一個新型高分辨率區(qū)域海氣耦合模式的檢驗研究項目摘要

氣候變化是世界關注的熱點問題之一，海洋和大氣作為氣候系統(tǒng)的兩大重要組成部分,其相互作用一直以來都受到氣候學家們的高度重視。近年來基于耦合器框架結構的區(qū)域海氣耦合模式逐漸成為研究區(qū)域中小尺度海氣相互作用的重要工具。與全球耦合模式相比，區(qū)域耦合模式具有分辨率高，針對性強的特點?，F有的區(qū)域耦合模式大多采用結構化網格（如正交網格）的海洋模式。結構網格雖然計算速度快，但對海岸線和地形的分辨度不高。本項目提出一個基于非結構網格海洋模式（FVCOM）和結構網格大氣模式（RegCM3）的新型高分辨率區(qū)域海氣耦合模式。靈活多變的非結構網格能夠讓用戶根據實際海區(qū)狀況隨意調整分辨率,以適應復雜的海岸線和地形條件。對FVCOM-RegCM3耦合模式進行全面系統(tǒng)的檢驗研究具有長遠的意義，一方面它是該模式將來能夠應用到實際問題的必要條件，另一方面也為復雜的區(qū)域氣候問題提供了多樣化的研究工具。

全球氣候變化的大背景下，區(qū)域氣候如何響應以及超強臺風事件頻發(fā)，是近年來區(qū)域氣候和極端天氣研究的熱點問題，其中大氣與海洋的相互反饋機制又是研究區(qū)域問題的難點之一。本項目針對區(qū)域氣候和天氣的海氣耦合過程研究，提出開發(fā)一個基于非結構網格海洋模式（FVCOM）和結構網格大氣模式（RegCM3）的新型高分辨率區(qū)域海氣耦合模式，并對該耦合模式進行性能檢驗和科學應用。項目執(zhí)行3年以來，完成情況良好，研究成果得到國際同行的認可，多篇論文發(fā)表于國際主流期刊雜志，以下對本項目的研究過程和所取得的成果進行簡要地總結： 1）根據項目計劃書進度，RegCM3-FVCOM耦合模式的開發(fā)大約用時一年半（2012.01 - 2013.06），包括大氣和海洋模式的調試，耦合框架的搭建，耦合器并行化處理和優(yōu)化，其中糾正了中期進度報告中匯報的模式截斷誤差。 2）中期進度報告中我們曾發(fā)現海洋模式中存在截斷誤差，并且隨著海氣耦合的正反饋過程不斷放大，最后導致嚴重的計算誤差。我們一方面通過優(yōu)化代碼和提高計算精度有效地抑制了誤差增長，使得RegCM3-FVCOM的開發(fā)得以繼續(xù)進行，并成功應用到東南亞季風區(qū)海氣耦合的研究中。另一方面，我們同時組織人員測試了不同的海洋和大氣模式試圖尋找替代的模式組合，在這一過程中，我們完成了另外一套區(qū)域海氣耦合模式WRF-POM的調試，并將它成功應用到中國沿海臺風-海洋相互作用的研究中。也就是說，通過這一項目，我們建立了兩套高分辨率的海氣耦合模式，一個應用于氣候尺度，一個應用于天氣尺度，并都取得了很好的研究成果。 3）從完成模式開發(fā)和檢驗到項目結題的一年半時間（2013.06-2014.12），我們將兩套耦合模式應用到區(qū)域氣候和臺風的科學研究，取得了很好的成果。截至目前為止，項目申請人以第一作者或通訊作者共發(fā)表論文4篇，其中國外SCI論文3篇，國內核心期刊1篇，2篇文章在審稿中。以合作作者發(fā)表國外SCI論文1篇。 2100433B

如果要更好的理解ENSO循環(huán)，加深對與溫躍層深度變率密切聯系的冷暖水發(fā)展的認識也是非常重要的。與表層海溫異常相比，延遲的次表層熱力異常能更好地記憶大氣強迫的變化，并發(fā)現一種可能在使海氣耦合系統(tǒng)從暖位相到冷位相(或從冷位相到暖位相)轉變過程中起到關鍵作用的滯后反饋。研究還指出，風應力通過Ekman抽吸所產生的作用和Rossby波、Kelvin波的傳播是影響溫躍層變率的兩個主要因素。

海洋和其上層大氣在多種時間尺度上發(fā)生著相互作用，而Walker環(huán)流、Hadley環(huán)流、大氣Rossby波列、海洋Kelvin波和海洋Rossby波都是這一耦合系統(tǒng)的重要成員。大多數在海氣相互作用方面的研究都把研究重點放在熱帶洋盆的表層海溫異常(SSTA)上，這是因為熱帶洋盆的表層海溫和許多大氣的遙相關、波列、氣候模態(tài)以及天氣形勢都密切相關。

至在Bjerknes(1966,1969)的理論假設中，Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流都和沿赤道的表層海溫梯度以及熱帶太平洋的加熱現象緊密聯系。以往的研究中，基本上都關注太平洋東部或西部區(qū)域。例如，在時滯振蕩理論中把海氣相互作用研究集中在赤道中東太平洋，而Recharge振蕩理論把焦點集中在赤道西太平洋。諸多研究將大氣對海洋的影響重點放在表層海溫對表層風場的響應。

冬季，ENSO是許多大氣遙相關型和Rossby駐波波列的較多表現季節(jié)。這里，為了更好的理解和ENSO有關的海氣相互作用，不僅僅需要分析表層風場和表層海溫場，還需要研究對流層整層風矢量和整個海洋上層的熱力狀況。從動力學觀點來看，海洋上層的Rossby波、Kelvin波和對流層中的Hadley環(huán)流、Walker環(huán)流應該在同一個動力框架中加以考慮。在這一框架中，海洋上層的熱含量異常通過Rossby波、Kelvin波來進行熱力性質的能量輸送，而Hadley環(huán)流、Walker環(huán)流則在大氣中重新分配這些能量。 2100433B