高分辨率海洋模式关键物理过程参数化方案的研发

全球气候模式对气候变率的预测存在很大的不确定性,这不仅影响气候研究的本身,也给我国政府相关决策带来困难。海洋是整个地球气候系统的一部分,海洋模式的准确性直接影响全球气候模式的可靠性。参数化是数值模式的动力核心之一,因此开发新的海洋模式参数化方案是改进气候模式的必经之路。针对高分辨率海洋模式,我们需要开展中小尺度海气相互作用、中尺度涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合、次中尺度、内波以及海流与海底地形相互作用等关键物理过程的研究,阐明海洋能量级串多重耗散路径和机制,以此建立从海面到海底全深度的适用于高分辨率海洋模式的关键物理过程参数化方案,以改进全球和区域海洋的模拟能力。     

高分辨率气候系统模式的研制与评估

高分辨率气候系统模式是全球变化研究的重要研究工具,对于提升我国应对气候变化问题的整体实力有重要的应用价值。全球变化研究国家重大科学研究计划"高分辨率气候系统模式的研制与评估"项目通过5年的努力,成功研制和发展了我国高分辨率气候模式系统和其评估系统,建立了通量集合耦合平台,取得的主要成果有:(1)成功研发了全球高分辨率气候系统模式BCC_CSM2,其大气水平分辨为50km,海洋水平分辨为30km,它改进了模式中一些重要物理过程的参数化方案,使模式性能得到明显提高,对当今气候基本态的模拟与国际上现有模式性能相当,对东亚气候的模拟有部分优势,增强了对热带气旋、台风等中小尺度过程的模拟能力;(2)成功解决了与模式高分辨率有关的部分科学问题,如东亚地形问题和经纬度网格极地问题、与高分辨率相适应的模式动力框架问题、中国东部独特的冷季层云与青藏高原地形相关问题等;(3)自主研制了全球0.5°×0.5°网格的格点模式动力框架,具有良好稳定性和物理守恒性,建立了全球高分辨率格点大气环流模式,实现了"云-气溶胶-辐射数值集合系统"(CAR)与全球格点大气环流模式IAP4的耦合,揭示了云的次网格尺度结构是造成辐射计算差异最主要原因的物理机制;(4)建立了多大气模式交互集合耦合平台,集成了包括本项目支持研发的格点和谱模式在内的15个国内外知名的分量模式,成为研究海-气相互作用、噪音对气候影响的一种创新分析工具;(5)建立了包括东亚地区云与辐射、东亚-西北太平洋季风、热带偏差机理、云辐射反馈过程与ENSO模拟改进等的耦合气候系统模式评估体系,为评估、改进项目研制的高分辨率模式提供了重要参考和方向。所研发高分辨率气候系统模式的阶段性中低分辨率模式参与了第五阶段耦合模式国际比较计划(CMIP5),建立了业务气候预测系统,为国内外开展气候及气候变化科学研究提供了大量宝贵的模拟数据,为IPCC AR5的编写提供了科学参考依据,提升了我国在气候变化领域的影响力和气候预测能力。     

我国新一代数值预报系统GRAPES的改进与业务化应用

1 课题总目标 在“十五”科技攻关项目“中国气象数值预报系统技术创新研究”开发与建立的以直接同化卫星遥感资料为主的三维变分同化系统与全球中期数值预报模式的基础上,整合建立完整的、具有业务运行能力的全球中期／有限区同化预报系统,并投入实时业务运行。     

我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究综述

鉴于我国气候灾害的严重性,本项目把20世纪80年代以来所发生的我国旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海-陆-气各子系统的变化及其相互作用对我国重大气候灾害发生的机理入手进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的新理论;并且,在对我国旱涝重大气候灾害发生有重要影响的ENSO循环和青藏高原热力作用的机理和数值模式研究方面取得新的突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有了较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出了我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制出新一代气候数值模式,并利用此系统成功地预测了我国1998-2002年夏季发生的严重旱涝气候灾害.此外,项目还成功地进行了我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,并得出许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益.项目还培养了一批从事气候分析、模拟和预测研究的优秀青年学科带头人,形成了一支从事气候灾害分析和预测的研究队伍,完善和建立了两个有关季风和ENSO循环、气候灾害预测的研究中心和一个典型干旱区陆-气相互作用的观测试验基地.     

地球系统模式新型高分辨率网格系统研制与应用

气候模式是全球变化研究的基本工具之一,网格系统是模式空间离散化的平台,其直接决定着模式的空间解析度,并与模式框架的数值算法紧密互动、影响其精度和计算效率。随着对分辨率和模拟精度需求的不断提升,传统的大气和海洋模式网格分别面临着提高稳定性、计算精度以及计算时效性等诸多挑战。基于国内外现状和前沿,针对下一代地球系统模式和气候系统模式的发展需求,设定了研制具有自主知识产权的新型网格系统的研究目标。针对大气模式高分辨率准均匀网格、嵌套网格和相关数值算法的设计,以解决传统经纬度网格的计算效率和稳定性问题为主要目标,通过高精度算法降低准均匀网格及加密网格的印记误差。针对海洋环流模式设计新型正交网格,利用共形映射构造理论这一数学领域的最新进展,缓解传统网格中计算负载不均衡、海洋陆缘区域分辨率受限等问题。进一步针对关键海气耦合区域开展大气海洋网格协同设计,并开展高分辨率下的高效并行化、支持动态负载均衡和网格加密等功能。开展新型网格在我国自主研发模式和国际典型主流模式中的模式集成和评估。通过算法开源和支撑性数据集的开放使用,以及典型分辨率下的样例网格,为高分辨率模式的构建提供有效支撑。     

基于GRAPES的综合临近预报系统（雨燕GRAPES-SWIFT）

在我国,台风、暴雨、雷雨大风、雷电、龙卷风、冰雹等灾害天气及其产生的次生自然灾害连年不断,近年来全球气候变暖的加剧,导致突发气象灾害发生更加频繁。本项目研究瞄准国家防灾减灾需求和气象灾害应急响应的需要,依托中尺度数值预报模式及其快速循环更新同化系统产品,融合新一代天气雷达、卫星、闪电定位仪、GPS／MET、风廓线雷达和自动气象站等探测资料信息,     

基于大气、海洋、潮汐和地表水数值耦合模式的地球角动量研究

本文在总结地球总系统角劝量变化的研究现状和所存在问题的基础上，首次给出了一个耦合了大气运动、海洋运动、海洋潮汐和地表水循环的无需通量修正的自由气候耦合模式，该模式的海洋分量考虑了大气压反变效应、固体地球潮汐作用和海洋水体自引力效应，细致地刻画了地球总系统内部的角动量交换过程。数值研究的初步结果表明，上述气候耦合模式的研制非常成功，可以作为进行地球旋转参数研究的新手段。     

海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用过程与机制研究现状及展望

海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用是地球系统关键过程之一。然而，现有主流地球系统模式中缺少海洋有机气溶胶关键演化过程，导致对海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用的过程和机制认识匮乏，全球气候变化预测具有很大的不确定性。针对海—气系统变异如何影响海洋有机气溶胶的生成和演化，以及海洋有机气溶胶的气候效应如何影响海—气系统两个关键科学问题，提出3个方面研究内容，包括海—气系统对海洋有机物排放的作用机制、海—气系统对海洋有机气溶胶理化性质的影响、海洋有机气溶胶气候效应对海—气系统的影响。通过构建海洋有机气溶胶演化过程及其气候效应的数值模型，阐明海洋有机气溶胶与海—气系统的相互作用过程与机制，为降低气候预测不确定性和应对气候变化提供科学依据。     

极区动量、热量、水汽、CO2和辐射通量自动监测系统

近些年的研究表明，南极大气与冰雪下垫面之间的动力和热力相互作用，不仅影响着大气层结构和局地天气气候，而且对全球大气环流和气候演变也有重要作用。对南极冰-海-气相互作用的观测与研究可以大大加深对全球气候变化的了解。为建立合理、可靠的全球冰-海-气耦合模式提供实验数据支持，     

全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响

近年来,在全球气候变暖的影响下,干旱、洪涝、高温酷暑等极端气候事件频发,造成巨大损失。那么,如何减轻极端事件所造成的损失,成为当前国家经济建设和社会发展的当务之急。本项目紧扣这一国家重大需求,从对气候系统变化具有重要影响的能量和水分循环这两个主要过程入手,开展野外观测试验、多源资料整合分析、数值模拟等研究,系统揭示了东亚地区典型下垫面能量和水分循环变异的若干新特征及其对我国极端气候事件的影响过程和机理;在此基础上,研制了适用于我国几种极端气候事件的短期预测方法和系统,开展实时预测,服务于国家防灾减灾;最后开展我国未来气候变化预估,为国家中长期发展规划的制定提供科技支撑。经过五年的研究,项目取得了丰硕的研究成果,共发表学术论文495篇,其中SCI收录268篇。     

全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响

近年来,在全球气候变暖的影响下,干旱、洪涝、高温酷暑等极端气候事件频发,造成巨大损失。那么,如何减轻极端事件所造成的损失,成为当前国家经济建设和社会发展的当务之急。本项目紧扣这一国家重大需求,从对气候系统变化具有重要影响的能量和水分循环这两个主要过程入手,开展野外观测试验、多源资料整合分析、数值模拟等研究,系统揭示了东亚地区典型下垫面能量和水分循环变异的若干新特征及其对我国极端气候事件的影响过程和机理;在此基础上,研制了适用于我国几种极端气候事件的短期预测方法和系统,开展实时预测,服务于国家防灾减灾;最后开展我国未来气候变化预估,为国家中长期发展规划的制定提供科技支撑。经过五年的研究,项目取得了丰硕的研究成果,共发表学术论文495篇,其中SCI收录268篇。     

北半球千年尺度气候高分辨率数据集研制及可靠性研究

过去千年半球尺度高质量气候环境数据是揭示全球增暖机理、预测预估未来情景及影响的重要基础;利用代用指标,研制北半球千年尺度气候高分辨率数据集,评估其可靠性一直是全球变化研究关注的核心内容之一。本文简述了开展北半球千年尺度气候高分辨率数据集研制及可靠性研究的必要性、紧迫性和发展动向;分析了其研究现状和存在问题;阐述了下一步的研究目标、思路和需解决的关键科学与技术问题,以及主要研究内容,包括:代用指标物理意义诊断与数据挖掘技术研发、气候与海平面、冰雪、土地利用与动植物分布变化数据集研制等4个方面;并对预期产出及意义进行了简要展望。     

全新世亚洲季风变异与干旱演变及其驱动机制

近年,热带太平洋地区高分辨率气候记录研究对学界普遍接受的气候突变"高纬驱动说"提出质疑,全新世气候突变事件成为全球变化研究的前沿热点。亚洲季风-干旱环境是地球气候系统的关键组成部分,在全球物质和能量循环中起着重要作用。然而,亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件研究仍十分薄弱,百年-年代际气候变率研究尚未展开。本项目选择湖泊沉积和石笋为研究材料,以亚洲季风区和干旱区高分辨率气候记录的关键空白区为重点研究区,开展全新世气候变化的高分辨率、多指标综合集成研究以及多模式、多尺度数值模拟研究,以期查明亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件的结构特征与空间表现、百年-年代际气候变率的时空特征以及现代增温的自然背景,阐明全新世不同时间尺度亚洲季风变异和干旱演变的动力学过程与驱动机制。本项目有望在全新世气候研究领域取得引领性学术成果,在理论认识层面,为理解全新世气候变化机制提出原创性观点;在国家需求层面,为评估和应对全球变化提供科学支撑。     

Argo——成功的十年

由美、日等国科学家发起的国际Argo计划已经走过了10个年头,由3000多个自动剖面浮标组成的全球Argo实时海洋观测网也已于2007年10月末正式建成,成为全球海洋观测系统的重要支柱,迄今在全球海洋0—2000m深度范围内获取的温度、盐度和海流剖面资料总数已达56万余条,并正以每年10万条剖面以上的速度增加。随着Argo资料数量的快速增加和质量的不断提高。它们在海洋和大气等多个领域科学研究和业务活动中的应用也得到了长足发展,正有效地改变着人们对许多重大自然环境问题的认识,提高了人们对重大海洋和天气事件的预测预报能力。我国于2001年正式加入该计划,已经初步建立起我国的Argo大洋观测网,并在Argo资料的接收、处理和质量控制等方面积累了丰富的经验。但是,与其他国家相比,无论在重视程度和投入力度方面都还存在较大的差距。急需整合资源和力量,强化我国Argo大洋观测网的建设及其资料的应用研究,为应对全球气候变化做出更大的贡献。     

关于我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究进展

鉴于我国旱涝等重大气候灾害发生频繁且造成严重经济损失,开展我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究不仅具有重大科学意义,而且是适应国家社会和经济发展的需求,具有重大应用价值."我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究"项目经过前两年的研究,很好地完成了预期的科学目标,并在几个方面取得重大进展.本项目对气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是对东亚气候系统各子系统的变化及其相互作用作深入分析研究,提出"东亚气候系统"、"东亚季风-暖池-ENSO循环相互作用"以及"高原大气热力适应"等与我国重大气候灾害形成机理有关的新理论,并在ENSO循环机理和数值模式研究取得突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出我国跨季度气候异常的数值预测模型,成功地预测了我国1 998-2000年夏季发生的严重旱涝气候灾害;项目成功进行了"我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验",获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,为今后3年的研究和最终完成项目5年的科学目标奠定了坚实的理论和数值模型基础.     

全球增暖1.5℃下东亚气候系统的响应及其情景预估

巴黎协议提出将全球平均气温升幅控制在较工业化前2℃之内,并力争限制在1.5℃。因此,准确理解刻画增暖1.5℃下东亚气候系统响应机理及其精细结构,提高中国气候和极端事件预估的可靠性,设计优化增温1.5℃目标下我国碳减排方案,已成为全球变化及应对研究的核心内容和紧迫全新挑战之一。面对紧迫需求,项目拟围绕"全球增暖1.5℃下东亚气候系统的区域响应机制和精细结构、未来预估及其对我国碳减排放方案的影响"这一核心主题开展多学科交叉集成研究,并提出了4大重点研究内容,它们是:全球增暖1.5℃下年代际变化机理、预测及碳排放路径试验,东亚季风系统对全球增暖的响应及其机理,基于动力降尺度的东亚气候响应的精细结构及高敏感区,增暖1.5℃下中国气候和极端事件的集成预估及碳排放路径优化。     

基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究进展

大气中CO_2浓度上升是全球气候变暖的重要原因,陆地生态系统碳汇显著减缓了大气中CO_2浓度上升和全球变暖的速度,但具有明显的时空变异性。全球碳同化系统是精确监测全球不同地区陆地生态系统碳汇的有效技术手段。本文将介绍全球碳同化系统的发展动态,国家重点研发计划项目"基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究"的目标和主要研究内容,以及已经取得的主要进展,并展望了未来应用前景。     

编者按

<正>2017年,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项围绕实施方案的五大研究任务,即"全球变化综合观测、数据同化与大数据平台建设及应用""全球变化事实、关键过程和动力学机制研究""地球系统模式研发、预测和预估""全球变化影响与风险评估研究""减缓和适应全球变化与可     

浪-潮-流耦合数值模式突破上层海洋数值模拟与实测不符难题

占地球表面积 71%的上层海洋是人类活动最活跃的区域之一 ,并直接影响、调制着全球气候变化。数值模拟是研究上层海洋动力过程和海洋环境预测预报的重要手段 ,但国际上所有海洋数值模式都面临着同一经典难题 :夏季所模拟的海洋表面海温过高、上混合层深度太浅、海洋跃层强度偏低 ,该问题的实质是海洋的垂直混合强度不够。过去的研究由于受到理论发展和计算能力的限制 ,一直将相互作用的海洋环流、潮流、波浪分别单独研究。国家海洋局海洋环境科学和数值模拟重点实验室 (MASNUM )在 973计划项目“中国近海环流形成和变异机理、数值预测方…     

年代际气候事件的归因及预估研究进展

年代际气候变化对人类生存环境具有重要的影响,会引发一系列重大灾害事件,造成严重的生命财产损失,危及人类粮食和水资源安全。因此,研究年代际气候变化的规律,预知年代际重大气候事件,是人类社会可持续发展的迫切需求。基于此,国家重点研发计划全球变化及应对重点专项项目"气候多尺度变化与年代际重大事件的归因及预估"于2016年7月正式立项。该项目旨在:(1)厘清全球气候多尺度变化的时空格局及年代际气候变化的规律;(2)揭示人类活动和多尺度气候变率对气候整体变化的作用及不同尺度气候变化的主控因子;(3)认识人类活动对年代际气候变化的调制作用,诊断年代际重大气候事件的早期信号。本文将对该项目2016～2018年取得的主要进展进行总结。