2012年地球系统动力学模式研制和数值模拟重要进展及成果

对0.5°×0.5°高分辨率大气模式的动力框架进行了Held-Suarez检验，并与1°×1°及1.4°×1.4°的结果进行了分析比较。结果表明0.5°×0.5°的动力框架再现了真实大气纬向环流的基本特征，其性能与国际上其他较先进的大气环流模式相当。针对高分辨率模式，我们发展了基于二维剖分的新的并行算法，该方法可以保证0.5°×0.5°模式能够使用千核以上的CPU。

利用0.5°×0.5° IAP AGCM开展了数值模拟试验，通过与1.4°×1.4°模式的对比分析，初步结果表明高分辨率模式有助于刻画风场和降水场在局地更细致的特征。

利用云-辐射-气溶胶模式系统（CAR系统），首次定量地分析了不同云量参数化方案、不同云光学性质参数化方案（包括不同云水有效尺度方案）以及不同云垂直分布方案所引起的辐射计算的不确定性范围。研究结果表明，云垂直分布方案决定了不同辐射参数化方案计算结果的不确定性范围。只有当使用相同的云垂直分布方案时，完全相同的云方案（包括云量方案，云光学性质参数化方案）才能极大地减少模式之间的差异，并将云辐射强迫的差异由30Wm^-2以上减为5Wm^-2以下。

利用大气物理所第4代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明，在给定的观测海温强迫下，模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场变化，包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化，模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化，即长江流域降水偏多，而华北和华南偏少，但位置略偏南。基于奇异值分解（SVD）的分析表明，热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素，这与太平洋年代际振荡（PDO）在1970年代末期的位相转变有关。此外，模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势，进而减弱了海陆温差，使东亚夏季风减弱。

基于IAPAGCM4.0对 1979－2008年总共30年AMIP试验，评估了模式对季节内变化的模拟能力。分析结果表明，IAP AGCM 4.0对MJO有一定的模拟能力，可以大致模拟出MJO的分布形势和主要特征，主要表现在：模式模拟的MJO具有比较接近观测的谱结构，在纬向1波周期为30-80d的地方有明显的能力中心；模拟的季节内振荡强度有比较符合地理的分布，主要分布在西太平洋河印度洋地区；模拟的季节内振荡有比较明显的年循环，西太平洋和印度洋的季节内振荡夏季在北半球，冬季在南半球；模拟的季节内振荡为东移占主导地位。对东亚夏季风环流和降水的气候态分布及其季节演变特征，IAP4也具有较好的模拟能力。模式可以很好地模拟出西太平洋副热带高压（副高）的两次北跳过程，虽然与观测相比，模式仍存在不少偏差，如尽管副高两次北跳过程得到较好的再现，但两次北跳时间与观测并不一致。进一步分析表明，暖池对流季节内振荡周期模拟偏差是导致副高两次北跳时间出现偏差的重要原因。

基于IAPAGCM4.0 1979－2008年总共30年AMIP试验的结果，利用SVD方法分析了模式对夏季副热带急流与降水关系的模拟能力。研究结果表明，模式能模拟出200hPa纬向风南北位置的变化情况，且可以较好地模拟出东亚急流南北位置的移动与我国江淮地区夏季降水的关系，亦即：东亚西风急流位置偏北时，江淮地区降水出现异常偏少；急流偏南时，江淮地区降水异常偏多。但模式模拟的降水异常的强度与观测有些差异。

基于混合坐标海洋模式Hycom建立了一个高分辨率全球大洋环流数值模式，模式区域为（80°S～90°N，0°E～360°E），水平网格采用旋转极点投影的正交曲线网格，投影极点分别设在（50°N，80°E）和（-90°N，80°E），分辨率约为4～30km（平均分辨率为1/4°），垂直方向采用z-ρ-σ混合坐标，共分为30层。目前模式已能运行超过20年，模式较好地再现了世界大洋的主要流系，大洋恒定温跃层、热带海温分布、赤道流系、西边界流系等结构特征和观测结果吻合；大洋涡旋主要集中在强流区等。

原有的中等复杂程度耦合模式缺失了模拟海洋盐度的变化，为了能进一步地将热带太平洋盐度变化对ENSO演变的反馈机制考虑到ENSO预测中，我们依据中等复杂程度耦合模式中对海表温度分量的控制方程，完成编写了海表盐度的控制方程，并与中等复杂程度耦合模式嵌套起来，实现了海表盐度的模拟。

通过合理地考虑对影响海表盐度变化的物理过程的描述，保证了耦合模式对海表盐度的合理模拟。模拟得到的SSSA在赤道地区的年际变化与SSTA的变化是一致的，证明了热带太平洋盐度模型的合理性。未来工作将进一步地考虑海表盐度变化对ENSO演变的反馈机制，进一步地完善热带太平洋的ENSO模拟和预报。

基于热带太平洋地区的海表温度（SST）与次表层海温场存在密切的物理联系，利用历史的SST观测资料重新构建了过去153年的次表层海温资料。对资料的检验结果表明，重构的次表层海温资料与三种观测的/模拟的次表层海温资料在最近50年有着很好的相关和较小的均方根误差。同时用重构的次表层海温资料驱动一个海洋模式得到的海表温度异常的模拟，能够真实地反映ENSO的年际和年代际变率。表明了该长时期的次表层海温资料能够用于气候研究，特别是大尺度的年际和年代际气候变化研究。

基于地球系统模式CESM中的陆面过程模式CLM4，利用1955-2004年的Qian et al. (2006) 大气强迫场离线驱动CLM4，通过与水循环各分量 (径流、河道流量、降水减蒸发、蒸散发和土壤湿度) 观测资料比较，分析了陆面过程模式对我国东部季风区水循环过程的模拟能力，结果表明：a) 模式基本能揭示径流的空间分布型，即“东南多、西北少”的分布特征，但模拟值较观测值普遍偏高，其中江淮及以南地区的偏差基本达到了1.0 mm/day，相应模式模拟的河道流量也呈偏大的趋势；b) 模式模拟出了长江以南地区降水减蒸发高值区，但范围比观测小，此外黄淮地区的模拟值也比观测值偏小很多；c) 模式能模拟出蒸散发的空间分布型，即“东南多、西北少”的分布特征，模拟值在黄淮及长江以南大部地区表现为负偏差 (均值约为0.5 mm/day)；d) 模式对土壤湿度有一定的模拟能力，但与站点观测相比，模式模拟的黄淮地区土壤湿度明显偏湿，且越往浅层，湿偏差越显著。

进一步分析表明，对于CLM4.0陆面过程模式而言，在我国黄淮地区蒸散发以冠层蒸腾为主，其次是冠层蒸发，其模拟的蒸散发显著少于观测。同时，CLM4模拟的黄淮地区土壤湿度明显偏湿，且越往浅层，湿偏差越显著，这与蒸散发模拟偏少、地表水入渗偏多、浅层土壤易偏湿相对应。鉴于黄淮地区地下水位较浅，径流主要来自地下径流，所以当黄淮地区的模拟土壤湿度偏湿时，有助于地下径流增多，最终导致总径流模拟偏多。

以我们自主研发的陆面水文耦合模式CLHMS为模式工具，在淮河流域开展了24年 (1980-2003) 的长期积分试验。模式采用20km×20km的网格分辨率，降水采用中国区域站点日降水观测资料，其它要素驱动场分别采用一日4次CFSR再分析资料 (T382) 和NCEP R1 (T62) 再分析资料，探讨了不同再分析资料对模式模拟结果的影响。分析结果表明，更为精细准确的大气强迫场可以在一定程度上提高模式对流域水文水循环过程的模拟能力。分析结果表明，CFSR驱动的模拟流量和观测降水在1980-1989年的时间相关达0.49，在1990-2003年的时间相关达0.45，说明模式对降水等气候强迫因素的综合响应能力很好。用CFSR驱动的模拟结果和观测流量在1980-1989年的时间相关达0.95，在1990-2003年的时间相关达0.89，均比用NCEP驱动的模拟结果有一定改进。通过评估CLHMS的各项模拟性能指标可以看到，模式对80年代的水量平衡模拟比1990年以后的好；对偏湿年份的水量平衡模拟比偏干年份好；模式对80年代以及偏湿年份的流量的年际变化模拟较好，而对偏干年份的流量年际变化模拟较差。干旱年份的模拟结果较差的主要原因在于地表水拦蓄使用和地下水抽取等人类活动对地表水、地下水系统的影响，如农业取水灌溉、工业用水等。

采用CESM（版本1.0.3）开展了城市热岛效应的数值模拟研究，考察了模式对城市热岛效应的模拟能力。并根据城市化发展水平及模拟的城市热岛（记为UHI）空间分布并参考国内基于观测分析的工作，将中国区域分成5个区，然后就模拟的UHI气候平均、季节循环及年际变化等展开分析，结果表明：I）从气候平均而言，模拟的夜间城市热岛要强于日间城市热岛，且冬季强度明显偏强；II）从季节循环而言，模拟的夜间城市热岛随季节变化显著，且与城市热岛变化具有较好的同步性。东北、华北和京津冀地区夜间城市热岛在冬季显著加强，长三角和珠三角地区夜间城市热岛则在夏、秋季增强较快；III）从年际变化而言，夜间UHI具有较大的年际变化，而日间UHI基本不随年份变化。由于采用了静态的城市覆盖率数据进行模拟，夜间UHI没有呈现上升趋势，珠三角和长三角地区甚至出现了下降趋势

（1）植被动力学模式中植被萌衍的研究：发展DGVM模式中植被萌衍方案，使幼苗个数与PFT的覆盖度成正比，并可考虑物种相对萌衍能力差异；新方案改进了对森林分布的模拟，并对PFT分类方案具有较好的自洽性；

（2）植被动力学模式中火灾模型的发展与改进：对IAP-DGVM中的火模式作了进一步发展，设计了关于农业火、砍伐火、泥碳火、社会经济状态对火抑制能力影响的参数化方案， 属于全球火模式中首次考虑这四个因素。这四个因素的考虑除可进一步提高火模拟能力外，还使地球系统模式模拟和预测由火引起的重大大气污染事件（如1997年覆盖整个东南亚并持续数月的霾害）成为可能。随后将最新发展的火参数化方案加入NCAR最新版本的陆面模式CLM4中，评估其模拟性能。模拟结果表明：新的火模式在燃烧面积全球总量及全球空间分布、火季节变化、火年际变化、火碳排放、生物量燃烧引起的温室气体和气溶胶排放各个方面都接近基于卫星观测的GFED3产品，且明显优于已有的火模式。新的火参数化方案除提供给中科院地球系统模式使用，作为其全球植被动力学模式IAP-DGVM 的重要模块外；整套火参数化方案（39个方程及2个假设）已被美国NCAR地球系统模式CESM新版本采用。

（3）IAP动力学植被模式（IAP-DGVM1.0）的研制及验证：建立了IAP DGVM1.0版本，开展了1975-2004年总共30年的数值模拟试验，系统评估了模式对碳及植被的模拟，并与CLM-DGVM进行了比较。研究结果表明，（1）IAP-DGVM1.0能较合理地模拟碳循环四个分量（总初级生产力GPP、净初级生产力NPP、植被呼吸、火灾引起的碳排放）的全球总量及全球空间分布.IAP-DGVM1.0在热带地区对GPP，NPP，植被呼吸的模拟相较于CLM-DGVM有所改进，并在全球绝大部分格点上改进了火碳放量的模拟；（2）IAP-DGVM1.0能抓住各种植被类型空间分布的大值区。相对于CLM-DGVM，草的模拟能力改进明显，并实现了灌木的全球模拟，树的模拟也更合理；（3）在植被结构模拟方面， LAI年平均值的空间分布和LAI的季节变化的模拟合理。

（4）全球火过程的数值模拟：基于加入了新火模块的CLM4，我们模拟了1850-2004年火的演替。研究结果表明，模拟的燃烧面积和火碳排放在～1870前有上升趋势，其后下降，这与基于木碳沉积物及南极冰心CO记录反演的火数据一致。此外，新的火模式还能模拟不同火类别对生物量燃烧引起碳排放总量的贡献率。在1997-2004年，贡献率分别为：8%来自农业火，27%来自砍伐火，5%来自泥碳火，其余类别的火贡献60%, 这与基于卫星观测的估算接近。利用植被动力学模式离线研究植被特征的年际变化对陆气相互作用的影响，发现蒸腾在全球将近一半的地区主要受LAI的影响，而地表蒸发、冠层蒸发和总蒸散发在全球受降水影响最大的区域较大。

（5）基于国际耦合模式比较计划（CMIP5）中的8个地球系统模型对过去150年的历史模拟（1850-2005）以及RCP4.5情景下的未来100年的模拟结果，考察了模式对陆气间净CO₂通量及陆地碳循环的其他分量，以及它们与气候变量（温度，降水和土壤湿度）间关系的模拟能力。研究结果表明，上述模式模拟的碳循环分量（包括生产量和呼吸量）的中位数与基于观测的产品大致一致；模式模拟的碳通量随时间段和纬度发生变化，但是净初级生产力和总初级生产力的比（代表了生态系统碳利用效率）受纬度和气候变化的影响较小；21世纪各陆地碳通量（除了净生态系统生产力，NBP）均加速增长。累积的陆气碳交换表明在所有模式里陆地在2100年均起到碳汇的作用，其中大部分模式显示热带和寒带地区为最大的碳汇。此外，还首次评估了地球系统模式对全球土壤微生物呼吸的模拟效果，指出模式对该变量的模拟在全球尺度上观测和评估均存在很大不确定性。

通过对2010年3月19~22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程的模拟试验，详细考察模式的模拟能力，并着重分析模拟偏差的原因。总体来讲，模式能比较合理地模拟出塔克拉玛干沙漠和内蒙古中西部及其以北中蒙交界地区的主要起沙过程及起沙强度的时空变化特征，从而能较好地再现沙尘浓度的时空演变过程，基本抓住了源地及下游地区大部分站点地面沙尘浓度的时间变化特征，其中模拟的沙尘浓度的量值在源地及其附近地区与观测较为接近，但在下游站点可能由于传输过程中湿沉降偏大而量值有所偏小。此外，部分区域和个别站点的模拟结果偏差较大，这可能归结于起沙方案所用的风蚀度指数S有所不足、计算的临界摩擦速度偏小以及有效轰击率的偏差等方面。结果表明，将CESM模式的起沙方案应用于东亚区域的较高分辨率模拟时，其有一定的模拟能力，同时也需要进一步的改进，特别是针对风蚀度指数所代表的潜在沙尘源地分布及有效轰击率的经验公式开展更多的模拟和观测试验。

采用观测的海温和海冰覆盖驱动CESM模式，从1979年1月1日开始积分27年，分析了1981~2005年的模拟结果。结果表明，模拟的全球起沙量为3219.2Tg，其中0.1~1μm粒径分档起沙量为103Tg，为总起沙量（0.1~10μm）的0.032。模拟的全球沙尘总柱浓度、干沉降量、湿沉降量、生命期和光学厚度分别为23.3Tg、2019.2Tg、1199.2Tg、2.6 天和0.023，其中湿沉降占总沉降量的比重是37.3%，模拟结果在AerCom沙尘模式比较计划多模式结果的变化值之间。与全球观测资料相比，模式基本再现了全球主要的沙尘分布带；模拟的大部分站点年平均沉降量和沙尘浓度的偏差在10倍以内，但也存在个别偏大较大的点。

考虑CESM模式中原起沙方案在模拟东亚沙尘暴过程以及全球沙尘循中存在的一些不足，对CESM模式中的起沙参数化方案进行了改进，引入了更具有起沙物理基础的Shao（2004）参数化方案。基于个例模拟结果的分析表明，引入新的参数化方案的模式能比较合理地模拟出沙尘的主要起沙区域及起沙强度的变化特征，以及沙尘随大气环流向东南传输的特征，也基本抓住了源地附近及下游地区观测站点沙尘浓度的时间变化特征，即模拟出了这些站点主要的沙尘过程。与采用原起沙方案的模拟结果相比，并同时比对观测的地面台站沙尘天气以及地面沙尘浓度，引入新的沙尘方案的模式模拟结果优于原方案。