海氣耦合模式FGOALS-s2模擬東亞氣候的能力分析

牟 佳，丁立國，張東海

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

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海氣耦合模式FGOALS-s2模擬東亞氣候的能力分析

牟 佳，丁立國，張東海

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

該文采用FGOALS-s2模式兩個(gè)20 a積分試驗(yàn)的結(jié)果，一個(gè)是海氣自由耦合的控制試驗(yàn)，另一個(gè)是由控制試驗(yàn)產(chǎn)生的月平均海溫強(qiáng)迫大氣的海溫強(qiáng)迫試驗(yàn)，通過比較兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的氣候態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)差，研究海氣耦合模式FGOALS-s2模擬東亞氣候變率的能力。結(jié)果表明：FGOALS-s2模式控制試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫脑佻F(xiàn)降水和大氣環(huán)流場的氣候特征。與海溫強(qiáng)迫試驗(yàn)相比：耦合模式能更好的模擬東亞地區(qū)氣候態(tài)，200～500 hPa垂直積分的氣溫整體偏低，850 hPa上的東亞夏季風(fēng)和南亞夏季風(fēng)均偏弱，青藏高原附近的降水顯著偏少，阿拉伯海、孟加拉灣、南海區(qū)域降水偏多，副高減弱偏南；耦合模式模擬的東亞氣候標(biāo)準(zhǔn)差，在青藏高原上空200～500 hPa上垂直積分氣溫變率偏大，阿拉伯海、孟加拉灣以及南海和西北太平洋降水變率均偏少；兩種試驗(yàn)均能較好地模擬中國雨帶從華南到長江流域再到華北的季節(jié)演變過程，控制試驗(yàn)?zāi)M的降水北進(jìn)過程中雨帶偏南，而南退過程緩慢。

海氣耦合模式；FGOALS_s2；氣候態(tài)；標(biāo)準(zhǔn)差

1 引言

東亞夏季風(fēng)降水時(shí)空分布變化所引發(fā)的洪澇、干旱等災(zāi)害嚴(yán)重地影響著東亞東部人們的生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，因此研究未來夏季風(fēng)的變化趨勢，及時(shí)做好預(yù)測工作勢在必行。而海氣耦合模式是國家“九五”重中之重科技項(xiàng)目“我國短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研究”的重要研究成果之一。利用全球海氣耦合模式對(duì)東亞季風(fēng)降水的模擬，進(jìn)而預(yù)估未來降水、氣溫等氣象要素的變化趨勢對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)有著重要意義。

近年來，很多學(xué)者致力于發(fā)展海氣耦合模式，并且取得了一定成果。例如，司東[1]等以國家氣候中心全球大氣—海洋耦合模式(BBC_CM1.0)20 a的預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，對(duì)中國江淮梅雨降水的預(yù)報(bào)能力及預(yù)報(bào)誤差存在的可能原因進(jìn)行了分析。姚素香[2]等以區(qū)域氣候模式RegCM3和普林斯頓海洋模式POM為基礎(chǔ)建立了區(qū)域海氣耦合模式，發(fā)現(xiàn)耦合模式能更好的再現(xiàn)1963—2002年中國夏季降水的水平平均分布、雨帶的季節(jié)變化以及中國主要降水區(qū)降水的年際變化。謝坤[3]等把區(qū)域海氣耦合模式、區(qū)域氣候模式和NCEP/NCAR資料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)海氣耦合模式對(duì)模擬大氣水汽輸送特征的能力有更好的效果。綜合國內(nèi)外學(xué)者所做的工作，可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)耦合模式和非耦合模式都能很好的反應(yīng)真實(shí)情況，但是實(shí)際大氣跟海洋是存在相互作用耦合在一起的，因此耦合模式模擬結(jié)果能更好的再現(xiàn)觀測。

本文采用的是FGOALS_s2模式，在氣候系統(tǒng)模式FGOALS的基礎(chǔ)上，LASG/IAP學(xué)者通過和兄弟實(shí)驗(yàn)室的合作，已經(jīng)成功耦合了VEGAS動(dòng)態(tài)植被模塊和IAP_OBM海洋生物模塊，使得FGOALS擁有了完整的碳循環(huán)過程，形成地球系統(tǒng)模式的初始版本。因此采用FGOALS-s2模式模擬東亞氣候，能更好的從全球性分析耦合模式和非耦合模式模擬結(jié)果的差異，更好的說明耦合模式在東亞氣候中的作用。

2 模式、資料和方法

2.1 模式簡介

FGOALS-s2模式是FGOALS家族模式里面最新的一員。該模式包括4個(gè)組成部分，大氣模式是SAMIL2，水平分辨率約為1.66°×2.81°，海洋模式是LICOM2，水平分辨率是0.5°×0.5°，陸地模式是CLM3，水平分辨率為1.66°×2.81°，海冰模式是CSIM5，水平分辨率是 0.5°×0.5°。他們通過耦合器耦合在一起，得到FGOALS-s2模式，對(duì)該模式模擬性能評(píng)估以及具體介紹可以參考Bao[4]等文獻(xiàn)。

2.2 資料

本文分析的對(duì)象是FGOALS-s2模式兩個(gè)實(shí)驗(yàn)20 a的積分結(jié)果，分別是控制實(shí)驗(yàn)和用控制實(shí)驗(yàn)得到的月平均海溫強(qiáng)迫大氣模式得到的海溫強(qiáng)迫實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)試驗(yàn)的差別在于模式中逐日海溫資料在控制試驗(yàn)中是高頻的，而在強(qiáng)迫大氣試驗(yàn)中是差值上去的。

本文使用FGOALS-s2模式20 a(0832-0851)的季節(jié)和月平均降水，200～500 hPa季節(jié)平均氣溫，850 hPa上季節(jié)平均水平風(fēng)和垂直風(fēng)以及500 hPa的季節(jié)平均高度場。同時(shí)為了評(píng)估模擬能力，觀測資料采用CMAP季節(jié)和月平均降水資料以及ECWMF-Interim大氣再分析資料，時(shí)間從1981—2000，采用與FGOALS-s2模式一樣的季節(jié)和月平均氣溫、風(fēng)和高度場資料。

2.3 方法

在分析模式模擬結(jié)果影響東亞夏季氣候變率的過程中，我們采用對(duì)耦合模式和非耦合模式資料做氣候平均態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)差的處理，同時(shí)與做同樣處理的觀測資料做對(duì)比分析，來評(píng)估模式在夏季這樣一個(gè)對(duì)東亞氣候影響最大的季節(jié)中的作用模擬能力。在分析中國東部降水的季節(jié)性演變過程中，是對(duì)中國東部110～120°E范圍做月降水平均，得出耦合模式，非耦合模式以及觀測資料的季節(jié)性演變情況，并做對(duì)比分析。

3 模式的模擬能力評(píng)估

3.1 氣候平均態(tài)

圖1、圖2、圖3分別給出了觀測資料、耦合模式模擬和非耦合模式模擬結(jié)果4種變量的夏季氣候平均態(tài)分布，從圖可以看出，耦合模式和非耦合模式都能很好的模擬夏季4種變量的氣候空間分布特征，包括降水、氣溫的大值區(qū)，副高的位置以及風(fēng)的整體走向。但也并不是整體吻合，像非耦合模式在90°E，20°N附近降水跟觀測和耦合模式相比都偏多，而耦合模式跟觀測結(jié)果能較好的吻合。與非耦合模式模擬的氣溫最大值相比，耦合模式要低，跟資料結(jié)果相比，耦合模式高溫中心位置相對(duì)接近，非耦合模式相對(duì)偏北。從副高的位置來看，耦合模式副高面積相對(duì)偏小，西伸脊點(diǎn)偏東。非耦合模式相對(duì)脊線偏北，從而相對(duì)矢量風(fēng)的范圍和走向也會(huì)帶來改變，非耦合模式風(fēng)中心偏北。圖4是耦合模式和非耦合模式的差值圖，從圖來看，降水在青藏高原附近的差值很大，耦合模式模擬結(jié)果相對(duì)偏少，對(duì)氣溫的垂直積分，其模擬結(jié)果整體較低。從風(fēng)場的變化來看，在東北部陸地地區(qū)有一個(gè)強(qiáng)的氣旋，相對(duì)于高度場圖上的低壓，而在東北部陸地有反氣旋產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)高度場的高壓地區(qū)，從印度洋吹往大陸的西南氣流也變?yōu)闁|北風(fēng)。由此基本上可以看出耦合模式相對(duì)于非耦合模式模擬結(jié)果整體都在減弱。

圖1 觀測資料的夏季平均態(tài)分布

(a：降水，單位mm/d；b：200～500 hPa垂直積分的溫度，單位K；c：850 hPa矢量風(fēng)，單位m/s ； d：500 hPa高度，單位m)

圖2 耦合模式模擬結(jié)果的夏季平均態(tài)分布

圖3 非耦合模式模擬結(jié)果的夏季平均態(tài)分布

分析原因可能是：考慮耦合模式下海氣相互作用，蒸發(fā)帶走熱量，伴有能量耗散，大氣溫度降低，通過大氣環(huán)流，這種影響也一定程度影響到大陸氣溫，由此相對(duì)于沒有海氣相互作用的非耦合模式，氣溫會(huì)低。在青藏高原附近，由于大地形的作用，青藏高原上空形成高壓，考慮青藏高原兩側(cè)大氣耗散熱量，因此耦合模式下兩側(cè)溫度要低，風(fēng)變?nèi)酰鄬?duì)于非耦合模式降水變少。

圖4 耦合模式和非耦合模式模擬結(jié)果夏季平均態(tài)差值

(a：降水，單位mm/d；b：200～500 hPa垂直積分的溫度，單位K；c：850 hPa矢量風(fēng)，單位m/s ； d：500 hPa高度，單位m)

圖5-1 夏季降水(a，c，e)和200～500hPa垂直積分的溫度(b，d，f)標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

圖5-2 夏季降水(a，c，e)和200～500 hPa垂直積分的溫度(b，d，f)標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)差

圖5分別給出了觀測資料、模式模擬的降水和200～500 hPa高度場的標(biāo)準(zhǔn)差分布。從變率的方面進(jìn)一步分析耦合模式在模擬東亞氣候中的作用。從圖5a，5c，5e降水標(biāo)準(zhǔn)差分布對(duì)比圖可以看出，其在青藏高原處有很大的氣候變率，非耦合模式變率要比耦合模式的大，這可能與在此處非耦合模式模擬結(jié)果降水偏多有關(guān)。觀測資料變率分布相對(duì)平衡一些，而耦合模式和非耦合模式模擬結(jié)果在低緯地區(qū)都有很大的變率。 對(duì)比圖5b，5d，5f，耦合模式和非耦合模式模擬結(jié)果較觀測資料的變率大值區(qū)相對(duì)偏南，偏東，而在東亞東部陸地的區(qū)域，耦合模式模擬結(jié)果比非耦合模式要偏南一些。

圖6是耦合模式和非耦合模式模擬的差值圖。從圖6a看，整體上基本非耦合模式要比耦合模式值偏大些，分析圖6b，由于耦合模式模擬結(jié)果大值區(qū)偏南，在青藏高原處有一個(gè)正的最大值區(qū)，而在其他地區(qū)耦合模式模擬結(jié)果相對(duì)要弱一些。

分析原因可能是：由于海氣耦合后能量耗散，使得振幅變小，相對(duì)于給定海溫強(qiáng)迫實(shí)驗(yàn)，沒有能量的耗散，因此在大部分地區(qū)變率會(huì)變小。而像圖6b在青藏高原處的正的大值區(qū)可能是由于受南亞高壓的控制，使得變率很強(qiáng)。

圖6 耦合模式模擬結(jié)果和非耦合模式模擬結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的差值

4 海氣耦合模式對(duì)東亞氣候態(tài)的模擬

110～120°E中國東部地區(qū)是中國降水的頻發(fā)地區(qū)，對(duì)此范圍做帶狀平均能夠更好的展現(xiàn)年際降水季節(jié)演變，對(duì)做好預(yù)防旱澇災(zāi)害有很大幫助。

從圖7a，7b，7c可以看出耦合模式和非耦合模式都能很好的再現(xiàn)觀測的降水演變過程，都是從1月開始雨帶逐漸北移，到夏季6，7月份開始南退，都能反映從華南前汛期降水到長江流域降水再到華北降水的降水天氣形勢。但其中也存在差異，從前3幅圖的對(duì)比來看，非耦合模式降水雨帶略微偏北，而且南退的時(shí)間有些偏早，在6月份中上旬就開始南退，但是伴隨著雨帶的南退又有一定程度的雨帶的北伸，并不像觀測資料一樣整體性南退，在低緯地區(qū)降水偏少。而耦合模式除了南退過程比較緩慢外，很大程度上都類似于觀測真實(shí)結(jié)果，不論從雨帶北伸的位置還是降水的總量來看。

圖7 110～120°E年際帶狀平均的季節(jié)性演變(mm/d)

5 結(jié)論

本文使用FGOALS-s2模式的兩個(gè)試驗(yàn)，控制試驗(yàn)和海溫強(qiáng)迫試驗(yàn)。觀測資料采用的是與模式同長度的CMAP，ECWMF-Interim大氣再分析資料。

① 對(duì)東亞氣候平均態(tài)處理過程中，在降水的總體分布，垂直積分氣溫，副高的位置和矢量風(fēng)的大小和位置上耦合模式模擬結(jié)果整體上要優(yōu)于非耦合模式，這與耦合模式海氣耦合過程中能量存在耗散，與真實(shí)觀測結(jié)果更接近。

② 對(duì)東亞氣候方差處理過程中，海氣耦合過程中能量的耗散使的振幅變小，因此出現(xiàn)非海氣耦合模擬結(jié)果整體上變率比耦合模式大的結(jié)果。

③ 對(duì)東亞東部季節(jié)降水演變過程分析，耦合模式和非耦合模式都能很好的模擬雨帶的北移南退過程，耦合模式模擬結(jié)果夏季過后8，9月份南退過程緩慢，相比較非耦合模式模擬結(jié)果，南退較早，且南退過程還存在一定的北推。

[1] 司東，丁一匯，柳艷菊.全球海氣耦合模式_BBC_CM1_0對(duì)江淮梅雨降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)[J].氣象學(xué)報(bào)，2009，67(6).

[2] 姚素香，黃乾，張耀存.區(qū)域海氣耦合模式對(duì)1997/1998年我國夏季氣候異常的數(shù)值模擬[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2010，26(6).

[3] 謝坤，任雪娟，張耀存，姚素香.區(qū)域海氣耦合模式對(duì)華北夏季大氣水汽輸送模擬結(jié)果的檢驗(yàn)及其與單獨(dú)氣候模式的比較分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2009，67(6).

[4] BAO Qing.Projected Changes In Asian Summer Monsonn In RCP Scenarios of CMIP5.Atmospheric and oceanic science letters，2012，VOL.5，NO.1，43-48.

2015-02-10

牟佳(1973—)，女，工程師，主要從事應(yīng)用氣象與服務(wù)工作。

1003-6598(2015)06-0028-06

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