北太平洋台风频次变化的预测技巧.结果显示,DEMETER 6个耦合气候模式可以较好地预测影响台风频次的主要气候因子及台风频次本身的变化特征.进一步的对比研究发现,这种统计降尺度与耦合模式相结合的预测方法明显好于耦合气候模式的直接预测效能.此外,多模式集合平均表现出最优的预测性能.可见,采用多模式集合与统计降尺度相结合的预测方法可以大大提升耦合气候模式的预测技巧,它将成为未来台风预测的重要方向.

二氧化碳浓度增加情景下耦合气候模式中的ENSO频率变化及其机制

利用提交给气候变化政府间委员会第四次评估报告的4个耦合气候模式(GFDL/CM2.0,CNRM/CM3,IPSL/CM4和INM/CM3.0)模拟结果,分析研究了二氧化碳浓度增加情景导致的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)频率变化及其机制.结果表明,作为对二氧化碳浓度增加的响应,4个耦合气候模式中ENSO频率均呈现出明显的变化,其中两个模式(GFDL/CM2.0,CNRM/CM3)频率增加,而另外两个模式(IPSL/CM4,INM/CM3.0)频率减少.ENSO频率变化的这种模式依赖性源于不同模式热带太平洋气候背景态对二氧化碳浓度增加的响应不同,其中纬向和垂直平均的上层海洋赤道内外背景温度梯度变化对于ENSO频率变化是关键性的.二氧化碳浓度增加导致了GFDL/CM2.0和CNRM/CM3模式的赤道内外背景海温梯度增加,根据ENSO形成的充放电振子理论,这将导致ENSO事件衰亡过程中赤道内外热容量异常交换增多,赤道热容量的放电速度增快,ENSO事件时间尺度变短,从而ENSO频率增加;相反地,二氧化碳浓度增加导致了IPSL/CM4和INM/CM3.0模式的赤道内外背景海温梯度减少,则ENSO频率减小.

构件化气候模式耦合器设计与实现

耦合器用以将不同气候模式连接成为复杂的耦合系统,是气候预测应用中的关键部件.本文以构件化的方式设计并实现了一个具有较强通用性和可扩展性的耦合器,并利用它将IAP4.0大气模式和LASG海洋模式集成为一个海气耦合系统.实验结果表明,该耦合器有效地实现了耦合功能,整个耦合系统具有较高的并行性能.

中国土壤湿度的分布与变化II.耦合模式模拟结果评估

利用中国区域土壤湿度观测资料,对目前世界上较具有代表性的14个全球海陆气耦合模式模拟的中国区域土壤湿度进行了评估,发现尽管几乎所有的耦合模式基本都能够再现实际的土壤湿度空间分布,但模拟的土壤湿度季节循环和年际变化,却与观测相差较大。除了少数模式中降水变化与土壤湿度变化的关系不明显外,大部分模式都揭示了前期降水对后期土壤湿度变化的显著影响,在部分模式中,前期降水对土壤湿度的影响偏强。耦合模式在土壤湿度模拟上的偏差,主要来自降水模拟上的偏差。在土壤湿度的年平均和夏季平均空间分布、年际变化方面,高分辨率模式(水平格距高于1.875°×1.875°)的结果,整体上要好于中(水平格距在1.875°×1.875°与3.75°×3.75°之间)、低(水平格距小于3.75°×3.75°)分辨率的模式;而中等分辨率模式结果相对于低分辨率而言则优势不明显。

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究(英)

在陆面过程方案中考虑精细的水文模型有助于改善对区域水文及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入渗空间非均匀性的水文模型,并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验,得到如下主要结论:陆面水文的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感:考虑入渗非均匀性后,提高了径流系数,这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致;入渗非均匀参数化方案的引入对区域水文及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大:不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。

利用海气耦合模式模拟印度尼西亚贯穿流

利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)发展的全球耦合气候系统模式(FGCM-1·0)100年数值模拟结果,分析了模式模拟的印度尼西亚贯穿流(ITF)的平均态、季节变化和年际变化,并且利用这些资料对ITF季节变化和年际变化的成因做了初步分析。模式模拟的ITF平均态、季节变化和年际变化同已有的观测结果相比是合理的,经作者分析认为ITF的季节变化主要是因为印度尼西亚海域地处亚澳季风区,海流对于季风的响应使得ITF发生季节变化;ITF的年际变化主要是因为热带环流的年际变化及其所导致的洋流调整造成的,太平洋和印度洋都有影响。

用IAP/LASG GOALS模式模拟CO_2增加引起的东亚地区气候变化(英文)

用一个全球耦合的海洋──大气──陆地系统模式（ＩＡＰ／ ＬＡＳＧ ＧＯＡＬＳ）研究因 ＣＯ２增加引起的全球增暖，重点是讨论东亚地区气候变化。完成了两个试验，一个是ＣＯ２含量保持不变的对照试验，一个是ＣＯ２浓度按每年１０％增加的扰动试验。结果表明，在对照试验中没有出现气候漂移，在ＣＯ２含量加倍时全球平均地面气温将增加１．６５℃。ＧＯＡＬＳ模式能较好模拟观测的东亚温度和降水的空间分体和年循环，但模拟的年平均温度略偏低、年降水稍偏大。在ＣＯ２含量加倍时，东亚地区温度和降水将分别增加２．１℃和５％，最大增温出现在中纬度大陆上，最大的降水增加出现在２５°Ｎ附近。

用IAP/LASG GOALS模式模拟CO2增加引起的东亚地区气候变化（英文）

用一个全球耦合的海洋──大气──陆地系统模式（ＩＡＰ／ ＬＡＳＧ ＧＯＡＬＳ）研究因 ＣＯ２增加引起的全球增暖，重点是讨论东亚地区气候变化。完成了两个试验，一个是ＣＯ２含量保持不变的对照试验，一个是ＣＯ２浓度按每年１０％增加的扰动试验。结果表明，在对照试验中没有出现气候漂移，在ＣＯ２含量加倍时全球平均地面气温将增加１．６５℃。ＧＯＡＬＳ模式能较好模拟观测的东亚温度和降水的空间分体和年循环，但模拟的年平均温度略偏低、年降水稍偏大。在ＣＯ２含量加倍时，东亚地区温度和降水将分别增加２．１℃和５％，最大增温出现在中纬度大陆上，最大的降水增加出现在２５°Ｎ附近。

统计降尺度法对未来区域气候变化情景预估的研究进展

由于迄今为止大部分的海气耦合气候模式 (AOGCM)的空间分辨率还较低,很难对区域尺度的气候变化情景做合理的预测,降尺度法已广泛用于弥补AOGCM在这方面的不足。简要介绍了 3种常用的降尺度法:动力降尺度法、统计降尺度法和统计与动力相结合的降尺度法;系统论述了统计降尺度方法的理论和应用的研究进展,其中包括:统计降尺度法的基本假设,统计降尺度法的优缺点,以及常用的 3种统计降尺度法;还论述了用统计降尺度法预估未来气候情景的一般步骤,以及方差放大技术在统计降尺度中的应用;同时还强调了统计降尺度方法和动力降尺度方法比较研究在统计降尺度研究中的重要性;最后指出统计与动力相结合的降尺度方法将成为降尺度技术的重要发展方向。

气候增暖对热带大气季节内振荡能量传播的影响研究

针对近百年来气候增暖这一观测事实,探讨了气候增暖背景下热带大气季节内振荡(ISO)能量传播的长期变化问题。利用56年的NCAR/NCEP再分析资料、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拟国家重点实验室发展的耦合气候模式FGOALS1.0_g的60年数值模拟结果,采用时空谱方法对比分析了实测资料、模式的控制试验和CO21%等比增加的模拟结果。实测资料分析得出:气候增暖将导致热带大气ISO东传波能量相对增强,西传波能量相对减弱。数值模拟结果分析证实是CO2持续增加导致了气候增暖,同时它也是热带大气ISO东传波能量增强西传波能量减弱的主要原因。

利用WACCM-3模式对平流层动力、热力场及微量化学成分季节变化的数值模拟研究

利用美国NCAR最新的化学-气候耦合模式WACCM-3对平流层风场、温度场以及平流层臭氧等多种微量气体成分(O_3,CH_4,N_2O,H_2O,HCl,HNO_3)的季节变化进行了数值模拟,并使用ECMWF再分析资料与美国UARS卫星搭载的HALOE,MLS,CLAES等探测器的观测资料,对模式输出的动力、热力及化学成分浓度的气候平均值进行了验证.结果表明,在气候平均海表温度值驱动下,WACCM-3模式能够很好地再现ECMWF资料中平流层纬向平均风场与温度场的季节变化.模拟结果中平流层化学成分的经向-垂直分布及其季节变化与卫星观测结果基本一致.模式的动力、热力场在极地平流层以及热带对流层顶等区域存在一定的偏差.这些偏差对于微量气体成分分布的模拟具有一定影响,特别是南半球冬(7月)、春(10月)季节南极平流层低层极夜急流偏强,造成极地地区附近的输送障碍增强,从而导致CH_4,N_2O,H_2O浓度比观测偏低.此外,WACCM-3缺少热带平流层风场的准两年振荡(QBO)机制,这对于热带平流层东风急流以及低纬度平流层O_3,CH_4,N_2O,H_2O等成分经向输送的模拟结果也有一定影响.

FGOALS2两个模式版本对青藏高原东侧冬季层云的模拟特征

冬季青藏高原东部(22°N^32°N,102°E^118°E)层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区,环流特征较为复杂,大多数耦合气候系统模式对该地区层云的模拟存在较大的偏差。对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要基础。本文基于国际卫星云计划(ISCCP)卫星资料,评估了中国科学院大气物理研究所两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验(AMIP)对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系,探讨了模式偏差的可能原因。结果表明,两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。在垂直结构模拟方面,FGOALS-s2模式能较好地模拟出高原东侧低云主导的特征,其模拟的云顶高度与卫星资料更为接近;而FGOALS-g2模式则高估了该地区的平均云顶高度。分析表明,两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度,同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送,导致层云云量的模拟偏少。此外,FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送,使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。

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。

Investigating the effect of the Tibetan Plateau on the ITCZ using a coupled Earth system model

本文利用耦合地球气候系统模式研究了青藏高原对热带辐合带(ITCZ)的影响.我们研究发现热带大西洋ITCZ的位置对青藏高原存在与否有明显的敏感性.与目前真实情况相比,移除青藏高原会导致北半球海面降温,南半球海面升温.这种海面温度变化在大西洋表现得尤为明显,导致热带大西洋最大海温中心向南移动,从而迫使大气对流中心向南移动,即表现为ITCZ的南移.相应地,夏季热带大气Hadley环流的上升支也发生明显南移.北(南)半球海洋变冷(变暖)这种态势要求增强跨赤道向北的大气经向热量输送,从而维持各个半球的能量平衡,而这需要ITCZ位置的南移才能实现.本文研究表明,青藏高原的存在在现今ITCZ气候态的形成中可能扮演了重要角色.

CMIP研究计划的进展及其在中国地区的检验和应用前景

由世界气候研究计划(WCRP)推动制定的CMIP计划,是一整套耦合大气环流气候模式的比较计划。该计划旨在通过比较模式的模拟能力来评价模式的好坏,促进气候模式的发展;同时也为生态、水文、社会经济诸学科在全球变化背景下预估未来环境变化提供可靠的科学依据。CMIP计划从AMIP开始,经历了CMIP1、CMIP2、CMIP3几个阶段的发展,并已为模式研究提供了迄今为止时间最长、内容最为广泛的模式资料库。尽管模式的模拟结果仍不可避免的存在一些不足,但世界各国纷纷利用该资料库进行模式发展以及与气候变化相关的多学科研究,为预估未来的环境变化提供了不可替代的科学依据。对其作了简要回顾,并对其在中国地区存在的问题和潜在应用前景作了简要论述。

外强迫因子变化在2003年夏季旱涝预测中的作用

利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实验室研发的全球海洋-大气-陆面过程气候系统耦合模式(IAP/LASG GOALS 4.0),对比分析了考虑和不考虑气候的外强迫因子(太阳活动、温室气体及硫酸盐气溶胶)变化对2003年夏季中国区域的短期气候预测的影响.结果发现,由于外强迫因子变化的影响,模式模拟的中国区域2003年夏季降水距平的分布比不考虑这种变化时更接近实况,它有效地改善了无外强迫变化时模式模拟预测的中国区域降水不真实偏大的缺点,使一些地区的模拟降水量值减小,范围扩大,位置北抬.更重要的是,由于考虑了外强迫的变化,GOALS耦合模式很好地模拟出了2003年夏季淮河流域较大的降水正距平区,同时相应的500 hPa环流场的模拟也有较大的改进.

1.5和2℃升温阈值下中国温度和降水变化的预估

基于CMIP5耦合气候模式模拟结果对1.5和2℃升温阈值时中国温度和降水变化的分析表明,1.5℃升温阈值时,中国年平均升温由南向北加强且在青藏高原地区有所放大,季节尺度上升温的空间分布与其类似,就区域平均而言,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均气温分别升高1.83、1.75和1.88℃,气温的季节变幅以冬季升高最为显著;除华南和西南地区外中国大部分地区年平均降水量增多,降水的季节差异明显,以夏季降水的分布模态与年平均降水量的分布最为相似,区域平均的年降水量分别增加5.03%、2.82%和3.27%,季节尺度上以冬季降水增幅最大。2℃升温阈值时,RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均温度的空间分布与1.5℃升温阈值基本一致,中国年平均气温分别升高2.49和2.54℃,季节尺度上气温的变化以秋、冬季增幅最大;中国范围内年平均降水量基本表现为增多趋势,其中,西北和长江中下游部分地区表现为明显的季节差异,区域平均的年降水量分别增加6.26%和5.86%。与1.5℃升温阈值相比较,2℃升温阈值时中国年平均温度在RCP4.5和RCP8.5情景下分别升高0.74和0.76℃,降水则分别增加3.44%和2.59%,空间上温度升高以东北、西北和青藏高原最为显著,降水则在东北、华北、青藏高原和华南地区增加最为明显。