气候系统模式研发和应用

1、LASG 国家评估代表性成果之一气候系统模式研发和应用代表性研究成果基础类或成果为第一本室固定是否应用基础类人员参加名称完成单位保密或基础性类名单王斌、周天军、俞永强、包庆、气候系统模式研基础类是李立娟、林鹏飞、刘海龙、刘骥否发和应用平、刘屹岷、吴国雄、张学洪、郑伟鹏、吴波、李建平等近 20 年来，气候系统模式已经成为研究多圈层相互作用、开展气候预测和气候变化预估的重要工具。实验室通过自主创新和“引进理解应用改进”相结合，致力于气候模式的自主设计和可持续发展，现有“灵活的”气候系统模式 FGOALS （ Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System

2、model)就是在原有模式 GOALS 的基础上，利用自主研发的大气环流模式、 海洋环流模式和海冰模式以及一个从美国国家大气研究中心（ NCAR ）引进的陆面过程模式，通过NACR 的通量耦合器实现它们的自然耦合而发展起来的，已广泛应用于过去气候再现、未来气候预测和预估、气候系统中能量水分循环、陆地生态过程等热点科学问题的研究，积极参与了一系列国际模式比较计划，为 973 等重大研究计划提供了重要的数值模拟平台，为扩大中国在本领域的国际影响做出了贡献。（1）FGOALS 近 5 年取得重要进步提高了模式的分辨率。 格点大气分量模式（包括陆面过程分量模式）的分辨率从 5 年前的 2.8 2.8

3、提高到目前的 1 1 ，海洋分量模式的分辨率在热带地区从 5 年前的 1 1 提高到 0.5 0.5 。改进和更新了模式的物理过程。 在系统评估的基础上，更新了海洋分量模式的垂直混合和短波穿透方案，改进了大气分量模式的对流、云辐射和边界层等物理过程参数化方案，考虑了气溶胶间接效应，改进了海冰分量模式的海冰反射率、太阳辐射在积雪和海冰中传输等参数化过程，发展了表面融池、海冰盐度变化等参数化方案。模式性能明显提高。通过物理过程的改进和分辨率的提高，明显改善了耦合模式对热带地区平均态和年际变化的模拟、海洋模式对上层海洋环流以及温盐结构的模拟、大气模式对东亚副热带和赤道辐合带的模拟以及海冰模式对南北极

4、海冰的模拟。耦合框架具有更灵活的选择。在目前的耦合框架中，可供选择的大气模式有 4 种不同分辨率版本，海洋模式有2 种不同分辨率版本，海冰模式有2 种不同的版本，可根据研究需要灵活选择。建立了基于 FGOALS 的新短期气候预测模式 。通过 19822005 年的回报试验显示，模式提前 12 个月预测的 Nino3.4 指数与观测的距平相关系数可达到 0.5 左右，并对长江流域降水年际异常也有一定的预测能力。（2）近 5 年在模式发展与评估方面取得了创新成果1、对耦合模式普遍存在的热带模拟偏差现象有了新的理解 ：i）大多数耦合模式低估了热带太平洋云短波辐射反馈； ii ）热带外海温偏差不仅对热

5、带模拟误差有一定贡献而且能够影响 ENSO 振幅。2、发现了模式中生态过程影响海洋物理过程的一种新机制 ：浮游植物的分布通过影响上层太阳辐射加热的垂直结构而导致海温和上层环流变化， 为 LASG未来地球系统模式的发展奠定了基础。3、提出了求解斜压原始方程的新数值方案，独立设计了格点大气分量模式的新动力框架 ，它严格保持有效能量和质量守恒，在极区不需任何平滑和滤波。4、发展了新的海冰热力和动力学参数化过程，自主建立了 LASG 海冰模式 ，它对海冰分布及季节变化有较好的模拟能力，目前该模式正应用于国家海洋环境预报中心的海冰数值业务化预报系统。5、自主研发了 LASG 气溶胶模式 LIAM和 LA

6、SG 大气气溶胶相互作用模式 GAMIL-LIAM ，为 FGOALS 在线模拟气溶胶云辐射相互作用打下了重要基础。（3） FGOALS 参加了一系列国际模式比较计划，扩大了中国在本领域的国际影响耦合模式参加了古气候模拟比较计划（ PMIP2），分别考察了地球气候系统对末次盛冰期大规模冰川分布和中全新世时期地球轨道参数变化的气候响应；用快速耦合版本模拟了过去千年气候的演变，探讨了自然变率和人为活动的相对贡献；大气分量模式参加了大气模式比较 （AMIP ）、20 世纪气候模拟（C20C）、水球试验（ APE）、气候预测与社会应用（ CliPAS）等国际模式比较计划，广泛用于二十世纪气候变化、季节

7、预测、东亚季风和副高、亚澳季风变率等研究。通过参加这些国际比较计划，我们的模式结果被国内外相关学者广泛使用，为国际上相关领域科学认识的加深做出了直接贡献，同时扩大了中国在模拟研究领域的国际影响。成果的完成人之一王斌作为首位来自中国的科学家于 2009 年当选世界气候研究计划（ WCRP）耦合模拟工作组（ WGCM ）委员，参与国际模式比较计划方案的制订。经过 5 年努力，FGOALS 无论在模拟性能、还是在应用力度、国际参与等方面，都取得了明显进步。在模拟性能方面，有关研究显示，FGOALS在亚洲季风和热带海气相互作用方面具有较好的模拟能力，在PMIP2模拟的中全新世气候中也反映出与大多数发达

8、国家的模式相一致的ENSO振幅减弱特点及其减弱机制。在应用力度方面，可用模式的积分时间、输出的数据量以及发表的论文数来具体体现。从下表中可以看出，模式积分时间从5 年前的500 年增加到近 5年的2000 年，模式输出的数据量从5 年前的约1TB增加到现在的20TB，发表的与模式有关的论文总数也从5 年前的67 篇（其中第一单位署名的63 篇）增加到现在的139 篇（第一单位署名的部。过去 5 年间发表的论文被SCI 他引87 篇），另外还出版专著4 部，教材 1326 次、CSCD 他引 147 次，国际特邀报告 13 次，获国家自然科学二等奖1 项。积分长度数据量文章发表计划中 IPCC

9、AR56000年100TB-2005-20092000年20TB87/1392000-2004500年 1TB63/671990-1999200年500MB-注：在“文章发表”栏目，分子为第一完成单位论文数，分母为总论文数。成果佐证清单实验室填报的佐证成果序号成果成果名称完成人刊物、出版社或年、卷、期、页类型授权单位名称或专利号Twentieth century surface air1论文temperature over China and theZhou, T.-J.J. Clim.2006,19(22),globe simulated by coupledR.-C. Yu5843-585

10、8climate modelsYu, Y.-Q., H. Zhi,Coupled model simulations ofB. Wang,2008, 252论文climate changes in the 20thH. Wan, C. Li,Adv. Atmos. Sci.(4):641654century and beyondH. Liu, W. Li,W. Zheng, T. ZhouENSO at 6ka and 21 ka fromZheng, W.-P.2008, Vol.30,3论文ocean-atmosphere coupledP.BraconnotClim. Dyn.745-7

11、62, DOI:simulationsE.Guilyardi10.1007/s00382-00U.Merkel, Yu Y .7-0320-3A fast version of LASG/IAPZhou T.-J.,B. Wu,2008,4论文 climate system model and itsAdv. Atmos. Sci.X. Wen,25(4):655-6721000-year control integrationL. Li and B. WangWind onset and withdrawal of2009, 32:935-968,5论文Asian summer monsoo

12、n andLi, J.-P.Clim. Dyn.DOI:their simulated performance inL. Zhang10.1007/s00382-00AMIP models8-0465-8The CLIV AR C20C Project:2009 ， 33,Which components of theZhou, T.-J., B. Wu10511068, DOI6论文Asian-Australian MonsoonA.ScaifeClim. Dyn.10.1007/s00382-00circulation variations areand coauthors8-0501-8

13、forced and reproducible?How well do AtmosphericGeneral Circulation ModelsZhou, T.-J.2009, 22,7论文 capture the leading modes ofB. WuJ. Clim.1159-1173the interannual variability ofB. WangAsian-Australian Monsoon?Toward understanding the2007,double IntertropicalZhang, X.-H.112, D12102,8论文Convergence Zon

14、e pathologyW. LinJ.Geophys. Res.doi:10.1029/2006Jin coupled ocean-atmosphereM. ZhangD007878general circulation modelsResponse of ENSO and MeanState of the Tropical Pacific toYu, Y.-Q.2009, 22,9论文Extra-tropical Cooling andJ. Clim.D. Sun5902-5917Warming: A Study Using theIAP Coupled ModelClimatology a

15、nd Variability ofLiu, H.-L.the Indonesian Throughflow in2005, Vol. 22,10论文W. LiAdv. Atmos. Sci.an Eddy-permitting Oceanic496-508X. ZhangGCMEffect of Chlorophyll-aHorizontal Distribution onLin, P.-H.11论文 Upper Ocean Temperature inH. LiuAdv. Atmos. Sci. 2008, 25, 585-596the Central and EasternX. ZhangEquatorial PacificEvaluation of snow/ice albedoLiu J.-P.,InternationalZ. Zhang,12论文parameterizations and theirJournal of2007, 27, 81-91I. Jun, and R. M.impacts on sea ice simulationsClimatologyHortonSensitivity of the Grid-pointLi L.-J.,13论文Atmospheric Model