一个基于耦合气候系统模式的气候预测系统的研制_马洁华_王会军

研发的通用气候系统模式 4.0 版本(CCSM4.0). CCSM 是由美国国家科学基金会和能源部支持、 美国大气研 究 中 心 开 发 的 , 自 1996 年 推 出 以 来 , 经 历 了 从 CCSM1.0 到 CCSM2.0(2002), CCSM3.0(2004), CCSM4.0(2010)和目前的 CESM 的不断发展和改进, 模式整体性能也不断提高. CCSM4.0 于 2010 年 4 月 发布 , 是一个全球海洋 - 大气 - 陆面 - 海冰耦合的气候 模式, 此模式在许多方面相对于较早版本的 CCSM3 得到了很大改进(Gent 等, 2011). 该模式由大气、海 洋、陆面、海冰和耦合器五大模块组成, 由耦合器实 现其他四个物理子模块间的耦合. 该模式开源, 且支 持多种分辨率, 并可以对各模块进行不同的组合, 以 满足不同研究的需求 , 达到模拟过去和现在地球气 候系统、预测和预估气候变化等目的. 本文采用的是 CCSM4 的中等分辨率版本, 其中 大气模式 CAM4 采用有限元方案(Finite Volume)动力 内核, 相比谱动力内核, 有限元动力内核在传输方面 更有优势, 所以成为 CAM4 及其以后版本中推荐使 用的动力内核. 本文中大气模式 CAM4 选用的水平 分辨率为 2.5°×1.9°(经向×纬向), 垂直方向为混合-p 坐标, 分为 26 层, 与之前的 CAM3 相比, 新版本的大 气模式在很多方面得到了改进 . 陆面模式 CLM4 与 CAM4 使用相同的水平分辨率 , 每个格点可包含多 种地表类型和多种植被功能型 , 相比其较早版本亦 有改进(Lawrence 等, 2011). 海洋模式选用混合层海 洋模式(Slab Ocean Model, SOM), 旋转坐标系, 水平 分辨率大概 1°×1°, 与 CCSM3 的 SOM 相比, 该 SOM 基于新的技术 , 可再现 CCSM4 中海洋模式模拟
马洁华等: 一个基于耦合气候系统模式的气候预测系统的研制
其后又发展了 IAP 第一代跨季度气候预测系统 IAP DCP-Ⅰ(Zeng 等, 1997)和 IAP 第二代跨季度气候预测 系统 IAP DCP-Ⅱ(曾庆存等, 2003)和基于 9 层大气环 流环流格点模式 IAP9L-AGCM 的跨季度短期气候预 测系统(郎咸梅等, 2003, 2004). 考虑到“两步法”的局 限性 , 和国际上基于耦合模式的 “一步法”的开展, 本 研究的目的在于利用耦合模式建立一步法短期气候 预测系统并争取使其投入我国的业务应用.
关键词 气候模式 气候预测 ENSO 季风
我国地处东亚季风区, 气候的年际变率大, 旱涝 频发 , 短期气候预测工作对于防灾减灾有重要意义 . 自 20 世纪 80 年代以来, 在我国科学家的不懈努力下, 我国的气候预测工作取得了许多成果. 目前, 进行短 期气候预测的方法可以分为两类 : 一类是基于资料 统计分析的统计学方法 , 另一类是基于气候系统变 化规律的动力学方法 . 后者也被称之为气候模式预 测方法 , 因其利用日益复杂的气候模式和高性能计 算机进行数值求解, 以获得对未来月、季节甚至更长 时间的气候系统状况的预测 , 包括海 - 气分离的两步 法预测(Bengtsson 等, 1993)和海气耦合模式的一步法 预测(Kanamitsu 等, 2002; Palmer 等, 2004; Saha 等,
2006). 其中 “两步法 ”一般采用单独的大气环流模式 , 由海气耦合模式或者经验统计模型预报出海温异常 , 然后再用修正后的海温异常来驱动大气环流模式进 行集合预报(郎咸梅等, 2004). “两步法”的不足之处在 于大气模式只是对确定的边界条件产生被动的反应 , 而缺少了一些耦合反馈过程 (如海气耦合、陆气耦合 等 ). 利用耦合模式建立一步法预测系统是当前发达 国家气候预测的主流和发展方向(Kanamitsu 等, 2002; Palmer 等, 2004; Saha 等, 2006), “一步法”中气候系统 的各个子系统可以相互影响, 更符合实际. 中国科学院大气物理研究所早在 1988 年就开始 利用气候数值模式预测汛期降水 ( 曾庆存等 , 1990),
的 SST 和海冰分布. 海冰模式 CICE4 使用与 SOM 相 同的海陆分布配置与水平分辨率. 关于 CICE4 模块 改进细节及模拟能力的评估请参考文献 (Holland 等 , 2012).
1.2
模式初始化方案及所用资料介绍
1
1.1
模式、资料和试验设计
模式简介
本文所用模式为美国国家大气研究中心(NCAR)
中国科学: 地球科学
2014 年
第 44 卷
第8期
标准差, CLM 为 CLM4 的土壤温度或者土壤湿度在 该时次的气候态均值. 垂直层次的对应为 CFSR 第 1 层(0~0.1 m)的标准 化 异 常 叠 加 于 CLM 的 1~3 层 (0.007100635 m, 0.027925 m, 0.062258574 m), CFSR 的第 2 层(0.1~0.4 m)的标准化异常叠加于 CLM 的 4~6 层(0.118865067 m, 0.212193396 m, 0.366065797 m), CFSR 的第 3 层 (0.4~1 m) 的 标 准 化 异 常 叠 加 于 CLM 的 7 层 (0.619758498 m), CFSR 的第 4 层(1~2 m)的标准化异 常叠加于 CLM 的 8, 9 层(1.03802705 m, 1.727635309 m), CLM 的 10~15 层采用模式气候态的值. (3) 混合层海洋模式 SOM 选用美国 NCEP 全球 海洋同化系统 (GODAS) 再分析资料中月平均 0~115 m 加权平均的盐度(S)和温度(T)、 表层洋流速度(U, V) 相对于 1981~2010 气候态的异常, 插值到 SOM 的水 平网格作为 SOM 的初始异常. 由于 GODAS 资料的 覆盖范围为 74.5°S~64.5°N, 不能满足 SOM 的需要, GODAS 资料不能覆盖的区域, 采用模式的多年气候 平均态(即无初始异常). (4) 海冰模式 CICE4 暂时采用模式的气候态海冰. (5) 集合回报时段为 1981~2010 年共 30 年. 采用 时间滞后法(Lagged Average Forecast, LAF; Hoffman 和 Kalnay, 1983)选取 7 个初始场样本进行集合预测, 分别选用每年 28/04, 29/04, 30/04, 01/05, 02/05, 03/05, 04/05 七日 00 时的观测资料和 CAM4, CLM4, CICE4 的模式气候态, 而 SOM 的初始异常在每年的 7 个集 合中保持一致 , 超前一个月进行夏季气候的预测研 究, 积分时间为当年的 5 月 1 日 00 时到 9 月 1 日 00 时. 7 个样本的算术平均作为当年的集合回报试验结 果, 模式气候态为回报时段内 30 年的夏季平均. 由于本文选用的 CCSM4 并非全耦合版本, 混合 层海洋模式需要进行初始化之外 , 还需要混合层下 边界的热量通量. 在本文中采用的是 CCSM4 试验中 海洋模式多年平均结果. 文中模式验证所用资料分别为 , 降水资料选用 GPCP V2.2(Adler 等, 2003), 该数据由全球降水气候 计划(Global Precipitation Climatology Project, GPCP) 研制, 美国 NOAA/OAR/ESRL PSD 提供, 水平分辨 率为 2.5°×2.5°, 更多信息及下载地址请见(http://www. /psd/). 海洋表面温度 (SST) 数据采用英
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马洁华, 王会军. 2014. 一个基于耦合气候系统模式的气候预测系统的研制. 中国科学: 地球科学, 44: 1689–1700 Ma J H, Wang H J. 2014. Design and testing of a global climate prediction system based on a coupled climate model. Science China: Earth Sciences, doi: 10.1007/s11430-014-4875-7
中国科学: 地球科学 论 文
2014 年
第 44 卷
第 8 期: 1689 ~ 1700
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS

一个基于耦合气候系统模式的气候预测 系统的研制
马洁华
①②
, 王会军
①② *
① 中国科学院气候变化研究中心, 北京 100029; ② 中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心, 北京 100029 * 联系人, E-mail: wanghj@ 收稿日期: 2013-09-03; 接受日期: 2013-11-04; 网络版发表日期: 2014-07-11 国家自然科学基金项目(批准号 : 41130103)和公益性行业(气象)科研专项(编号: GYHY201306026)资助
CFSR CFSR
CFSRຫໍສະໝຸດ CLM CLM其中, CFSR 为初始化时次的 CFSR 土壤温度或者土 壤湿度的值, CFSR 为 CFSR 的土壤温度或者土壤湿 度在该时次的 1981~2010 气候态均值, CFSR 为 CFSR 的土壤温度或者土壤湿度在该时次的标准差; CLM 为 CLM4 气候态的土壤温度或者土壤湿度在该时次的
摘要
基于美国通用气候系统模式 CCSM4 和自行设计的一套初始化方案, 建立了一个全球气
候预测系统(PCCSM4), 并使用该预测系统对夏季气候进行了 30 年(1981~2010)系统性的超前一 个月的集合回报试验. 回报结果表明, PCCSM4 基本可以把握观测中夏季(JJA)平均海表面温度 (SST)、海平面气压(SLP)和降水的主要分布特征; PCCSM4 对 SST, 尤其是赤道中东太平洋关键 区 SST 具有较高的回报能力, 30 年的相关系数最高可达 0.7; PCCSM4 对 500 hPa 位势高度场、 850 hPa 纬向风场和海平面气压场的回报性能高于降水; 总的来看, 热带地区的可预测性高于全球, 更高于东亚地区; PCCSM4 对于典型 ENSO 年的夏季气候和亚洲夏季风的年际变化具有较好的回 报能力, 经过进一步的检验和完善可以应用于全球和我国短期气候预测业务.