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Development of Climate and Earth System Models in China: Past Achievements and New CMIP6 Results

Journal of Meteorological Research 2020年第1期34卷 1-19页

作者： Tianjun ZHOU Ziming CHEN Liwei ZOU Xiaolong CHEN Yongqiang YU Bin WANG Qing BAO Ying BAO Jian CAO Bian HE Shuai HU Lijuan LI Jian LI Yanluan LIN Libin MA fangli qiao Xinyao RONG Zhenya SONG Yanli TANG Bo WU Tongwen WU Xiaoge XIN He ZHANG Minghua ZHANG State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG) Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029 College of Earth and Planetary Sciences University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049 First Institute of Oceanography Ministry of Natural ResourcesQingdao 266061 School of Atmospheric Science Nanjing University of Information Science&TechnologyNanjing 210044 Chinese Academy of Meteorological Sciences China Meteorological AdministrationBeijing 100081 Tsinghua University Beijing 100084 National Climate Center China Meteorological AdministrationBeijing 100081 International Center for Climate and Environment Sciences Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029

The Earth–Climate System Model(ECSM)is an important platform for multi-disciplinary and multi-sphere integration research,and its development is at the frontier of international geosciences,especially in the field of global *** research and development(R&D)of ECSM in China began in the 1980 s and have achieved great *** China,ECSMs are now mainly developed at the Chinese Academy of Sciences,ministries,and *** a brief review of the development history of Chinese ECSMs,this paper summarized the technical characteristics of nine Chinese ECSMs participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 and preliminarily assessed the basic performances of four Chinese models in simulating the global climate and the climate in East *** projected changes of global precipitation and surface air temperature and the associated relationship with the equilibrium climate sensitivity under four shared socioeconomic path scenarios were also ***,combined with the international situation,from the perspective of further improvement,eight directions were proposed for the future development of Chinese ECSMs.

关键词： Earth–Climate System Model(ECSM) Chinese models Coupled Model Intercomparison Project Phase 6(CMIP6) model performance climate prediction and projection outlook

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Development and evaluation of an Earth System Model with surface gravity waves

Development and evaluation of an Earth System Model with sur...

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第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研...

作者： qiao fangli SONG Zhenya BAO Ying SONG Yajuan SHU Qi HUANG Chuanjiang ZHAO Wei Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling The First Institute of OceanographyState Oceanic Administration

The critical role of oceanic surface waves in climate system is receiving more and more attention. We set up an Earth System Model（ESM）, which is named as the First Institute of Oceanography-Earth System Model（FIO-ESM）, composed of a coupled physical climate model and a coupled carbon cycle model. A surface wave model is introduced through including the non-breaking wave-induced vertical mixing into the ocean circulation model. Surface waves can improve the performance of climate model especially in the simulation of upper ocean mixed layer depth in the southern ocean. The FIO-ESM is employed to conduct Coupled Model Intercomparison Project Phase 5（CMIP5） experiments. The historical simulation of FIO-ESM’s physical climate model for 1850-2005 shows that the simulated patterns of surface air temperature（SAT）, rainfall, and El Nio–Southern Oscillation（ENSO） match those of the observations. Future projections under the four scenarios of RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 and RCP8.5 are also conducted. The global averaged SAT in 2100 would be 3.92℃ higher than that in 2005 for the highest future emission scenario of RCP8.5. The historical simulation and the future prediction under RCP8.5 with global carbon cycle are also analyzed. Surface wave makes projected surface air temperature in RCP2.6 about 2℃ cooler in the Arctic area and 2℃ warmer in the southern ocean.

关键词： surface wave earth system model wave-induced mixing

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海洋表层温度对台风“蔷薇”路径和强度预测精度的影响

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海洋学报 2012年第4期34卷 41-52页

作者：赵彪乔方利王关锁国家海洋局海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点试验室山东青岛266061 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),首先对2007年3次船舶辐射通量观测进行模拟,以检验WRF对长波和短波辐射通量的模拟能力,结果表明使用中国近海海洋环境数值预报系统环流模式POM(Princeton Ocean Model)... 详细信息

基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),首先对2007年3次船舶辐射通量观测进行模拟,以检验WRF对长波和短波辐射通量的模拟能力,结果表明使用中国近海海洋环境数值预报系统环流模式POM(Princeton Ocean Model)模拟的高时空分辨率的海洋表层温度能够显著改进短波辐射通量的模拟,而对长波辐射通量模拟的改进不明显。然后,将业务化运行的中国近海海洋环境数值预报系统后报的逐时海洋表面温度(SST)作为WRF底边界条件,对2008年15号强台风"蔷薇"(Jangmi)过程进行了数值后报试验。结果表明,与使用NCEP/NCAR的SST试验后报的台风中心位置偏差相比,使用高时空分辨率的SST能够较为显著地改善"蔷薇"的路径模拟,台风中心位置模拟偏差减少11%,尤其在台风减弱阶段,台风中心位置模拟偏差减少37%。台风强度在台风发展的不同阶段对下垫面SST的变化敏感性不同。台风路径附近的海表面温度下降会导致海洋向大气输送的热量减少从而减弱台风强度。

关键词： WRF SST 台风路径台风强度热通量辐射通量

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全球海洋碳循环三维数值模拟研究

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海洋学报 2012年第3期34卷 19-26页

作者：鲍颖乔方利宋振亚国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO2为283×10-6条件下,积分3 100a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO2浓度进行强... 详细信息

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO2为283×10-6条件下,积分3 100a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO2浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO2的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO2的源区。在1980s海洋吸收CO2速率(以C计)为1.38Pg/a,1990s为1.55Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。

关键词：海洋碳循环模式海气CO2通量海洋人为碳

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2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

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海洋学报 2015年第11期37卷 23-32页

作者：崔红艳乔方利舒启国家海洋局海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点试验室山东青岛266061 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平... 详细信息

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。

关键词：北极海冰范围大气环流上层海洋反馈机制

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对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

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海洋学报 2015年第11期37卷 33-40页

作者：舒启乔方利鲍颖尹训强国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并... 详细信息

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。

关键词：数据同化 FIO-ESM 气候变化北极海冰

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2008年夏季楚科奇陆架海域近底层水温大幅快速变化事件研究

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海洋学报 2012年第1期34卷 57-63页

作者：舒启乔方利陈红霞国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061

2008年夏季中国第3次北极科学考察期间,利用锚碇潜标对北冰洋楚科奇陆架海域进行了为期33d的海流剖面、近底层温度与盐度连续观测。观测数据显示楚科奇陆架海域近底层海水温度出现了两次较大幅度的快速升降现象。结合此次科学考察R断面... 详细信息

2008年夏季中国第3次北极科学考察期间,利用锚碇潜标对北冰洋楚科奇陆架海域进行了为期33d的海流剖面、近底层温度与盐度连续观测。观测数据显示楚科奇陆架海域近底层海水温度出现了两次较大幅度的快速升降现象。结合此次科学考察R断面温盐深仪(CTD)观测资料、以及卫星遥感海表温度(SST)和海表风场等资料,综合分析表明:观测到的这种快速升、降温现象不仅发生在近底层;这种快速升、降温现象应该是由海水温度锋面在夏季整体缓慢北移的同时存在短暂南北摆动所导致;温度锋面的季节性北移属于北极气候特征,而温度锋面短暂的南北摆动则与短期天气过程有关。

关键词：北冰洋楚科奇海温度锋面快速升降温

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海洋动力系统数值模式体系及海浪-环流耦合理论

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前沿科学 2007年第3期 81-86页

作者：乔方利国家海洋局第一海洋研究所青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室

从系统科学的观点出发,把海洋运动按照时空尺度分解成小尺度(以海浪为代表)子系统、中尺度(以内波为代表)子系统、大尺度(以大洋波动和环流为代表)子系统,并把海洋和大气之间通过近海面海洋大气层进行相互作用的部分称为近海面海洋大气... 详细信息

从系统科学的观点出发,把海洋运动按照时空尺度分解成小尺度(以海浪为代表)子系统、中尺度(以内波为代表)子系统、大尺度(以大洋波动和环流为代表)子系统,并把海洋和大气之间通过近海面海洋大气层进行相互作用的部分称为近海面海洋大气边界层子系统。考虑各子系统之间的相互作用,提出了从海洋动力系统观点出发发展海洋数值模式体系的科学思路。通过考虑海浪对环流的垂向混合作用,将海浪的运动混合作用解析表达为可以通过海浪数值模式直接计算的海浪谱形式,建立了海浪-环流耦合理论。这一理论不仅将普林斯顿环流模式全球上100米的模拟海温与Levitus资料之间的平均相关系数从0.58提高到了0.76,而且加深了我们对中国近海海洋环流系统的理解,同时对气候模式热带偏差这一共性问题有显著改善。该理论对海洋环境预报和全球气候变化预测具有重要意义。

关键词：海洋动力系统耦合理论海洋数值模式

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浪致混合对亚热带冬季海洋混合强度的影响

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海洋学报 2020年第5期42卷 22-30页

作者：陈思宇乔方利黄传江宋振亚中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061

上层海洋在全球气候系统中起着至关重要的作用。对上层海洋层结及混合的模拟偏差一直是海洋和气候数值模式发展中悬而未决的问题。本文首先评估了CMIP5中45个模式对上层海洋层结模拟的偏差,确认了冬季亚热带地区海洋模式垂向混合偏强。... 详细信息

上层海洋在全球气候系统中起着至关重要的作用。对上层海洋层结及混合的模拟偏差一直是海洋和气候数值模式发展中悬而未决的问题。本文首先评估了CMIP5中45个模式对上层海洋层结模拟的偏差,确认了冬季亚热带地区海洋模式垂向混合偏强。随后,基于自然资源部第一海洋研究所地球系统模式(FIO-ESM v1.0),分别开展了1986-2005年期间包含和关闭海浪垂向混合情况下的数值实验,分析浪致混合对亚热带冬季海洋混合强度模拟的影响及机制。发现浪致混合使得气候模式中亚热带海域冬季的海洋层结增强,增强的层结使上层海洋更加稳定。首次揭示了增加浪致混合反而降低了海洋总体的垂向混合率:浪致混合使北半球冬季亚热带海域混合率从无浪实验的227 cm^2/s降低到有浪实验的178 cm^2/s,降低了21.6%;南半球冬季亚热带海域混合率从无浪实验的189 cm^2/s降低到有浪实验的165 cm^2/s,降低了12.7%。进一步分析发现,浪致混合主要是通过增加冬季亚热带海域上层海洋的热含量从而强化了海洋的层结,最终改善了气候模式对上层海洋混合的模拟。

关键词：混合强度浪致混合数值模式冬季亚热带

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两种湍流参数化方案针对水体温度演变过程的模拟与比较

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海洋学报 2012年第4期34卷 35-40页

作者：马洪余乔方利郭景松海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg... 详细信息

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg的波浪破碎表面边界条件时,采用MY2.5参数化方案的模拟结果没有明显的改善,但采用κ-ε参数化方案的模拟结果有明显的改善,得到与观测相符的模拟结果。

关键词：参数化方案边界条件模拟结果

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