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高分辨率气候系统模式的研制与评估
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项目介绍

  • ·项目名称:高分辨率气候系统模式的研制与评估
  • ·英文名称:The development and validation of high resolution climate system model
  • ·项目首席科学家:宇如聪  研究员,国家气候中心
  • ·项目首席科学家助理:吴统文  研究员,国家气候中心
  • ·项目第一承担单位:国家气候中心
  • ·项目执行时间:2010.6-2014.12

项目概况

  以全球变暖为主要特征的全球气候环境变化问题已成为人类社会可持续发展面临的严峻挑战之一。妥善应对全球变化问题,事关我国经济社会可持续发展目标的实现,事关我国国家发展战略和政治外交的国际话语权。加强气候变化相关问题的科学研究意义重大。气候和环境变化是气候系统五大圈层(气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈)相互作用的结果,要正确认识气候系统的变化规律和预测其未来的演变,就必须建立能正确反映各圈层之间相互作用和反馈的理论和方法。
  耦合各圈层相互作用的气候系统模式就是理解气候变化规律和预测未来气候变化的最重要的、甚至是不可替代的研究工具。气候系统模式的模拟和预估结果是政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告关键问题最重要的参考依据,下一阶段围绕IPCC有关结论的争议也可能成为国际关注重点。有条件的国家都对气候系统模式的发展和应用给予高度重视。发达国家正是凭借在这方面的优势,在国际上主导着气候变化问题的话语权。由于我国气候系统模式的整体水平与发达国家相比还存在明显差距,特别是对气候系统模式不确定性的认识和理解不够深入,已经或多或少地影响了我国气候变化外交的话语权。
  随着我国综合国力的不断增强,国际影响力不断提高,人民生活水平不断提高,气候变化环境外交、国家决策和人民生活改善都迫切要求我们更全面的了解和认识气候的演变规律,特别是东亚区域气候对全球气候变化的响应和影响。我国地球科学界的大多数科学家及相应的科技政策制订者,都已认识到加强发展我国的全球气候系统模式乃至地球系统模式的必要性和紧迫性。
  由于气候系统多圈层和多尺度非线性相互作用的复杂性,人类对气候变化规律认识的局限性,以及计算和信息处理资源的有限性,目前气候系统模式的结果还存在很大的不确定性。气候系统模式的发展要尽可能地减少模式不确定性问题的影响。所要解决的关键问题包括:(1)随着计算技术的发展,提高模式分辨率,使得气候系统模式能更直接分辨更精细时空尺度的物理过程,从而提高模式的性能;(2)改进和完善不同介质圈层相互作用的关键物理过程,减少模式物理过程不确定性影响,改进耦合气候系统模式的“气候漂移”偏差;(3)充分应用不断丰富的观测资料,通过深入评估模式结果,加深对模式不确定性问题的理解。针对上述问题,本项目分设四个研究课题:(一)高分辨率大气环流模式和海洋环流模式的研制;(二)改进和完善高分辨率气候系统模式中与耦合相关的关键物理过程;(三)多通量集合的耦合模拟研究;(四)高分辨率气候系统模式的不确定性研究。希望通过5年的努力,建立具有50km左右水平分辨率、良好稳定性和物理守恒性动力框架的大气环流模式,30-50km分辨率的海洋环流模式;优化气候系统模式的物理过程,优化模式通量改进耦合过程;建立与同期国际水平相当的气候系统模式,用其参与国际模式比较计划,开展气候模拟和气候变化预估试验;对气候系统模式中云雨过程、云与辐射相互作用和海洋混合层等过程不确定性的理解能力明显提高;建立适合气候系统模式可持续发展的评估、改进、发展的科学方法;培养一支能保障气候系统模式可持续发展的人员队伍。

项目专家组

姓  名 职  称 单  位
宇如聪 项目首席/研究员 国家气候中心
吴统文 首席助理/研究员 国家气候中心
丁一汇 院  士 国家气候中心
张学洪 研究员 中国科学院大气物理研究所
倪允琪 研究员 中国气象科学研究院
张明华 教  授 中国科学院大气物理研究所
王  斌 研究员 中国科学院大气物理研究所
乔方利 研究员 国家海洋局第一海洋研究所
戴永久 教  授 北京师范大学

首席科学家介绍

宇如聪 研究员:
  1999年入选中科院“百人计划”,2006年获国家杰出青年科学基金资助。是国际能量和水循环(GEWEX)科学指导组(SSG)成员;国际气象学和大气科学协会中国委员会副主席。主持完成了 “百人计划”项目“海气耦合系统模式的有效化研究”;国家自然科学基金重点项目“发展模块化的全球耦合气候系统模式”;中国科学院创新团队国际合作伙伴计划项目“气候系统模式研发及应用研究”等。完成的相关科研工作包括:发展区域数值预报模式(AREM),并以其为基础发展了区域气候模式CREM;长期组织和参与我国气候系统模式的研发,协作完成了模块化的全球耦合气候系统模式;揭示了长江流域云辐射强迫特征和反馈机制,提高了对气候系统中云辐射强迫和反馈过程的认识和理解。科研工作曾获得过省部级科技进步壹贰等奖、国家科技进步贰等奖、国家自然科学贰等奖。合作发表学术论文120余篇,其中SCI论文近60篇,论文被SCI和CSCD论文他引千余次。

项目背景

  大量的观测证据表明,全球气候正经历着一次以变暖为主要特征的显著变化;与其对应,极端天气气候事件的发生频率和强度增大,水资源短缺和区域不平衡问题加剧,生态环境恶化,已经并将继续对自然、经济与社会产生重大影响。
  近百年气候增暖是客观事实,增暖的原因则是当前科学界和国际环境外交关注和争论的焦点。耦合各圈层相互作用的气候系统模式是理解气候变化规律和预测未来气候变化的最重要甚至是不可替代的研究工具。发展气候系统模式,将提升我国应对气候变化问题的整体实力。
  旱涝等重大气候灾害,每年造成约2000亿元以上的经济损失;气候灾害造成的经济损失,约占气象灾害造成的经济损失的78%左右。在全球气候变暖背景下,我国的气候灾害有加剧的趋势。气候系统模式是预测气候异常的重要工具,发展气候系统模式,提高气候预测预估水平,有助于增强国家气象减灾防灾应对能力。

研究内容

  以国家气候中心和中科院大气物理研究所在气候系统模式研发上的多年积累为基础,围绕“高分辨率的气候系统模式研发与评估”主题,重点开展以下研究内容:
  (1)建立我国高分辨率的大气环流模式,模式分辨率达到50km左右, 设计具有良好稳定性和物理守恒性的动力框架,应用协调的时间分解算法、灵活性跳点格式等方案缓解高分辨率模式在极区的计算紊乱及不稳定问题;采用通过国际合作共同研制的先进的云-气溶胶-辐射数值集合系统,并与所设计的高分辨率模式动力框架相适应与协调;设计高分辨率的海洋环流模式框架,使海洋模式的水平分辨率达到30-50km。
  (2)实现高分辨率大气环流模式、高分辨率海洋环流模式与海冰、陆面模式之间的耦合,建立高分辨率气候系统模式。改进和完善高分辨率气候系统模式中与耦合相关的关键物理过程,提高高分辨率气候系统模式的模拟性能,包括:改进云微物理过程,发展适合于东亚气候特点的云物理降水方案;研究云、辐射相互作用;改进适合于高分辨率气候系统模式的海洋混合过程;改进大气边界层模块和陆面过程参数化方案。
  (3)研究多通量集合方法,完善高分辨率气候系统模式中大气作用于海洋的通量强迫,减少气候系统模式中不确定性导致的模拟误差,提升气候系统模式的性能。
  (4)综合评估高分辨率气候系统模式的模拟能力。建立一套经过检验的模式评估标准;研究高分辨率模式在减少热带偏差、改进能量输送模拟中的有效性;研究气候模式对温室气体强迫的敏感度,理解影响模式敏感度的物理过程;研究高分辨率模式在亚澳季风区(含东亚季风)的有效性;围绕国际耦合模式比较计划的试验要求,进行年代际气候回报试验和未来气候年代际预估试验,研究未来东亚季风的潜在变化。

预期目标

  1. 本项目的总体目标:
  建立模块化的海-陆-气-冰耦合的高分辨率气候系统模式。该模式适合于我国气候特点并具备可持续发展能力,能够较合理地模拟当今气候和气候变化特征。该系统可用于开展全球和东亚区域气候变化的科学研究,与国际同类模式水平保持同步,对东亚季风的模拟具有优势。参加国际上的模式比较计划,提升中国在气候系统模式发展和气候变化模式预估领域的国际地位,为国家在气象防灾减灾、应对气候变化等方面的宏观决策提供科学依据。
  2. 五年预期目标:
  (1) 建立高分辨率全球大气环流模式,水平分辨率达到50km左右。发展与模式高分辨率相适应的物理过程,在云和辐射过程、云特性等方面具有显著改进。完善与高分辨率大气模式相适应的陆面过程模式。
  (2) 建立高分辨率全球海洋环流模式,水平分辨率达到30-50km,改进海洋混合层方案,完善与高分辨率海洋环流模式相适应的海冰模式。
  (3) 建立高分辨率气候系统模式,耦合模式整体性能显著提高,对东亚季风的模拟与同类模式相比具有优势。
  (4) 建立高分辨率气候系统模式评估标准,提出认识和减少模式不确定性的方法。
  (5) 项目研究成果参加相关国际模式比较计划。
  (6) 培养一批在气候模式研究领域具有国际影响力的学术带头人,建立一支能扎扎实实为国家需求做贡献的中青年模式研究队伍,确保我国气候系统模式的可持续发展。
  (7) 研究成果发表高水平论文 50篇。

课题设置

课题编号 课题名称 第一负责人 第一承担单位
2010CB951901 高分辨率大气环流模式和海洋环流模式的研制 周广庆 中国科学院大气物理研究所
2010CB951902 改进和完善高分辨率气候系统模式中与耦合相关的关键物理过程 宇如聪 国家气候中心
2010CB951903 多通量集合的耦合模拟研究 薛巍 清华大学
2010CB951904 高分辨率气候系统模式的不确定性研究 周天军 中国科学院大气物理研究所

高分辨率大气环流模式和海洋环流模式的研制

研究目标:
建立我国高分辨率的大气环流模式,模式分辨率达到50km左右,包含新发展的云-气溶胶-辐射数值集合系统;建立我国高分辨率的大洋环流模式,模式分辨率达到30-50km。
研究内容:
(1)高分辨率大气环流模式动力框架的设计与实现。设计高分辨率大气环流模式动力框架及有关计算方案,应用协调的时间分解算法,灵活性跳点格式等稳定、高效的方案缓解高分辨率模式在极区的计算紊乱及不稳定问题,保证模式能够快速、准确地运行,模式分辨率达到50km左右。
(2)大气环流模式中云-气溶胶-辐射数值集合参数化系统的研究。对梁信忠-张凤联合研制的云-气溶胶-辐射数值集合系统(简称梁张系统)进行改进和简化并耦合到本课题新研制的高分辨率气候系统模式中,设计大量的集合模拟实验,并通过对比分析,定量评估现有气候系统模式中云-辐射相互作用的不确定性及其对气候模拟的影响。
(3)高分辨率海洋环流模式的设计与研制。设计高分辨率的海洋环流模式框架,模式具备灵活选取分辨率的功能并保证快速、准确地运行,水平分辨率达到30-50km。
课题承担单位:中国科学院大气物理研究所
课题负责人及主要学术骨干:周广庆,张凤,张贺,薛峰,何卷雄

 

改进和完善高分辨率气候系统模式中与耦合相关的关键物理过程

科学目标:
利用不断丰富的观测资料,以国内现有气候系统模式为基础,改进完善多圈层耦合的高分辨率气候系统模式中与圈层耦合相关的关键物理过程,包括大气边界层与陆面过程、云与辐射相互作用、云的特性和海洋混合层等的改进,以改善大气环流模式、海洋环流模式、海冰模式和陆面过程模式的模拟性能,以此为基础发展高分辨率气候系统模式。
研究内容:
(1)改进适合于高分辨率气候系统模式的大气边界层和陆面过程。利用我国地面观测资料检验并改进大气边界层模块和陆面过程参数化方案,改进土壤温度和湿度的模拟,针对太阳辐射在植被冠层内的传输发展四流近似参数化方案,改善冠层温度的模拟,提高对陆-气相互作用的模拟能力。
(2)改进适合于高分辨率气候系统模式的海洋混合过程。在高分辨率气候系统模式中引入波致混合参数化方案,研究波致混合过程对全球大洋上混合层和热带气候系统的影响;评估海洋混合参数化方案对热带模拟偏差的改进效果。
(3)改进极区海洋、海冰和大气之间的相互作用过程。针对高分辨率气候系统模式,改进极区大气边界层物理过程参数化,提高模式对极地气候的模拟能力。
(4)改进云微物理过程。重点改进云雨自动转化、雨滴冻结和云滴同雨滴的碰并等方面的云微物理过程,发展适合于东亚气候特点的云微物理降水方案,显著提高模式对云微物理参数和降水的模拟能力。
(5)云与辐射的相互作用过程研究。研究全球不同区域云和辐射的水平分布、垂直分布气候特征,了解海洋边界层云、中纬度陆地层状中云、赤道辐合带高云的季节变化、日变化。研究各类云造成的辐射效应,揭示全球尤其是东亚地区云气候特征和微物理结构特征,为改善高分辨率模式中对云与辐射相互作用过程的描述提供事实依据。
课题承担单位:国家气候中心、国家海洋局第一海洋研究所
课题负责人及主要学术骨干:宇如聪、吴统文、李伟平、夏长水、李江龙

 

多通量集合的耦合模拟研究

科学目标:

针对气候系统模式中通量误差对海气耦合气候漂移的影响,研究交互的多通量集合方法,重点完善大气强迫作用于海洋的通量条件,减小天气尺度过程噪音所产生的通量强迫误差对耦合过程的影响,提高气候系统模式的耦合性能。
研究内容:
(1)大气模式初始扰动对大气-海洋通量耦合过程的影响研究。建立大气模式多初值积分与海洋模式之间耦合的模型,在大气-海洋耦合过程中,开展多初值的大气模式积分试验,利用其产生的集合通量强迫海洋模式,以此减小天气尺度噪音对耦合过程产生的误差,提高气候系统模式的整体模拟性能。
(2)大气模式物理过程参数化方案中的不确定性对气候系统模式模拟能力的影响研究。研究大气模式物理参数化方案中的不确定性因素,重点是积云对流参数化方案,针对该不确定性因素开展多样本模拟试验,通过聚类择优的方法选定适合不同区域、不同天气现象的参数,减小物理参数化方案中的不确定性所带来的误差对通量耦合过程产生的影响,提升耦合模式的模拟能力。
(3)交互的多通量集合方法研究。针对大气对海洋的强迫作用,研究交互的多通量集合方法,将通量集合技术有效应用于气候系统模式之中,改善大气模式内部变率与物理过程参数化方案不确定性导致的模拟误差,提高耦合模式的整体模拟性能。进一步深入分析多通量集合的耦合模拟方法对改善东亚气候模拟效果的可行性和有效性。
课题承担单位:清华大学、国家气候中心
课题负责人及主要学术骨干:薛巍,黄震春,张武生,梁智,辛晓歌

 

高分辨率气候系统模式的不确定性研究

科学目标:
结合东亚特色,针对高分辨率耦合的气候系统模式,建立一套经过检验的模式评估标准,用于比较模拟和观测结果,为改进模式、减少不确定性提供思路;利用高分辨率气候系统模式,进行年代际气候回报和预估试验,参加国际耦合模式比较计划。
研究内容:
(1)高分辨率模式在减少热带偏差、改进能量输送模拟中的有效性研究。综合评估耦合模式中的系统性偏差,研究双热带辐合带和亚澳季风区海温偏差对于气候系统模式不确定性的可能贡献;研究分辨率提高对耦合模式的改进,特别是大气环流、海洋西边界流和海洋中尺度涡的改进对气候系统经向热量输送的影响和气候效应。
(2)反馈过程对高分辨率模式不确定性的影响研究。利用高分辨率耦合模式,研究气候模式对温室气体强迫的敏感度,理解影响模式敏感度的物理过程,重点是云-辐射反馈、水汽反馈等过程,通过与卫星遥感等观测资料的比较,探讨云特征、海洋性层云模拟偏差等对云辐射强迫和反馈过程的影响。
(3)高分辨率模式在亚澳季风区(含东亚季风)的有效性研究基于高分辨率卫星、遥感和场地观测数据,针对亚澳季风区,研究高分辨率气候系统模式的有效性(模式性能的优缺点),讨论影响日循环模拟效果的关键过程,检验模式对东亚梅雨锋等关键系统的模拟能力,提出改进东亚降水模拟效果的途径。
(4)基于高分辨率气候系统模式的年代际气候预估试验。围绕国际耦合模式比较计划的试验要求,利用高分辨率耦合的气候系统模式,进行年代际气候回报试验和未来气候年代际预估试验,参加相关国际模式比较计划;利用高分辨率模式预估结果,研究未来东亚季风的潜在变化,讨论预估结果中的不确定性。
课题承担单位:中国科学院大气物理研究所、中国人民解放军理工大学
课题负责人及主要学术骨干:周天军,刘海龙,李立娟,吴波,李昀英

 

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