2011年地球系统动力学模式研制和数值模拟重要进展及成果

      在中国科学院战略性先导科技专项“气候模式模拟和预估中的不确定性问题”、全球变化973项目“生态和环境过程模式的研制与改进”以及“高分辨率气候系统模式的研制与评估“的支持在，在大气、海洋、陆面水文、植被生态动力学模式等地球系统分量模式及相应的耦合模式方面取得了重要的进展，主要有：

 

      完成了新一代1°×1°及0.5°×0.5°版本的IAP格点大气环流模式动力框架的设计，并对1°×1°动力框架进行了（H-S）试验检验。试验结果再现了真实大气纬向环流的基本特征，综合结果与国际上其他较先进的大气环流模式的性能相当。试验结果还表明，当模式分辨率由1.4°×1.4°提高到1°×1°时，模拟的高空西风急流的强度减弱，急流中心更偏向高纬，并略有下移。我们进一步的分析表明，纬向风场的减弱是由于涡动的增加造成的。随着分辨率的增加，模式可以刻画更多的小尺度过程，因此模拟的涡动动量通量会增加，根据波流相互作用，涡动的增加会造成基本气流的减弱。

利用新一代IAP大气环流模式（IAP AGCM）的百年数值模拟结果（1970-2008年），分析了模式对过去百年全球气候变化模拟的能力。研究结果表明，模式可以模拟出全球温度近百年来的增加趋势，特别是对于中高纬度温度近百年来的快速增加趋势；对于全球平均的地表温度，观测序列与模拟序列的相关系数达到0.87，很好的反映了全球温度近百年的变化；对于区域尺度而言，模拟模拟性能较好的区域则主要存在于中低纬度地区。

对降水模拟能力而言，模式可以模拟出中高纬度大陆的降水量增加趋势，但是对于非洲大陆降水量的减少趋势并没有模拟出来；对于全球平均的降水，观测序列与模拟序列的相关系数为0.5，降水的模拟效果劣于对温度的模拟效果。

对中国区域过去百年气候变化的模拟结果表明，模式可以较好地模拟出中国年平均温度近百年来的变化趋势，特别是对于80年至今的快速增暖；中国平均温度在40年代前后存在一个相对暖期，模式也可以再现这一时期的暖期；但模式在19世纪60年代左右则模拟出虚假的暖期，其幅度较实测值偏高较多。进一步基于观测和模拟的中国温度的经验正交函数分析表明，模式对于第一模态的空间分布有较好的一致性，方差贡献比较接近，时间系数也有较好的相关；而模式对于第二模态的空间分布有较好的一致性，方差贡献比较接近，但是时间系数有较大的偏差。

对中国区域降水和风场模拟能力的评估表明，模式可以模拟出1977年至今我国夏季南涝北旱的形势，同时可以模拟出来这一时期我国东部上空850hPa北风距平的形势，只是在量值上较观测偏低；模式也可以模拟出1952-1976年我国夏季华北降水正距平，长江中下游降水负距平的形势，同时可以模拟出南风距平的形势，同样在量值上与观测值相比偏低。总体说来，模式对于降水年际变化的模拟能力尚不理想，仍然需要进一步的改进和完善。

利用大气物理研究所大气环流模式IAP AGCM 4模拟了东亚夏季风季节内变化。结果表明，模式能基本再现东亚夏季风环流和降水的气候态分布及季节内演变特征，同时也模拟出西太平洋副热带高压（副高）的两次北跳过程及与之相关的暖池对流变化和Rossby波列。但与观测相比，副高第一次北跳偏晚，而第二次北跳偏早，即副高两次北跳的间隔偏短，这与模式中暖池对流季节内振荡周期偏短有关。因此，加入海气耦合过程则有望改善热带对流季节内振荡的模拟，从而进一步提高对东亚夏季风季节内变化的模拟水平。

基于IAP4 AGCM近百年的模拟结果分析表明，IAP AGCM4对20世纪东亚冬季风强弱变化具有一定的模拟能力，对1960-1970年代的强冬季风和1980中开始变弱的冬季风具有一定的再现能力；模式对20世纪东亚夏季风强弱变化的模拟能力较差，且模拟能力有明显的年代际差异，模式对20世纪80-90年代的夏季风年际变化具有较好的模拟能力。

采用气候态的海温和海冰覆盖驱动CESM模式，考察了模拟的全球沙尘收支过程，并将模拟的全球多个站点的年平均沙尘沉降通量、近地面沙尘浓度（包括年平均浓度和季节变化特征）和湿沉降占总沉降比重与观测分别进行对比，考察模式对于当前全球沙尘过程的模拟能力。分析表明，模式模拟的30年平均的全球沙尘总起沙量、干沉降量和湿沉降量分别为2875.3Tg/yr、1989.3Tg/yr、904.9Tg/yr，全球沙尘柱含量为27.6Tg，沙尘平均寿命为3.5天，沙尘光学厚度为0.032。模式模拟的30年平均沙尘沉降通量与DIRTMAP全球沙尘沉降资料比较接近，除少数站点偏差较大外，大部分站点的偏差在10倍以内；模拟的全球24个站点的年平均沙尘浓度与观测比较一致，3个站点的偏差略大于10倍，其余均在10倍以内；模式对于24个站点的沙尘浓度的季节变化的模拟能力则较差，模拟出一半左右的站点的沙尘浓度的季节变化；对于湿沉降在总沉降量中的比重，10个站点中，模拟值一致较高，其与观测相比，也普遍偏高。

 

 

      对原有基于HYCOM2.2版本的中国近海高分辨率海洋模式系统进行了改进，沿模式边界在水位上叠加了8个主要潮汐分量。目前已完成该模式在ERA-Intrium强迫下1995-2008年的积分。模拟结果分析表明，模式模拟的韩国西南、朝鲜以西、山东半岛最东边等低温中心与观测事实能较好地匹配，这主要是强潮流垂直混合所致，原模式因潮汐过程的缺失则不能体现。

      黄海冷水团是夏季黄海出现的一个独特海洋现象。冬季由于东北风引起的强烈混合使得进入黄海的外海水与沿岸水充分混合，整个温度垂直廓线呈垂直均匀状态。进入春季之后，风致混合与海表冷却作用减弱导致近表层出现温度的层化，而稳定的温度层结进一步削弱表层混合作用使得底层冷水长时间维持。在7-8月份季节性温跃层的垂直温度梯度达到最大，往往是表层温度超过25度而底层温度不足10度。进入秋季之后，随着东北风的逐渐加强，垂向混合也逐步加强，直至垂向混合均匀冷水团消失。对比底层冷水团的出现范围及强度，当缺少潮汐混合过程时，夏季底层冷水团相对于观测明显偏弱，而在Model 2中冷水团的持续时间和强度与观测都较为接近。

根据973项目“高分辨率气候系统模式的研制与评估”要求，基于HYCOM2.2发展一个高分辨的全球海洋模式。该模式采用正交曲线C网格, 格点数 2000x1190x30，水平分辨率7-30km, 垂向30层； 南北极点位于 (45N, 81E)和(90S,81E)；模式采用MPI并行运算，采用342个核，逐月气候态强迫积分1年需时25小时(大气所SGI4200)；大气强迫由ERA40每6小时30年平均得到得到: 10m风场、2气温和水汽混合比、降水、海平面气压、云量、短波辐射和长波辐射等要素组成。

在高纬度海洋，海冰是影响全球海洋环流不可或缺的重要组成部分。为此，选用单层冰厚度的弹-粘-塑海冰流变学模型(EVP, Hunke&Dukowicz (1997)),并采用2阶Runge-Kutta时间离散化的3阶WENO平流方案(Jiang and Shu,1996)。同时，在热力学海冰模式(Drange et al., 1996) 中考虑次网格尺度海冰厚度异质的热通量订正(Fichefet&Maqueda,1997)。此外，多层冰厚度分布模式也是模式一个可选方案。

 

 

     （1） 城市下垫面地表粗糙度参数化方案及其与中尺度气象模式的耦合：基于大塔观测资料分析的基础上，发展了一个可更合理体现城市非均匀下垫面影响的地表粗糙度参数化方案 (SY08_N方案)，实现了与区域天气气候模式的耦合，并设计了数值试验，考察了地表粗糙度参数化方案对城市地表能量平衡和边界层动力、热力和湍流特征的影响及可能机制。研究结果表明，新的Z0参数化方案（SY08_N方案）与缺省方案所模拟的温度差别相对不大，都较合理地模拟出了温度及温度廓线的日变化趋势；新的Z0参数化方案（SY08_N方案）相对缺省方案，较显著地改善了对风场的模拟，其与观测的偏差相对较小；此外，SY08_N方案清晰地模拟出了夜间城市上空200 m高度附近出现的风速极大值，该特征在缺省方案中则未体现出来。上述研究结果进一步证实了地表粗糙度参数化方案对区域天气气候的重要影响。

     （2） 陆面-水文耦合模式（CLHMS）的构建及其改进：在陆面水文模式LSX-HMS的基础之上，通过考虑陆面和地下水之间的相互作用，将地下水与其邻近土壤层的水分通量作为求解土壤湿度方程Richard方程和地下水方程的边界条件，实现陆面模式和水文模式的耦合，从而构建出陆面水文耦合模式系统CLHMS。在考虑了土壤模块与地下水模块的相互作用后，土壤底层的水分通量变化更灵敏，并且因为地下水模块考虑了水分的侧向流动，故通过地下水模块与土壤模块的相互作用，间接考虑了水分在陆面网格间的侧向流动。在上述耦合陆面水文模式（CLHMS）的基础上，对模式物理过程及模型参数进行了多方面的改进，具体包括：地下水位的初始化、河道糙率系数及河床水力传导度的空间差异性、因坡度引起的直接产流方案的引进及原模式中地下水位人为加深的修正。分析比较了模式改进前后对河道流量长时间段的逐日模拟结果，并采用纳什系数、水量平衡系数、标准化均方根误差、序列相似度及Pearson相关系数对改进前后的模式性能进行了评估，结果表明改进后的陆面水文耦合模式很大程度上提高了模式对河道流量的模拟性能。

     （3） 陆面-水文耦合模式中书库调度模块的研发及其应用：以水工建筑物相对密集的淮河流域为研究对象，在大尺度陆面水文耦合模式CLHMS中增加水库调度模块，以探讨水库对河道径流模拟的影响。结果表明，SWAT原有调度方案的确提高了CLHMS模式对蚌埠等控制站的径流模拟能力；对于单个水库，能够较好模拟出水库泄流时间，但是对于泄流的量级还有待提高。而在此基础上的改进方案，有效降低了模拟的流量峰值，改善了SWAT原有方案的不足。

     （4） 北京城市化进程对冬、夏不同季节边界层内风场和温度场特征的影响: 利用典型城市站点北京325 m气象塔1986 - 2005年间的风、温梯度观测资料，分析了北京城市化进程对冬、夏不同季节边界层内风场和温度场特征的影响及其差异。研究结果表明：1）由城市化所导致的风速减弱随高度降低而增强，近20年间相对风速 (观测风速减去背景风速) 总体呈减小趋势，其中冬季、夏季和全年平均相对风速分别在32 m、47 m和47 m处具有最强的随年份减小趋势；2）2000年以前，日最高温度出现在15 m的概率最大，32 m的概率次之；2000年以后，32 m和47 m的几率显著迅速增加，且呈现显著的季节变化特征，这正体现了城市化进程所导致的城市冠层的抬升及下垫面粗糙元分布的疏密程度对边界层大气热力状态的影响。

     （5） AMSR-E卫星遥感反演土壤湿度在中国区域的适用性分析：利用2003－2007年的中国155个台站观测土壤湿度资料验证了AMSR-E土壤湿度在中国区域的适用性，结果表明：在空间分布上，AMSR-E土壤湿度再现了台站观测土壤湿度在东北地区和华北地区的相对偏湿，但是没能抓住台站观测土壤湿度1－6月份在长江中下游流域的相对偏湿的特征；通过AMSR-E与台站观测土壤湿度异常的散点分布的统计分析可知，AMSR-E与台站观测土壤湿度的异常在东北地区最为接近，相关系数在4－11月份均通过了99%的显著性水平检验；在华北地区次之，相关系数在4－5月、7月、9月和11月通过了95%的显著性水平检验；在中部最低，相关系数仅在3月、5月和11月通过了95%的显著性水平检验。

     （6） 分析了互补相关模型计算西北地区蒸发量的可行性：针对我国西北地区干旱和半干旱的气候特征，以及相对简单的地表覆盖特点，论证了互补相关模型计算西北地区蒸发量的可行性。通过中国科学院山东禹城试验站农田观测资料，分析了植被多样性分布对互补相关模型的影响。得出植被的多样性以及植被物候变化的非同步变化是造成互补相关模型中关键参数大尺度平流参数季节变化的重要原因。并利用遥感反演参数和气象台站观测数据计算了覆盖类型相对单一的西北地区蒸发。结果表明，蒸发与地表覆盖类型的空间分布一致；与气象台站20 cm蒸发皿观测数据呈现空间互补特征；季节变化与区域降水、温度和植被物候变化相吻合。

 

      4. 全球植被动力学模式

     （1） 做为地球系统动力学模式的重要组成部分，全球植被动力学模式研制方面的主要研究进展有：（a）考察DGVM模拟的全球森林植株密度分布，发现模拟高估北方森林区以及热带、温带森林的边缘区域的树的个体密度，同时低估这些区域及相应树种类的冠层大小；（b）研究DGVM模拟对植株密度的敏感性，上述偏差导致明显低估生态系统碳储量并高估植被叶的比重，从而错误估计生态系统对气候变化的响应时间；（c）发现DGVM对植被分类方案的不自洽性，如增加或删除PFT（即便在当地的覆盖度很低）会导致模拟的生态系统较大改变；（d）改进模式中树的形态学参数及植被萌衍方案，降低森林边缘区域的个体密度。

     （2）植被分布及特征的年际变化对陆－气相互作用的影响：研究结果表明，（a）在树占优势的大部分地区，植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少；而在灌木和草覆盖区，变化则大致相反。（b）植被的年际变化对总蒸散发的年际变化的影响不大，但明显增加灌木及荒漠地区冠层蒸发及蒸腾的年际变化；森林区则主要影响地表蒸发的年际变化。

     （3）气候模式模拟结果对叶面积指数的敏感性研究：植被主要通过叶面指数这一变量影响气候。为评估植被模型改进对气候模拟的影响潜力，基于NCAR最新的大气环流模式CAM5，设计了两组实验。两组实验的差异在于叶面指数不同。实验1是CLM4 surface data里的叶面指数的观测数据，主要基于MODIS叶面指数产品。实验2是CLM4-CN的输出场，为模式模拟数据。通过上述数值模拟试验结果的比较分析，揭示了植被模式的模拟偏差；并初步分析了叶面积指数的差异对全球及区域气候模拟的影响。

     （4）火灾模型的发展与改进：发展了一个新的中等复杂程度的、过程导向的火干扰模型，并将其耦合到NCAR的CLM-DGVM中。新的火灾模型包括火发生、火蔓延、火影响三个部分。相较于已有的参数化方案，新火参数化方案的优势在于：(a)新的框架解决已有各种火参数化方案明显低估热带稀树草原区燃烧面积的问题；(b) 基于卫星产品和地基观测数据校准模型参；(c) 过火区椭圆假设中，重新推导燃烧面积计算公式，去除已有方案中多余且相互矛盾的假设和公式；(d) 新加入的生物量燃烧引起的痕量气体和气溶胶排放参数化方案为DGVM与气溶胶和大气化学模式的耦合提供接口。模拟结果表明，新的火参数化方案(Mod-new)能再现观测到的位于热带稀树草原区的高燃烧率、欧亚大陆北部的中等程度燃烧率、及湿润及荒漠地区的低燃烧率。模拟的全球燃烧面积为324Mha/yr,比最常用的GLOB-FIRM(54Mha/yr) 以及CLM-DGVM中原有的火灾模块(93Mha/有人) 更接近观测（Global Fire Emission Database, version 3.1，GFED v3.1)的380Mha/yr,观测（Global Fire Emission Database, version 3.1，GFED v3.1)和模拟的1997-2004年燃烧面积比率的全球空间相关系数可由0.39(GLOB-FIRM)及0.44（Mod-old）提高到0.59。此外,新方案关于生物量燃烧引起的碳排放及痕量气体和气溶胶排放的模拟也明显优于常用的GLOB-FIRM和Mod-old。此外还与NCAR CLM 模式发展组合作，完成了此火参数化方案与NCAR最新版本的陆面模式CLM4的耦合，并在此基础上设计了关于森林砍伐火、农业火、经济对火影响，火对氮循环影响的参数化方案。新的火参数化方案已是NCAR地球系统模式CESM将引入的新一代火参数化方案。

 

 

     通过耦合器CPL6，将中国科学院“地球系统动力学模式研制”项目群新研发的IAP第四代大气模式IAP-AGCM4、IAP LICOM全球大洋模式、NCARCLM3陆面模式（含植被模式）和NCARCISM5海冰模式实现了并行耦合。

通过对大气模式能量过程的调整，所建立的耦合系统模式通过耦合器实现了直接耦合，没有进行海气界面的“通量订正”模式没有出现明显的“气候漂移”现象，耦合模式模拟的大气层顶能量收支表明，只有4.29w/m2的净收入,大体上是平衡的。对耦合模式评估表明，（1）IAP耦合模式在整体上能够较为真实的模拟出大气，海洋，陆面，海冰主要变量的气候平均态，如SLP，降水，SST，经圈流函数，正压流函数，陆地2米气温，海冰密集度等；（2）IAP耦合模式能较好模拟出沿赤道SST的季节循环、海冰分布的季节循环以及东亚季风雨带的季节迁移等季节变化的特征；（3）IAP耦合模式对于年际变率也有一定的模拟能力。模式能较成功模拟出ENSO振幅大值区分布的区域，ENSO指数年际变率的最大振幅，ENSO事件的非规则的周期变化，以及ENSO的季节锁相特征等。此外，耦合模式还具有一定的年代变化的模拟能力。

 

     该耦合系统模式无论在分辨率上还是对主要气候现象特征的模拟上均达到国际主流模式的水平，可用于气候变化研究、气候模拟与机制研究，还可用于气候预测研究与业务，具有广泛的社会效益。同时该模式还是我院地球系统模式CAS-ESM的基础框架，为与陆地、海洋生化模式及大气化学和气溶胶模式进一步耦合并建立地球系统模式CAS-ESM奠定了很好的基础。