大气环流模式是地球系统动力学模式中的核心分量系统模式之一，也是最早发展的分量模式。大气环流模式使用数值计算的方法，来模拟和预测地球系统中的大气圈的演变，基本的模拟变量包括：温度、降水、风速、气压、湿度、云量、辐射通量等。大气环流模式包括动力框架和物理过程两个部分。动力框架是对不含源汇项(绝热)的球面大气原始方程组(包括运动学方程、热力学方程，连续方程以及水汽平流方程)进行离散化，并采用数值方法进行求解。物理过程则是计算控制方程中的源汇项。物理过程相对于动力框架而言是一个次网格过程，需要用可显示求解的模式网格点上的大尺度变量通过一定的方法加以描述，即所谓的参数化方法。通常而言，大气环流模式的物理过程主要包括：云辐射过程，对流过程，边界层过程，云微物理过程等。

本实验室一直致力于发展具有自主知识产权的大气环流模式。早在上世纪80年代，以曾庆存原始为主的模式研发团队，就研制出了我国第一个大气环流模式IAP AGCM1.0。该模式参加了IPCC第一次评估，其整体性能位列所有参与模式的中上水平。后来经过近30年的持续发展，陆续完成了第二代到第五代的IAP大气环流模式(图1)。在不断的发展完善中，模式的分辨率得到了大幅度的提高，动力框架和物理过程取得了许多重要的改进，提高了模式的模拟性能。同时，并行计算方案也实现了从无到有，并不断的改进，大大缩短了计算时间。下面简要介绍一下在动力框架和物理过程方面的特色工作。

图1 IAP AGCM发展历史

动力框架方面，IAP AGCM采用有限差分的离散化方案，能够保持质量守恒和平方守恒以及动量、能量的转移机理以及内部完全协调，其特有的方法和技术包括标准层结扣除、IAP变换、非线性迭代时间积分方案、时间分解算法、高纬灵活性跳点方案，适定的地表边条件等。其中，标准层结扣除大大减少了计算截断误差;IAP变换用于构造能量守恒的差分格式;时间分解算法和高纬灵活性跳点方案提高了模式的计算稳定性和计算效率;在地表条件中考虑海表的扰动保证了海气耦合系统的适定性。此外，在IAP AGCM4.1中，发展了新的二维并行计算方案，大大缩短了模式的运行时间。

在物理过程方面，试验室成员成功研发了云-气溶胶-辐射集合模拟系统(CAR系统，图2)，该系统基本涵盖了当前国际上几个大研究机构(如美国NCAR、NASA、NOAA、AER、英国ECMWF，加拿大CCCMA等)和我们自己使用的气候/天气模式中的各种云、气溶胶以及辐射参数化方案。该系统首次：1)实现了在同一个系统中云、气溶胶、辐射参数化方案的极大丰富，从而数学上囊括了云-气溶胶-辐射参数化方案几乎所有的可能组合;2)实现了在多辐射参数化方案基础上的云、气溶胶、辐射计算的彻底分离。利用该系统我们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度范围。

图2 CAR系统的示意图。图中数字代表各不同方案的总个数。一些缩写词的意义：cbl边界层云;ccs层云;ccb对流云;cci卷云;rel云水粒子有效半径;rei云冰粒子有效尺度;rer云雨粒子有效半径;graup雹;bgd背景气溶胶;sul硫化物;ssa海盐;dst沙尘;cab碳;ccn云凝结核数密度;gsfc为美国NASA Goddard辐射传输模式;cccma为加拿大CCCma辐射传输模式;cam为美国NCAR的辐射传输模式;flg为美国UCLA付廖古辐射传输模式;gfdl为美国NOAA GFDL辐射传输模式;rrtmg为美国AER辐射传输模式;cawcr为澳大利亚CAWCR辐射传输模式。