海-陸-氣耦合模式中海洋分量的溫鹽模擬分析

薛洪斌，楊玉震，何億強(qiáng)，馬凱明，趙艷玲

（1.61741部隊(duì)，北京100094；2.北京航天飛行控制中心氣象中心，北京100094；3.93811部隊(duì)，甘肅蘭州730000）

1 引言

隨著人們對(duì)氣候變化研究的深入，認(rèn)識(shí)到氣候變化不僅僅是大氣自身的演變，還包括海洋、冰雪、陸面、生態(tài)植被等的相互作用，提出了氣候系統(tǒng)的概念。其中，海-陸-氣相互作用是目前人們認(rèn)識(shí)到對(duì)氣候變化的影響最為重要的組成部分，也是目前研究的重點(diǎn)。氣候系統(tǒng)模式或海-陸-氣耦合環(huán)流模式為這種研究提供了平臺(tái)，目前世界主流氣象研究所和業(yè)務(wù)中心都發(fā)展了自己的模式，比較有影響力如NCAR的CESM、MPI的MPIesm和我國(guó)的Bcc-CSM。同時(shí)，世界氣候研究計(jì)劃WCRP聯(lián)合科學(xué)委員會(huì)（JSC）和CLIVAR 科學(xué)指導(dǎo)小組（SSG）聯(lián)合建立了耦合模擬工作組（WGCM），其目的就是評(píng)估和支持耦合氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展，推出了耦合模式比較計(jì)劃（CMIP），目前已經(jīng)進(jìn)入了第五階段。

從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，我國(guó)自行設(shè)計(jì)發(fā)展了大氣環(huán)流模式、大洋環(huán)流模式、陸面過(guò)程模式及海-陸-氣耦合模式，為我國(guó)的氣候變化模擬和預(yù)測(cè)研究提供了工具[1-6]。在發(fā)展的初期，受計(jì)算能力所限模式的分辨率相對(duì)較低。隨著計(jì)算能力的進(jìn)步，發(fā)展高分辨率環(huán)流模式的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。對(duì)大洋環(huán)流模式來(lái)說(shuō)，較高分辨率對(duì)大洋環(huán)流中一些重要物理現(xiàn)象的識(shí)別至關(guān)重要，同時(shí)還可以更細(xì)致地描述海-氣相互作用，對(duì)提高模式的性能具有重要意義[7]。

文章基于OASIS 耦合器建立一個(gè)并行的海-陸-氣耦合環(huán)流模式，著重對(duì)海-陸-氣耦合模式（以下簡(jiǎn)稱耦合模式）及單獨(dú)的大洋環(huán)流模式（以下簡(jiǎn)稱大洋模式）模擬當(dāng)代海洋氣候的能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。耦合模式從1980年1月的初值開(kāi)始連續(xù)積分30年，大洋環(huán)流模式經(jīng)過(guò)spinup 過(guò)程后從1901年1月初值開(kāi)始連續(xù)積分30年，分析結(jié)果取最后5年的結(jié)果。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析表明，大洋模式和耦合模式都對(duì)當(dāng)代海洋氣候特征具有較好的模擬效果，能夠很好的反映全球大洋各主要變量（如海表溫度、海表鹽度、緯向平均溫度和鹽度等）的基本分布特征和季節(jié)變化，具有較強(qiáng)的海洋氣候模擬能力。

2 模式簡(jiǎn)介及資料簡(jiǎn)介

文章采用的海-陸-氣耦合模式包括大氣環(huán)流模式、大洋環(huán)流模式（包括海冰模式）和陸面過(guò)程模式3 部分，并通過(guò)OASIS（Ocean Atmosphere Sea Ice Soil）耦合器實(shí)現(xiàn)海-氣和陸-氣模式的耦合。其中，大氣環(huán)流模式采用具有較高分辨率且物理過(guò)程完善的新一代大氣環(huán)流模式。模式框架在水平方向?yàn)榍蛎娼?jīng)緯網(wǎng)格坐標(biāo)，垂直方向取σ坐標(biāo)；模式分辨率在水平方向?yàn)?°×1°，垂直方向按σ坐標(biāo)不等距分為26 層。大洋環(huán)流模式以中科院大氣物理研究所研制的T63L30 海洋環(huán)流模式為基礎(chǔ)，通過(guò)進(jìn)一步提高分辨率并完善物理過(guò)程而形成的第三代全球海洋模式（LICOM）。模式框架在水平方向?yàn)榍蛎娼?jīng)緯網(wǎng)格坐標(biāo)，垂直方向取η 坐標(biāo)；該模式兼顧物理問(wèn)題的精度要求和實(shí)際的計(jì)算條件，將模式水平分辨率提高到0.5°×0.5°，垂直方向按η 坐標(biāo)不等距分為30層，可基本滿足分辨出赤道波導(dǎo)和印度尼西亞貫穿流主要通道的要求。模式的南北范圍取75°S—65°N（不包括北冰洋），南北側(cè)邊界采用了溫度和鹽度的恢復(fù)條件。利用Hellerman 和Rosenstein 氣候風(fēng)應(yīng)力，以Levitus 的海表溫度（SST）和海表鹽度（SSS）作為熱通量和淡水通量恢復(fù)邊界條件。陸面過(guò)程模式是以通用陸面過(guò)程模式CLM3.0為基礎(chǔ)，并改進(jìn)和完善其中物理過(guò)程，該陸面模式水平網(wǎng)格以及分辨率都與大氣模式一致，垂直分層包含10 層不均勻分布的土壤層和最多5層的雪層（具體分層依賴于雪的總深）。

大氣環(huán)流模式的動(dòng)力框架部分沿用了IAP前幾代模式的一些方法和技術(shù)（如：標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)扣除，IAP變換，總有效能量守恒差分格式等），此外還應(yīng)用了一些新的方法和技術(shù)（如：時(shí)間分解算法，高緯靈活性跳點(diǎn)，可允許替代等），更新了水汽平流過(guò)程的算法，增加了對(duì)云水和云冰平流過(guò)程的計(jì)算。該模式的物理過(guò)程基本采用了CAM3.1 的物理參數(shù)化包，其中積云對(duì)流參數(shù)化方案除了CAM3.1中的Zhang-McFarlane方案外，還有修改的Zhang-McFarlane方案和Emanuel方案兩個(gè)可選方案。

該耦合模式主要用于氣候預(yù)測(cè)，與國(guó)內(nèi)其它耦合模式相比，主要有3個(gè)特點(diǎn)：

（1）大氣環(huán)流模式分辨率較高，同時(shí)動(dòng)力框架采用了多項(xiàng)新方法和技術(shù)；

（2）引入了完整的陸面過(guò)程模式，國(guó)內(nèi)多數(shù)耦合模式是海-氣耦合模式；

（3）采用了OASIS 耦合器，目前耦合器的發(fā)展對(duì)氣候模式的研制起了巨大的推動(dòng)作用。

3 耦合方案設(shè)計(jì)

文章重點(diǎn)是構(gòu)建一個(gè)海-陸-氣耦合模式，耦合方案的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于陸面過(guò)程模式已經(jīng)和大氣環(huán)流模式耦合在一起，這里不再討論，下面詳細(xì)介紹一下海-氣耦合的方案及模式構(gòu)建的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.1 耦合變量及算法

假設(shè)大氣模式與海洋模式每個(gè)模式日交換一次信息，海洋模式輸給大氣模式的是前一天的SST分布，并在大氣模式積分一個(gè)模式日中保持SST分布不變；而大氣模式給海洋模式的有：海表風(fēng)應(yīng)力τx和τy以及進(jìn)入海洋的凈熱通量Hnet和凈淡水通量Ff。下面簡(jiǎn)單介紹一下它們的算法：

(a)風(fēng)應(yīng)力的計(jì)算

計(jì)算公式：

（b）熱通量的計(jì)算

計(jì)算公式：

（1）S 為海表凈向下的太陽(yáng)短波輻射通量，現(xiàn)在的大氣模式通常都有計(jì)算，可由大氣模式直接給出；

（2）R 為海表凈向上的長(zhǎng)波輻射通量，也可由大氣模式直接給出；

（3）LES為海表凈向上潛熱通量，由公式（3）計(jì)算:

（4）H為海表面凈向上的感熱通量：

式中，Cp=1004.64，Tg為地表溫度在海面上為SST，TA為地表氣溫，大氣模式給出的是變量TA，其余變量同上。

3.2 “氣候漂移”的控制

由于模式自身存在系統(tǒng)誤差，目前直接耦合兩個(gè)模式會(huì)導(dǎo)致模式出現(xiàn)“氣候漂移”現(xiàn)象。通常的解決方案是進(jìn)行通量訂正，這里所講的通量訂正主要是指距平耦合，即對(duì)某些通量或全部通量扣除其模式氣候的平均量。1992年，中科院大氣所張學(xué)洪等[8]采用月平均通量距平耦合方案于全球大氣、海洋和海冰耦合模式，成功地控制了“氣候漂移”。下面簡(jiǎn)單介紹一下距平耦合。以海表熱通量F 為例，令φ 和φ 分別表示大氣和海洋的狀態(tài)，則通過(guò)海氣界面的熱通量F 可以寫(xiě)成，F(xiàn)=F(φ,φ) 。設(shè)上標(biāo)“c”,“u”,“o”為耦合、未耦合和觀測(cè)的狀態(tài)，可以定義：

式中，F(xiàn)c為OGCM 和AGCM 直接耦合時(shí)海洋得到的熱通量，稱為“耦合通量”，其中Fu為OGCM在觀測(cè)的大氣強(qiáng)迫下海洋得到的熱通量，稱為“觀測(cè)通量”；為未耦合的AGCM 計(jì)算得到的熱通量，稱為“參考通量”，它的選取對(duì)耦合模式的成敗至關(guān)重要，本模式中該量選取為用OGCM 算出的SST 代替氣候平均的SST 積分一定時(shí)間，并作平均為12個(gè)月的資料作為FRo 。耦合模式中大氣進(jìn)入海洋的通量為

由大氣進(jìn)入海洋的通量距平定義為：

3.3 耦合方案的具體實(shí)現(xiàn)

本文采用的是“部分通量訂正”方案，耦合交換時(shí)間為每天，交換的通量包括熱通量、風(fēng)應(yīng)力和SST，其中僅對(duì)大氣模式給海洋模式的變量進(jìn)行訂正，下面具體介紹耦合模式構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）對(duì)未耦合的海洋模式長(zhǎng)期積分，模式積分60年，基本能達(dá)到平衡；

（2）對(duì)未耦合的大氣模式進(jìn)行積分。模式積分5年達(dá)到平衡。用大氣模式的平衡態(tài)作初值，用未耦合的海洋模式達(dá)到平衡時(shí)的SST 代替熱帶太平洋氣候平均的SST強(qiáng)迫大氣模式積分10年，并計(jì)算其10年平均海氣界面的熱通量和風(fēng)應(yīng)力，這就是本文所取得參考通量FR；

（3）開(kāi)始耦合積分，大氣模式和海洋模式每天交換一次通量。以海洋環(huán)流模式計(jì)算出的前一天的海表溫度（SST）作為大氣模式的下邊界強(qiáng)迫條件；

（4）大氣模式計(jì)算出當(dāng)天的海表風(fēng)應(yīng)力和熱通量通過(guò)公式（6）修正后作為海洋模式的外強(qiáng)迫條件，而影響海水鹽度的淡水通量仍采用氣候平均值；

（5）對(duì)耦合模式長(zhǎng)期積分，本方案積分了40年。

本文主要對(duì)耦合模式、單獨(dú)大洋模式與觀測(cè)的海洋變量進(jìn)行了對(duì)比分析，這里的觀測(cè)資料主要采用了Levitus月平均的溫、鹽資料作為參照標(biāo)準(zhǔn)。下面將具體給出對(duì)主要變量場(chǎng)的詳細(xì)分析。

4 耦合積分的長(zhǎng)期趨勢(shì)

人們?cè)诤饬狂詈夏Ｊ绞欠翊嬖陂L(zhǎng)期“氣候漂移”趨勢(shì)時(shí)，通常采用全球平均SST 的時(shí)間序列作為通用指標(biāo)，這是因?yàn)镾ST 不僅是海洋變量，同時(shí)也是大氣的下邊界條件，能直接反映海-氣相互作用。圖1給出了耦合模式積分30年的全球平均SST變化趨勢(shì)。從圖可以看出全球平均SST 在19.3 ℃上下震蕩，并沒(méi)有明顯的變冷和變暖趨勢(shì)，30年時(shí)間序列表明全球平均SST 沒(méi)有明顯的漂移現(xiàn)象，SST 做為大氣模式的下邊界條件直接影響模式大氣，全球平均SST沒(méi)有明顯漂移趨勢(shì)保證了大氣模式?jīng)]有明顯“氣候漂移”。

5 氣候平均態(tài)

氣候平均態(tài)模擬的成敗在一定的程度上決定了氣候變率正確與否，因此平均氣候狀態(tài)是評(píng)價(jià)氣候模式的最重要指標(biāo)之一。這里對(duì)比分析耦合模式中的大洋環(huán)流模式和未耦合的大洋環(huán)流模式的平均氣候狀態(tài)，并與Levitus 溫鹽資料進(jìn)行對(duì)比分析，討論耦合模式的平均氣候狀態(tài)模擬的好壞。

5.1 海表溫度

圖2 給出了耦合的、未耦合的大洋環(huán)流模式和Levitus 溫鹽資料的年平均SST 的全球分布圖。由圖可以看出，兩個(gè)模式都模擬出了海表溫度基本特征，赤道太平洋暖池、冷舌的形狀保持較好。與觀測(cè)相比較，赤道海域和太平洋、大西洋的東海岸都偏冷，而太平洋和大西洋中緯度西邊界流區(qū)域都偏暖。這一特點(diǎn)在耦合和未耦合的大洋模式中是一致的，這是由邊界條件決定的。耦合和未耦合大洋環(huán)流模式的對(duì)比最大的差別在于熱帶地區(qū)，耦合的大洋環(huán)流模式在熱帶大洋的東海岸普遍偏冷，特別是赤道附近東太平洋西伸的冷舌，耦合的結(jié)果西伸的更強(qiáng)，28℃等溫線越過(guò)了日界線。

5.2 海表鹽度

圖3 給出了耦合的、未耦合的大洋環(huán)流模式和Levitus 溫鹽資料的年平均海表鹽度的全球分布圖。由圖可以看出，耦合與未耦合的模式對(duì)全球海表鹽度分布的基本特征模擬正確，副熱帶高鹽度區(qū)、印度尼西亞海及其周邊海域以及中高緯度的低鹽度區(qū)都正確的模擬出來(lái)了，這跟模式采用恢復(fù)邊界條件有關(guān)。與Levitus 資料比較模擬的主要不足是模擬的高鹽度區(qū)鹽度偏高，低鹽度區(qū)偏低。耦合與未耦合模式模擬對(duì)比的主要不同在于耦合模式模擬高鹽度區(qū)的范圍偏小，低鹽度區(qū)的范圍也偏小。這可能與耦合模式中大氣環(huán)流模式對(duì)海表風(fēng)場(chǎng)模擬偏差有關(guān)。

5.3 緯向平均的溫度分布

圖4 給出了耦合的、未耦合的大洋環(huán)流模式和Levitus 溫鹽資料的1500 m 以上緯向平均溫度的全球分布圖。從觀測(cè)可以看出，海溫垂直結(jié)構(gòu)可以分為熱帶（30°S—30°N）、中緯（30°—60°N）和高緯（60°—90°N），熱帶1000 m 以上海溫垂直遞減大體呈準(zhǔn)水平分布，以20 ℃等溫線為準(zhǔn)，則熱帶海洋主溫躍層保持在100 m左右，到南北30°附近有向下伸展的峰狀結(jié)構(gòu)，而高緯等溫線垂直，垂直溫度梯度很小。兩個(gè)模式結(jié)果與觀測(cè)比較，兩者都可以模擬出觀測(cè)的大洋上層海表到100 m 左右的熱帶暖核，以及隨著深度加深在南北緯30°附近的向下伸展的雙峰結(jié)構(gòu)。兩者模擬的主要不同在于耦合模擬的暖核深度偏淺，導(dǎo)致等溫線在低緯度整體上移，使得低緯度表層、中低緯度下層都偏冷，溫度南北梯度減弱，在南北緯40°向高緯整層明顯偏暖，等溫線較稀疏。兩個(gè)模式比較，無(wú)論從暖核的模擬，還是整體結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，大洋模式比耦合模式模擬的更接近觀測(cè)。

5.4 緯向平均的鹽度分布

圖5 給出了耦合的、未耦合的大洋環(huán)流模式和Levitus 溫鹽資料的1500 m 以上緯向平均鹽度的全球分布圖。與溫度的模擬相似，兩個(gè)模式也能模擬出鹽度垂直分布的主要特征，但也存在明顯的不足，主要在于：對(duì)60°S 附近從海表向下向北伸展的低鹽舌，兩模式對(duì)上層鹽度模擬均偏高，導(dǎo)致表層鹽舌梯度不強(qiáng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)未耦合的大洋模式稍好于耦合模式；在30°S 到赤道表層的高鹽區(qū)，兩模式模擬的鹽度又偏弱，高鹽區(qū)的位置偏南，范圍偏?。辉?0°N附近的表層低鹽區(qū)整體偏強(qiáng)，該區(qū)域等值線明顯比觀測(cè)稀疏；30°N附近表層向下的高鹽舌模擬相對(duì)較好；對(duì)北半球高緯鹽度極小值區(qū)模擬的較差，強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏南。對(duì)比兩個(gè)模式的模擬結(jié)果，大洋模式要比耦合模式模擬好一些，整個(gè)高低鹽度區(qū)的分布、形狀和中心強(qiáng)度的模擬更接近觀測(cè)。

6 季節(jié)變化

季節(jié)、年際及更長(zhǎng)時(shí)間的變化對(duì)氣候系統(tǒng)的變化非常重要，為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)季節(jié)變化的模擬能力，這里分析了耦合模式中的大洋環(huán)流模式和未耦合的大洋環(huán)流模式的溫度季節(jié)變化，并與Levitus溫鹽資料進(jìn)行對(duì)比。

圖6 給出了耦合的、未耦合的大洋環(huán)流模式和Levitus溫鹽資料沿赤道上層100 m平均的溫度季節(jié)變化，反映了各大洋在熱帶赤道地區(qū)的季節(jié)變化。以155°E 為中心的西太平洋暖池區(qū)，全年海溫都在28 ℃以上，溫度季節(jié)變化較小，兩個(gè)模式都模擬了這個(gè)特征，但從溫度大小和高溫區(qū)范圍的模擬來(lái)看，單獨(dú)大洋模式模擬較好，耦合的大洋模式模擬溫度偏低。對(duì)東太平洋來(lái)說(shuō)（100°W），季節(jié)變化較大，3—4月溫度最高，接近20℃，7—9月最低，單獨(dú)的大洋模式除了模擬溫度偏低外，整體來(lái)看對(duì)這一特征模擬較好，而耦合的大洋模式模擬較差，模擬溫度強(qiáng)度和高低值隨時(shí)間演變的特征都有偏差。對(duì)于赤道大西洋，兩個(gè)模式模擬的相對(duì)較好，都模擬出觀測(cè)的7—8這個(gè)低值中心，而且低值的大小也比較接近。赤道印度洋整體溫度都在24 ℃以上，東印度洋在5—7 和11—12月有兩個(gè)暖中心，單獨(dú)大洋模式對(duì)這個(gè)特征模擬較好，耦合模式僅僅反映了11—12月這個(gè)特征，同時(shí)還將暖的范圍擴(kuò)大到了1月。從模擬結(jié)果看，單獨(dú)大洋環(huán)流模式可以更好地刻畫(huà)各大洋在赤道熱帶地區(qū)的季節(jié)變化。

7 結(jié)論

本文基于O A S IS 耦合器，發(fā)展了一套較高分辨率的海-陸-氣耦合環(huán)流模式。通過(guò)對(duì)耦合模式和未耦合大洋模式多年結(jié)果的對(duì)比分析，耦合模式對(duì)全球大洋的溫度和鹽度氣候平均態(tài)和季節(jié)變化主要特征具有一定的模擬能力，現(xiàn)將其主要?dú)w納為以下4點(diǎn)：

（1）耦合模式可以穩(wěn)定地長(zhǎng)期積分，并且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的“氣候漂移”現(xiàn)象；

（2）耦合模式繼承了大洋模式的主要模擬能力，能夠再現(xiàn)全球大洋溫度和鹽度水平和垂直分布的基本特征，而對(duì)特征細(xì)節(jié)的模擬還存在一定問(wèn)題，如SST 在大洋東海岸偏暖，高鹽區(qū)鹽度偏高等等；

（3）從溫鹽分布模擬結(jié)果的對(duì)比看，模式對(duì)溫度分布特征的刻畫(huà)相對(duì)好一些，特別是對(duì)溫度場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)的模擬；

（4）對(duì)季節(jié)變化模擬，單獨(dú)大洋環(huán)流模式更好地刻畫(huà)了各大洋的季節(jié)變化特征，耦合模式對(duì)西太平洋和大西洋的季節(jié)變化具有一定的描述能力。

本文僅對(duì)海-陸-氣耦合環(huán)流模式的大洋部分做了初步的檢驗(yàn)，下一步針對(duì)耦合模式中的年際變化，特別是與海-氣相互作用密切相關(guān)的ENSO事件的模擬開(kāi)展檢驗(yàn)工作。這些工作對(duì)我們了解模式性能，進(jìn)一步改進(jìn)模式性能至關(guān)重要。

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