一个较高分辨率的基于通量订正的海-气耦合环流模式的设计和性能评估

薛洪斌，杨玉震，杨金波，赵艳玲，宋树刚

（1、61741部队，北京 100094；2、92493部队，辽宁 葫芦岛 125000；3、95949部队，河北 沧州 061736）

1 引言

当前气候变化研究认为气候变化不仅仅是大气自身的演变，还包括海洋、冰雪、陆面、生态植被等的相互作用。其中，海-气相互作用对气候变化的影响非常重要，也是目前研究的重点。海-气耦合环流模式为这种研究提供了平台，被各个研究所和业务中心所关注。世界气候研究计划（WCRP）气候变率与可预报性研究（CLIVAR）中心议题就是耦合模式的发展。为此，WCRP联合科学委员会（JSC）和CLIVAR科学指导小组（SSG）联合建立了耦合模拟工作组（WGCM），其目的就是评估和支持耦合气候系统模式的发展。

从上世纪80年代末开始，我国自行设计了大气环流模式、大洋环流模式及海-气耦合模式，为我国的气候变化模拟和预测研究提供了工具[1-5]。在发展的初期，受计算能力所限模式的分辨率相对较低。随着计算能力的飞速进步，发展高分辨率环流模式的需求越来越强烈。高分辨率的环流模式特别是海-气耦合模式，可以更细致地描述海-气相互作用，对提高模式的性能具有重要意义。

本文基于“日通量距平”耦合方案将两个具有较高分辨率的大气和海洋环流模式耦合，耦合积分了10年，结果显示耦合模式比较成功地抑制了“气候漂移”现象，对于模式的性能评估这里仅仅给出了平均气候态和季节变化。

2 耦合模式简介

海-气耦合模式包括大气环流模式和大洋环流模式两部分。其中，大气环流模式为具有较高分辨率的IAPAGCM-3并行版大气环流格点模式。模式框架在水平方向为球面经纬网格坐标，垂直方向取σ坐标，模式分辨率在水平方向为1°×1°，垂直方向按σ坐标不等距分为21层，大气物理过程主要包括：云和辐射过程，大尺度凝结降水，对流参数化（含深对流和浅对流），动量、热量和水汽的水平和垂直扩散，地形重力波拖曳以及边界层等物理过程。大洋环流模式为目前分辨率较高的Licom模式。模式框架在水平方向为球面经纬网格坐标，垂直方向取η坐标，模式分辨率在水平方向为0.5°×0.5°，垂直方向按η坐标不等距分为30层。海洋环流模式在提高分辨率的同时对模式地形、水平粘性方案和热力强迫方案等都进行重新设计，同时改进对海冰的处理，增加了热力学海冰模式。虽然大气环流模式和海洋环流模式单独运行都能成功模拟和预测出大尺度大气和海洋的许多特征，但当二者耦合后，耦合界面上各种通量的误差在耦合过程中不稳定增长，将会产生气候漂移现象。如何把这种“气候漂移”减至最小，是设计一个成功的海气耦合模式的主要挑战之一。为了抑制这种现象的出现，早在80年代后期，Sausen[6]就提出了所谓的“通量订正”的方法。其后，人们又对这个方法进行改进并应用到不同的耦合模式中。1992年，张学洪[7]采用“月平均通量异常”成功地将二层大气环流模式和四层海洋模式耦合。其后，1995年中国科学院大气物理研究所又发展了一个基于“线性统计修正”同步耦合方案的热带太平洋环流模式和全球两层大气环流模式的耦合模式[8]。

本文采用了所谓的日通量距平耦合方案实现了海洋和大气模式的成功耦合。具体步骤如下：

（1）对未耦合的海洋模式长期积分，模式积分五十年，基本能达到平衡。

（2）对未耦合的大气模式进行积分。模式积分五年达到平衡。用大气模式的平衡态作初值，用未耦合的海洋模式达到平衡时的SST代替洋面气候平均的SST强迫大气模式积分五年，并计算其五年平均海气界面的热通量和风应力，这就是本文所取得参考通量（见图1）。

（3）开始耦合积分，大气模式和海洋模式每天交换一次通量。以海洋环流模式计算出的前一天的海表温度（SST）作为大气模式的下边界强迫条件。

（4）大气模式计算出当天的海表风应力和热通量根据公式（1）修正后作为海洋模式的外强迫条件，而影响海水盐度的淡水通量仍采用气候平均值。

式中Fc为OGCM和AGCM直接耦合时海洋得到的热通量，称为“耦合通量”；Fu为OGCM在观测的大气强迫下海洋得到的热通量，称为“观测通量”；为未耦合的AGCM计算得到的热通量，称为“参考通量”，它的选取对耦合模式的成败至关重要，本模式中该量选取为用OGCM算出的SST代替气候平均的SST积分一定时间，并平均为12个月的资料作为。

（5）对耦合模式长期积分，本文积分了15年。

3 耦合模式基本气候态的模拟

本节主要对耦合模式积分最后10年的结果进行分析，并与未耦合的大气环流模式积分20年和海洋环流模式积分50年的结果进行了对比。这里仅简要对比大气和海洋环流的基本变量，以检测耦合模式的性能及对“气候漂移”的控制。

3.1 长期趋势

SST对海气界面上通量的变化极为敏感，全球平均SST的时间序列是衡量耦合模式长期“气候漂移”趋势的通用指标。图1给出了耦合模式积分15年的全球平均SST变化趋势。15年时间序列表明全球平均SST没有明显的漂移现象，SST做为大气模式的下边界条件直接影响模式大气，全球平均SST没有明显漂移趋势保证了大气模式没有明显“气候漂移”。

图1 耦合模式积分15年的逐月全球平均SST序列（单位/℃）

3.2 大气环流部分

我们利用耦合模式积分后10年的结果，主要分析了耦合模式对全球气候平均态的特征模拟。将NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center生成的2.5°×2.5°多年平均的NCEP再分析气候资料作为海平面气压场和高度场的实测资料；将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）气候月平均降水资料作为降水的实测资料。

图2给出了1月和7月海平面气压场的全球分布，可以看出，耦合模式模拟出了1月和7月海平面气压场全球分布的基本特征。例如，无论1月或7月对亚索尔高压的位置、范围和走向的模拟与再分析资料基本一致，对南纬副热带地区高压范围、中心位置等也模拟得比较准确，对1月亚洲大陆高压的强度、位置以及7月北太平洋高压的中心位置、走向等模拟也比较成功。另外与未耦合模式的比较可以看出，两者模拟能力相当，对7月亚索尔高压的模拟似有所改善。不足之处是无论耦合或未耦合，系统总体模拟偏强。

图3给出了1月和7月500 hPa位势高度场的全球分布，可以看出，两模式（耦合和未耦合，下同）均较好地再现了500 hPa高度场的基本分布结构，模拟出了冬季和夏季主要的槽脊分布特征，并较好地刻画了北半球的季节变化情况，尤其是夏季副热带高压的分布特征模拟比较成功。对南半球平直的位势高度等值线形态，两模式都模拟得较好。

图4给出了1月、7月模拟和观测的降水全球分布。1月最主要的特征是热带存在一条环球雨带，在北太平洋和北大西洋分别存在一条雨带。两模式模拟的结果能够再现冬季雨带的这两个主要特征，两大洋上的雨带位置、强度和走向都与观测相当一致，对基本环绕全球的热带雨带的模拟也较好；模拟的南太平洋辐合带降水比较清晰，与观测较为一致；对南非大陆的降水有一定的刻画能力；对澳大利亚干区和南半球大陆西边海上少雨区、以及非洲北部至西亚的干旱区的模拟均很准确。不足之处是两模式对赤道印度洋北侧的雨带模拟偏强，南侧雨带范围模拟偏小，南半球中纬度地区降水带过于明显；此外，两模式对南美北部的较强降水模拟都偏弱。

图2 一月（左）和七月（右）耦合模拟(a)、未耦合模拟(b)和NCEP再分析(c)海平面气压场的全球分布(单位/hPa)

图3 1月（左）和7月（右）耦合模拟(a)、未耦合模拟(b)和NCEP再分析(c)500 hPa位势高度场的全球分布（单位/gpm）

图5 耦合模式(a)、海洋环流模式模拟(b)和观测（c）的年平均海表温度

7月，实际大气的雨带普遍北移，由于北半球西风减弱，两大洋北部雨带也明显减弱，而东亚出现强大的季风降水。从图上可以看出，两模式能够模拟出上述基本特征，其基本形态与CMAP的观测比较一致。对东亚雨带，两模式模拟结果类似；能基本模拟出南半球太平洋辐合带雨带；模拟的南半球南美大陆、澳大利亚和南非南端的干区也与实测基本一致；模拟出了赤道中东太平洋ITCZ雨带的纬向带状特征。此外，夏季南半球西风带加强，相应的雨带也比冬季强，模式能够模拟出这一现象，但雨区的范围有点过大。

3.3 海洋环流部分

耦合模式中的一个重要变量是海表温度，它直接反应海气间的相互作用，做为大气环流的下边界条件，其模拟的好坏直接关系到耦合的成败。图5给出耦合模拟后5年海表温度年平均模拟结果与未耦合海洋环流模式运行20年的后5年年平均结果及观测的海表温度（NOAA Extended Reconstructed SST V3b）的2006年1月—2010年12月5年年平均结果对比分析。可以看出，两者模拟的结果基本相似都能再现观测SST的基本特征，特别是热带太平洋，对赤道西太平洋暖池和东太平洋的冷舌的位置和形状具有一定的刻画能力，但两者对东太平洋冷舌模拟过强，西伸过大。

4 小结

本文基于日通量距平耦合方案，把中国科学院大气物理研究所发展的具有较高分辨率大气环流模式和大洋环流模式耦合起来。对耦合模式积分10年的结果分析表明，耦合模式对气候平均态和季节变化特征具有一定的模拟能力，现将其主要性能归纳为以下几点：

（1）耦合模式可以稳定地长期积分，并且没有出现明显的“气候漂移”现象；

（2）耦合模式能模拟出与未耦合的海-气模式接近的气候平均态及其季节变化；

（3）耦合模式继承了未耦合模式的特征，既包括未耦合模式的优点，同时也有缺点，如对副高的模拟耦合与未耦合都偏强。

发展耦合模式的目的是研究气候变化，本文仅仅对耦合模式的基本性能—气候态进行了初步的评估，对于耦合过程中的各种时间尺度的气候变率还要做进一步分析。同时，分量模式本身也需进一步完善，如改善副高模拟偏强等等。

[1]梁信忠.IAP GCM的设计与气候模拟[D].北京：中国科学院大气物理研究所,1986：25-30.

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