牟 佳，丁立國(guó)，張東海

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 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(guó)，張東海

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 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(guò)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(chǎng)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(guó)雨帶從華南到長(zhǎng)江流域再到華北的季節(jié)演變過(guò)程，控制試驗(yàn)?zāi)M的降水北進(jìn)過(guò)程中雨帶偏南，而南退過(guò)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?wèn)|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(lái)夏季風(fēng)的變化趨勢(shì)，及時(shí)做好預(yù)測(cè)工作勢(shì)在必行。而海氣耦合模式是國(guó)家“九五”重中之重科技項(xiàng)目“我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)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(lái)降水、氣溫等氣象要素的變化趨勢(shì)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(lái)，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(guó)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(guó)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(guó)夏季降水的水平平均分布、雨帶的季節(jié)變化以及中國(guó)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(guó)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(cè)。

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(guò)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(guò)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(shuō)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(jiǎn)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(guò)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(chǎng)。同時(shí)為了評(píng)估模擬能力，觀測(cè)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(chǎng)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(guò)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(cè)資料做對(duì)比分析，來(lái)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(guó)東部降水的季節(jié)性演變過(guò)程中，是對(duì)中國(guó)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(cè)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(cè)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(cè)和耦合模式相比都偏多，而耦合模式跟觀測(cè)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(lái)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(lái)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(lái)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(chǎng)的變化來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(guò)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(méi)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(cè)資料、模式模擬的降水和200～500 hPa高度場(chǎng)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(cè)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(cè)資料的變率大值區(qū)相對(duì)偏南，偏東，而在東亞?wèn)|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(méi)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(guó)東部地區(qū)是中國(guó)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(cè)的降水演變過(guò)程，都是從1月開(kāi)始雨帶逐漸北移，到夏季6，7月份開(kāi)始南退，都能反映從華南前汛期降水到長(zhǎng)江流域降水再到華北降水的降水天氣形勢(shì)。但其中也存在差異，從前3幅圖的對(duì)比來(lái)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(kāi)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(cè)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(guò)程比較緩慢外，很大程度上都類(lèi)似于觀測(cè)真實(shí)結(jié)果，不論從雨帶北伸的位置還是降水的總量來(lái)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(cè)資料采用的是與模式同長(zhǎng)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(guò)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(guò)程中能量存在耗散，與真實(shí)觀測(cè)結(jié)果更接近。

② 對(duì)東亞氣候方差處理過(guò)程中，海氣耦合過(guò)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?wèn)|部季節(jié)降水演變過(guò)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(guò)程，耦合模式模擬結(jié)果夏季過(guò)后8，9月份南退過(guò)程緩慢，相比較非耦合模式模擬結(jié)果，南退較早，且南退過(guò)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(guó)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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