海-陸-氣耦合模式中海洋分量的溫鹽模擬分析

薛洪斌，楊玉震，何億強，馬凱明，趙艷玲

（1.61741部隊，北京100094；2.北京航天飛行控制中心氣象中心，北京100094；3.93811部隊，甘肅蘭州730000）

1 引言

隨著人們對氣候變化研究的深入，認識到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，提出了氣候系統的概念。其中，海-陸-氣相互作用是目前人們認識到對氣候變化的影響最為重要的組成部分，也是目前研究的重點。氣候系統模式或海-陸-氣耦合環流模式為這種研究提供了平臺，目前世界主流氣象研究所和業務中心都發展了自己的模式，比較有影響力如NCAR的CESM、MPI的MPIesm和我國的Bcc-CSM。同時，世界氣候研究計劃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，推出了耦合模式比較計劃（CMIP），目前已經進入了第五階段。

從上世紀80年代末開始，我國自行設計發展了大氣環流模式、大洋環流模式、陸面過程模式及海-陸-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[1-6]。在發展的初期，受計算能力所限模式的分辨率相對較低。隨著計算能力的進步，發展高分辨率環流模式的需求越來越強烈。對大洋環流模式來說，較高分辨率對大洋環流中一些重要物理現象的識別至關重要，同時還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[7]。

文章基于OASIS 耦合器建立一個并行的海-陸-氣耦合環流模式，著重對海-陸-氣耦合模式（以下簡稱耦合模式）及單獨的大洋環流模式（以下簡稱大洋模式）模擬當代海洋氣候的能力進行了檢驗。耦合模式從1980年1月的初值開始連續積分30年，大洋環流模式經過spinup 過程后從1901年1月初值開始連續積分30年，分析結果取最后5年的結果。通過對模擬結果分析表明，大洋模式和耦合模式都對當代海洋氣候特征具有較好的模擬效果，能夠很好的反映全球大洋各主要變量（如海表溫度、海表鹽度、緯向平均溫度和鹽度等）的基本分布特征和季節變化，具有較強的海洋氣候模擬能力。

2 模式簡介及資料簡介

文章采用的海-陸-氣耦合模式包括大氣環流模式、大洋環流模式（包括海冰模式）和陸面過程模式3 部分，并通過OASIS（Ocean Atmosphere Sea Ice Soil）耦合器實現海-氣和陸-氣模式的耦合。其中，大氣環流模式采用具有較高分辨率且物理過程完善的新一代大氣環流模式。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26 層。大洋環流模式以中科院大氣物理研究所研制的T63L30 海洋環流模式為基礎，通過進一步提高分辨率并完善物理過程而形成的第三代全球海洋模式（LICOM）。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；該模式兼顧物理問題的精度要求和實際的計算條件，將模式水平分辨率提高到0.5°×0.5°，垂直方向按η 坐標不等距分為30層，可基本滿足分辨出赤道波導和印度尼西亞貫穿流主要通道的要求。模式的南北范圍取75°S—65°N（不包括北冰洋），南北側邊界采用了溫度和鹽度的恢復條件。利用Hellerman 和Rosenstein 氣候風應力，以Levitus 的海表溫度（SST）和海表鹽度（SSS）作為熱通量和淡水通量恢復邊界條件。陸面過程模式是以通用陸面過程模式CLM3.0為基礎，并改進和完善其中物理過程，該陸面模式水平網格以及分辨率都與大氣模式一致，垂直分層包含10 層不均勻分布的土壤層和最多5層的雪層（具體分層依賴于雪的總深）。

大氣環流模式的動力框架部分沿用了IAP前幾代模式的一些方法和技術（如：標準層結扣除，IAP變換，總有效能量守恒差分格式等），此外還應用了一些新的方法和技術（如：時間分解算法，高緯靈活性跳點，可允許替代等），更新了水汽平流過程的算法，增加了對云水和云冰平流過程的計算。該模式的物理過程基本采用了CAM3.1 的物理參數化包，其中積云對流參數化方案除了CAM3.1中的Zhang-McFarlane方案外，還有修改的Zhang-McFarlane方案和Emanuel方案兩個可選方案。

該耦合模式主要用于氣候預測，與國內其它耦合模式相比，主要有3個特點：

（1）大氣環流模式分辨率較高，同時動力框架采用了多項新方法和技術；

（2）引入了完整的陸面過程模式，國內多數耦合模式是海-氣耦合模式；

（3）采用了OASIS 耦合器，目前耦合器的發展對氣候模式的研制起了巨大的推動作用。

3 耦合方案設計

文章重點是構建一個海-陸-氣耦合模式，耦合方案的設計至關重要。由于陸面過程模式已經和大氣環流模式耦合在一起，這里不再討論，下面詳細介紹一下海-氣耦合的方案及模式構建的具體實現過程。

3.1 耦合變量及算法

假設大氣模式與海洋模式每個模式日交換一次信息，海洋模式輸給大氣模式的是前一天的SST分布，并在大氣模式積分一個模式日中保持SST分布不變；而大氣模式給海洋模式的有：海表風應力τx和τy以及進入海洋的凈熱通量Hnet和凈淡水通量Ff。下面簡單介紹一下它們的算法：

(a)風應力的計算

計算公式：

（b）熱通量的計算

計算公式：

（1）S 為海表凈向下的太陽短波輻射通量，現在的大氣模式通常都有計算，可由大氣模式直接給出；

（2）R 為海表凈向上的長波輻射通量，也可由大氣模式直接給出；

（3）LES為海表凈向上潛熱通量，由公式（3）計算:

（4）H為海表面凈向上的感熱通量：

式中，Cp=1004.64，Tg為地表溫度在海面上為SST，TA為地表氣溫，大氣模式給出的是變量TA，其余變量同上。

3.2 “氣候漂移”的控制

由于模式自身存在系統誤差，目前直接耦合兩個模式會導致模式出現“氣候漂移”現象。通常的解決方案是進行通量訂正，這里所講的通量訂正主要是指距平耦合，即對某些通量或全部通量扣除其模式氣候的平均量。1992年，中科院大氣所張學洪等[8]采用月平均通量距平耦合方案于全球大氣、海洋和海冰耦合模式，成功地控制了“氣候漂移”。下面簡單介紹一下距平耦合。以海表熱通量F 為例，令φ 和φ 分別表示大氣和海洋的狀態，則通過海氣界面的熱通量F 可以寫成，F=F(φ,φ) 。設上標“c”,“u”,“o”為耦合、未耦合和觀測的狀態，可以定義：

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”，其中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，并作平均為12個月的資料作為FRo 。耦合模式中大氣進入海洋的通量為

由大氣進入海洋的通量距平定義為：

3.3 耦合方案的具體實現

本文采用的是“部分通量訂正”方案，耦合交換時間為每天，交換的通量包括熱通量、風應力和SST，其中僅對大氣模式給海洋模式的變量進行訂正，下面具體介紹耦合模式構建的實現步驟：

（1）對未耦合的海洋模式長期積分，模式積分60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5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 代替熱帶太平洋氣候平均的SST強迫大氣模式積分10年，并計算其10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FR；

（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通過公式（6）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；

（5）對耦合模式長期積分，本方案積分了40年。

本文主要對耦合模式、單獨大洋模式與觀測的海洋變量進行了對比分析，這里的觀測資料主要采用了Levitus月平均的溫、鹽資料作為參照標準。下面將具體給出對主要變量場的詳細分析。

4 耦合積分的長期趨勢

人們在衡量耦合模式是否存在長期“氣候漂移”趨勢時，通常采用全球平均SST 的時間序列作為通用指標，這是因為SST 不僅是海洋變量，同時也是大氣的下邊界條件，能直接反映海-氣相互作用。圖1給出了耦合模式積分30年的全球平均SST變化趨勢。從圖可以看出全球平均SST 在19.3 ℃上下震蕩，并沒有明顯的變冷和變暖趨勢，30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”。

5 氣候平均態

氣候平均態模擬的成敗在一定的程度上決定了氣候變率正確與否，因此平均氣候狀態是評價氣候模式的最重要指標之一。這里對比分析耦合模式中的大洋環流模式和未耦合的大洋環流模式的平均氣候狀態，并與Levitus 溫鹽資料進行對比分析，討論耦合模式的平均氣候狀態模擬的好壞。

5.1 海表溫度

圖2 給出了耦合的、未耦合的大洋環流模式和Levitus 溫鹽資料的年平均SST 的全球分布圖。由圖可以看出，兩個模式都模擬出了海表溫度基本特征，赤道太平洋暖池、冷舌的形狀保持較好。與觀測相比較，赤道海域和太平洋、大西洋的東海岸都偏冷，而太平洋和大西洋中緯度西邊界流區域都偏暖。這一特點在耦合和未耦合的大洋模式中是一致的，這是由邊界條件決定的。耦合和未耦合大洋環流模式的對比最大的差別在于熱帶地區，耦合的大洋環流模式在熱帶大洋的東海岸普遍偏冷，特別是赤道附近東太平洋西伸的冷舌，耦合的結果西伸的更強，28℃等溫線越過了日界線。

5.2 海表鹽度

圖3 給出了耦合的、未耦合的大洋環流模式和Levitus 溫鹽資料的年平均海表鹽度的全球分布圖。由圖可以看出，耦合與未耦合的模式對全球海表鹽度分布的基本特征模擬正確，副熱帶高鹽度區、印度尼西亞海及其周邊海域以及中高緯度的低鹽度區都正確的模擬出來了，這跟模式采用恢復邊界條件有關。與Levitus 資料比較模擬的主要不足是模擬的高鹽度區鹽度偏高，低鹽度區偏低。耦合與未耦合模式模擬對比的主要不同在于耦合模式模擬高鹽度區的范圍偏小，低鹽度區的范圍也偏小。這可能與耦合模式中大氣環流模式對海表風場模擬偏差有關。

5.3 緯向平均的溫度分布

圖4 給出了耦合的、未耦合的大洋環流模式和Levitus 溫鹽資料的1500 m 以上緯向平均溫度的全球分布圖。從觀測可以看出，海溫垂直結構可以分為熱帶（30°S—30°N）、中緯（30°—60°N）和高緯（60°—90°N），熱帶1000 m 以上海溫垂直遞減大體呈準水平分布，以20 ℃等溫線為準，則熱帶海洋主溫躍層保持在100 m左右，到南北30°附近有向下伸展的峰狀結構，而高緯等溫線垂直，垂直溫度梯度很小。兩個模式結果與觀測比較，兩者都可以模擬出觀測的大洋上層海表到100 m 左右的熱帶暖核，以及隨著深度加深在南北緯30°附近的向下伸展的雙峰結構。兩者模擬的主要不同在于耦合模擬的暖核深度偏淺，導致等溫線在低緯度整體上移，使得低緯度表層、中低緯度下層都偏冷，溫度南北梯度減弱，在南北緯40°向高緯整層明顯偏暖，等溫線較稀疏。兩個模式比較，無論從暖核的模擬，還是整體結構特征來看，大洋模式比耦合模式模擬的更接近觀測。

5.4 緯向平均的鹽度分布

圖5 給出了耦合的、未耦合的大洋環流模式和Levitus 溫鹽資料的1500 m 以上緯向平均鹽度的全球分布圖。與溫度的模擬相似，兩個模式也能模擬出鹽度垂直分布的主要特征，但也存在明顯的不足，主要在于：對60°S 附近從海表向下向北伸展的低鹽舌，兩模式對上層鹽度模擬均偏高，導致表層鹽舌梯度不強，相對來說未耦合的大洋模式稍好于耦合模式；在30°S 到赤道表層的高鹽區，兩模式模擬的鹽度又偏弱，高鹽區的位置偏南，范圍偏小；在10°N附近的表層低鹽區整體偏強，該區域等值線明顯比觀測稀疏；30°N附近表層向下的高鹽舌模擬相對較好；對北半球高緯鹽度極小值區模擬的較差，強度偏強、位置偏南。對比兩個模式的模擬結果，大洋模式要比耦合模式模擬好一些，整個高低鹽度區的分布、形狀和中心強度的模擬更接近觀測。

6 季節變化

季節、年際及更長時間的變化對氣候系統的變化非常重要，為了檢驗模式對季節變化的模擬能力，這里分析了耦合模式中的大洋環流模式和未耦合的大洋環流模式的溫度季節變化，并與Levitus溫鹽資料進行對比。

圖6 給出了耦合的、未耦合的大洋環流模式和Levitus溫鹽資料沿赤道上層100 m平均的溫度季節變化，反映了各大洋在熱帶赤道地區的季節變化。以155°E 為中心的西太平洋暖池區，全年海溫都在28 ℃以上，溫度季節變化較小，兩個模式都模擬了這個特征，但從溫度大小和高溫區范圍的模擬來看，單獨大洋模式模擬較好，耦合的大洋模式模擬溫度偏低。對東太平洋來說（100°W），季節變化較大，3—4月溫度最高，接近20℃，7—9月最低，單獨的大洋模式除了模擬溫度偏低外，整體來看對這一特征模擬較好，而耦合的大洋模式模擬較差，模擬溫度強度和高低值隨時間演變的特征都有偏差。對于赤道大西洋，兩個模式模擬的相對較好，都模擬出觀測的7—8這個低值中心，而且低值的大小也比較接近。赤道印度洋整體溫度都在24 ℃以上，東印度洋在5—7 和11—12月有兩個暖中心，單獨大洋模式對這個特征模擬較好，耦合模式僅僅反映了11—12月這個特征，同時還將暖的范圍擴大到了1月。從模擬結果看，單獨大洋環流模式可以更好地刻畫各大洋在赤道熱帶地區的季節變化。

7 結論

本文基于O A S IS 耦合器，發展了一套較高分辨率的海-陸-氣耦合環流模式。通過對耦合模式和未耦合大洋模式多年結果的對比分析，耦合模式對全球大洋的溫度和鹽度氣候平均態和季節變化主要特征具有一定的模擬能力，現將其主要歸納為以下4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）耦合模式繼承了大洋模式的主要模擬能力，能夠再現全球大洋溫度和鹽度水平和垂直分布的基本特征，而對特征細節的模擬還存在一定問題，如SST 在大洋東海岸偏暖，高鹽區鹽度偏高等等；

（3）從溫鹽分布模擬結果的對比看，模式對溫度分布特征的刻畫相對好一些，特別是對溫度場垂直結構的模擬；

（4）對季節變化模擬，單獨大洋環流模式更好地刻畫了各大洋的季節變化特征，耦合模式對西太平洋和大西洋的季節變化具有一定的描述能力。

本文僅對海-陸-氣耦合環流模式的大洋部分做了初步的檢驗，下一步針對耦合模式中的年際變化，特別是與海-氣相互作用密切相關的ENSO事件的模擬開展檢驗工作。這些工作對我們了解模式性能，進一步改進模式性能至關重要。

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