一個較高分辨率的基于通量訂正的海-氣耦合環流模式的設計和性能評估

薛洪斌，楊玉震，楊金波，趙艷玲，宋樹剛

（1、61741部隊，北京 100094；2、92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000；3、95949部隊，河北 滄州 061736）

1 引言

當前氣候變化研究認為氣候變化不僅僅是大氣自身的演變，還包括海洋、冰雪、陸面、生態植被等的相互作用。其中，海-氣相互作用對氣候變化的影響非常重要，也是目前研究的重點。海-氣耦合環流模式為這種研究提供了平臺，被各個研究所和業務中心所關注。世界氣候研究計劃（WCRP）氣候變率與可預報性研究（CLIVAR）中心議題就是耦合模式的發展。為此，WCRP聯合科學委員會（JSC）和CLIVAR科學指導小組（SSG）聯合建立了耦合模擬工作組（WGCM），其目的就是評估和支持耦合氣候系統模式的發展。

從上世紀80年代末開始，我國自行設計了大氣環流模式、大洋環流模式及海-氣耦合模式，為我國的氣候變化模擬和預測研究提供了工具[1-5]。在發展的初期，受計算能力所限模式的分辨率相對較低。隨著計算能力的飛速進步，發展高分辨率環流模式的需求越來越強烈。高分辨率的環流模式特別是海-氣耦合模式，可以更細致地描述海-氣相互作用，對提高模式的性能具有重要意義。

本文基于“日通量距平”耦合方案將兩個具有較高分辨率的大氣和海洋環流模式耦合，耦合積分了10年，結果顯示耦合模式比較成功地抑制了“氣候漂移”現象，對于模式的性能評估這里僅僅給出了平均氣候態和季節變化。

2 耦合模式簡介

海-氣耦合模式包括大氣環流模式和大洋環流模式兩部分。其中，大氣環流模式為具有較高分辨率的IAPAGCM-3并行版大氣環流格點模式。模式框架在水平方向為球面經緯網格坐標，垂直方向取σ坐標，模式分辨率在水平方向為1°×1°，垂直方向按σ坐標不等距分為21層，大氣物理過程主要包括：云和輻射過程，大尺度凝結降水，對流參數化（含深對流和淺對流），動量、熱量和水汽的水平和垂直擴散，地形重力波拖曳以及邊界層等物理過程。大洋環流模式為目前分辨率較高的Licom模式。模式框架在水平方向為球面經緯網格坐標，垂直方向取η坐標，模式分辨率在水平方向為0.5°×0.5°，垂直方向按η坐標不等距分為30層。海洋環流模式在提高分辨率的同時對模式地形、水平粘性方案和熱力強迫方案等都進行重新設計，同時改進對海冰的處理，增加了熱力學海冰模式。雖然大氣環流模式和海洋環流模式單獨運行都能成功模擬和預測出大尺度大氣和海洋的許多特征，但當二者耦合后，耦合界面上各種通量的誤差在耦合過程中不穩定增長，將會產生氣候漂移現象。如何把這種“氣候漂移”減至最小，是設計一個成功的海氣耦合模式的主要挑戰之一。為了抑制這種現象的出現，早在80年代后期，Sausen[6]就提出了所謂的“通量訂正”的方法。其后，人們又對這個方法進行改進并應用到不同的耦合模式中。1992年，張學洪[7]采用“月平均通量異常”成功地將二層大氣環流模式和四層海洋模式耦合。其后，1995年中國科學院大氣物理研究所又發展了一個基于“線性統計修正”同步耦合方案的熱帶太平洋環流模式和全球兩層大氣環流模式的耦合模式[8]。

本文采用了所謂的日通量距平耦合方案實現了海洋和大氣模式的成功耦合。具體步驟如下：

（1）對未耦合的海洋模式長期積分，模式積分五十年，基本能達到平衡。

（2）對未耦合的大氣模式進行積分。模式積分五年達到平衡。用大氣模式的平衡態作初值，用未耦合的海洋模式達到平衡時的SST代替洋面氣候平均的SST強迫大氣模式積分五年，并計算其五年平均海氣界面的熱通量和風應力，這就是本文所取得參考通量（見圖1）。

（3）開始耦合積分，大氣模式和海洋模式每天交換一次通量。以海洋環流模式計算出的前一天的海表溫度（SST）作為大氣模式的下邊界強迫條件。

（4）大氣模式計算出當天的海表風應力和熱通量根據公式（1）修正后作為海洋模式的外強迫條件，而影響海水鹽度的淡水通量仍采用氣候平均值。

式中Fc為OGCM和AGCM直接耦合時海洋得到的熱通量，稱為“耦合通量”；Fu為OGCM在觀測的大氣強迫下海洋得到的熱通量，稱為“觀測通量”；為未耦合的AGCM計算得到的熱通量，稱為“參考通量”，它的選取對耦合模式的成敗至關重要，本模式中該量選取為用OGCM算出的SST代替氣候平均的SST積分一定時間，并平均為12個月的資料作為。

（5）對耦合模式長期積分，本文積分了15年。

3 耦合模式基本氣候態的模擬

本節主要對耦合模式積分最后10年的結果進行分析，并與未耦合的大氣環流模式積分20年和海洋環流模式積分50年的結果進行了對比。這里僅簡要對比大氣和海洋環流的基本變量，以檢測耦合模式的性能及對“氣候漂移”的控制。

3.1 長期趨勢

SST對海氣界面上通量的變化極為敏感，全球平均SST的時間序列是衡量耦合模式長期“氣候漂移”趨勢的通用指標。圖1給出了耦合模式積分15年的全球平均SST變化趨勢。15年時間序列表明全球平均SST沒有明顯的漂移現象，SST做為大氣模式的下邊界條件直接影響模式大氣，全球平均SST沒有明顯漂移趨勢保證了大氣模式沒有明顯“氣候漂移”。

圖1 耦合模式積分15年的逐月全球平均SST序列（單位/℃）

3.2 大氣環流部分

我們利用耦合模式積分后10年的結果，主要分析了耦合模式對全球氣候平均態的特征模擬。將NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center生成的2.5°×2.5°多年平均的NCEP再分析氣候資料作為海平面氣壓場和高度場的實測資料；將2.5°×2.5°的CMAP（the CPC（Climate Prediction Center,National Oceanic and Atmospheric Administration（NOAA），U.S.A.）Merged Analysis of Precipitation Enhanced）氣候月平均降水資料作為降水的實測資料。

圖2給出了1月和7月海平面氣壓場的全球分布，可以看出，耦合模式模擬出了1月和7月海平面氣壓場全球分布的基本特征。例如，無論1月或7月對亞索爾高壓的位置、范圍和走向的模擬與再分析資料基本一致，對南緯副熱帶地區高壓范圍、中心位置等也模擬得比較準確，對1月亞洲大陸高壓的強度、位置以及7月北太平洋高壓的中心位置、走向等模擬也比較成功。另外與未耦合模式的比較可以看出，兩者模擬能力相當，對7月亞索爾高壓的模擬似有所改善。不足之處是無論耦合或未耦合，系統總體模擬偏強。

圖3給出了1月和7月500 hPa位勢高度場的全球分布，可以看出，兩模式（耦合和未耦合，下同）均較好地再現了500 hPa高度場的基本分布結構，模擬出了冬季和夏季主要的槽脊分布特征，并較好地刻畫了北半球的季節變化情況，尤其是夏季副熱帶高壓的分布特征模擬比較成功。對南半球平直的位勢高度等值線形態，兩模式都模擬得較好。

圖4給出了1月、7月模擬和觀測的降水全球分布。1月最主要的特征是熱帶存在一條環球雨帶，在北太平洋和北大西洋分別存在一條雨帶。兩模式模擬的結果能夠再現冬季雨帶的這兩個主要特征，兩大洋上的雨帶位置、強度和走向都與觀測相當一致，對基本環繞全球的熱帶雨帶的模擬也較好；模擬的南太平洋輻合帶降水比較清晰，與觀測較為一致；對南非大陸的降水有一定的刻畫能力；對澳大利亞干區和南半球大陸西邊海上少雨區、以及非洲北部至西亞的干旱區的模擬均很準確。不足之處是兩模式對赤道印度洋北側的雨帶模擬偏強，南側雨帶范圍模擬偏小，南半球中緯度地區降水帶過于明顯；此外，兩模式對南美北部的較強降水模擬都偏弱。

圖2 一月（左）和七月（右）耦合模擬(a)、未耦合模擬(b)和NCEP再分析(c)海平面氣壓場的全球分布(單位/hPa)

圖3 1月（左）和7月（右）耦合模擬(a)、未耦合模擬(b)和NCEP再分析(c)500 hPa位勢高度場的全球分布（單位/gpm）

圖5 耦合模式(a)、海洋環流模式模擬(b)和觀測（c）的年平均海表溫度

7月，實際大氣的雨帶普遍北移，由于北半球西風減弱，兩大洋北部雨帶也明顯減弱，而東亞出現強大的季風降水。從圖上可以看出，兩模式能夠模擬出上述基本特征，其基本形態與CMAP的觀測比較一致。對東亞雨帶，兩模式模擬結果類似；能基本模擬出南半球太平洋輻合帶雨帶；模擬的南半球南美大陸、澳大利亞和南非南端的干區也與實測基本一致；模擬出了赤道中東太平洋ITCZ雨帶的緯向帶狀特征。此外，夏季南半球西風帶加強，相應的雨帶也比冬季強，模式能夠模擬出這一現象，但雨區的范圍有點過大。

3.3 海洋環流部分

耦合模式中的一個重要變量是海表溫度，它直接反應海氣間的相互作用，做為大氣環流的下邊界條件，其模擬的好壞直接關系到耦合的成敗。圖5給出耦合模擬后5年海表溫度年平均模擬結果與未耦合海洋環流模式運行20年的后5年年平均結果及觀測的海表溫度（NOAA Extended Reconstructed SST V3b）的2006年1月—2010年12月5年年平均結果對比分析。可以看出，兩者模擬的結果基本相似都能再現觀測SST的基本特征，特別是熱帶太平洋，對赤道西太平洋暖池和東太平洋的冷舌的位置和形狀具有一定的刻畫能力，但兩者對東太平洋冷舌模擬過強，西伸過大。

4 小結

本文基于日通量距平耦合方案，把中國科學院大氣物理研究所發展的具有較高分辨率大氣環流模式和大洋環流模式耦合起來。對耦合模式積分10年的結果分析表明，耦合模式對氣候平均態和季節變化特征具有一定的模擬能力，現將其主要性能歸納為以下幾點：

（1）耦合模式可以穩定地長期積分，并且沒有出現明顯的“氣候漂移”現象；

（2）耦合模式能模擬出與未耦合的海-氣模式接近的氣候平均態及其季節變化；

（3）耦合模式繼承了未耦合模式的特征，既包括未耦合模式的優點，同時也有缺點，如對副高的模擬耦合與未耦合都偏強。

發展耦合模式的目的是研究氣候變化，本文僅僅對耦合模式的基本性能—氣候態進行了初步的評估，對于耦合過程中的各種時間尺度的氣候變率還要做進一步分析。同時，分量模式本身也需進一步完善，如改善副高模擬偏強等等。

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