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
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.
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),
1690
利用耦合模式进行短期气候预测的问题主要是 初值问题 . 在本研究中 , CCSM4 的初始化方案设计 如下. (1) 1981~1999 年的试验中大气模式 CAM4 选用 2.5°×2.5°的 NCEP Reanalysis 1(Kalnay 等, 1996), 2000 及其以后的试验选用水平分辨率为 1°×1° 的 NCEP FNL 观测资料 , 选取地面气压 (PS) 和高层要素 (比湿 (Q)、温度(T)、风(U, V))共 5 个变量场插值到模式所需 的水平分辨率和垂直分辨率进行大气模式的初始化. (2) 陆面模式 CLM4 选用 NCEP Climate Forecast System Reanalysis(CFSR; Saha 等, 2010)资料中的 0~2 m 的 土 壤 温度 和 土壤 湿度 资 料参 与初 始 化 . 由于 CLM4 的初始场在垂直方向共有 20 层, 其中 1~5 层 为雪盖, 6~20 层为土壤. 15 个土壤层的深度分别为: 0.007100635, 0.027925, 0.062258574, 0.118865067, 0.212193396, 0.366065797, 0.619758498, 1.03802705, 1.727635309, 2.864607113, 4.739156711, 7.829766507, 12.92532062, 21.32646906 和 35.17762121 m, 而 CFSR 的土壤为 4 层, 分别为 0~0.1, 0.1~0.4, 0.4~1 和 1~2 m, 所 以 CFSR 的 土 壤 资 料 在 垂 直 方 向 上 与 CLM4 并不匹配. 为了引入 CFSR 土壤初始异常, 同时避免再分析 资料与模式之间的不匹配 , 我们采用的初始化方案 为标准化异常耦合方案. 首先将 CFSR 的 4 个层次的 土壤温度和土壤湿度的异常进行标准化 , 并假定该 标准化异常在整个层次中都存在, 然后再根据 CLM4 的气候态资料将 CFSR 的标准化异常转化为 CLM4 的土壤温度和土壤湿度的异常 , 并叠加到 CLM4 的 气候态中. 表达如下:
资料来自美国noaa气候预测中心cpc1693nio34区海温异常的预报技巧及均方根误差pccsm4回报与ncep再分析资料间夏季平均500hpa高度场a850hpa纬向风场b海平面气压场c和降水场d的时间相关系数分布交叉线所示区域为通过95显著性检验的区域分区域以及印度洋的东北部和赤道大西洋地区图海平面气压的显著正相关区主要位于南太平洋和除暖池区外的热带北太平洋热带大西洋澳大利亚非洲大部分地区图总的来说海洋上的可预测性高于大陆区域可能正是由于海陆分布的关系南半球的可预测性高于北半球
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
CFSR CFSR
CFSR
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
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,
中文引用格式: 英文引用格式:
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