全球高分辨率气候系统模式研制和应用

It is one of the most important pathways for development and improvement of climate system model to increase the spatial resolution and improve the corresponding physical parameterization schemes, it is also very important for understanding climate change and improving climate prediction skill. Based on the high resolution ocean model LICOM and atmosphere model FAMIL developed at Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences (CAS), the applicant and his colleagues will improve dynamical framework and physical parametrization schemes of both atmosphere and ocean models, then coupled them with CLM land model land and CICE sea ice model via a flux coupler, and carry out extended numerical simulations, and participate the international high resolution climate model intercomparison project (HiResMIP) of the coupled model intercomapriosn project phase 6 (CMIP6). Having compared multi-model simulations from HiResMIP, we will emphasize the impact of horizontal resolution on mean state and ENSO and its mechanism, and evaluate the performance of those high resolution models to reproduce multi-scale air-sea interaction.

提高气候模式空间分辨率并改进相应的物理参数化过程,是改善模式性能的重要途径之一,对于认识气候变化规律、提高气候预测能力具有重要作用.申请者及其合作者拟在中国科学院大气物理研究所研发的高分辨率海洋模式LICOM和大气模式FAMIL基础上,进一步改进模式的动力框架和物理参数化过程, 然后通过耦合器将上述大气和海洋模式与引进的陆面(CLM)和海冰模式(CICE)耦合在一起，建立高分辨率耦合气候系统模式（大气和陆面模式水平分辨率为25公里，海洋和海冰模式为10公里),进行长期数值模拟试验,并参与国际耦合模式比较计划（CMIP6）高分辨率气候模式比较子计划（HiResMIP）.通过对比分析国际上不同高分辨率耦合模式结果，重点研究分辨率对气候平均态和ENSO的影响及其机理，评估高分辨率气候模式对多尺度海气相互作用过程的模拟能力.

近年来全球气候模式的发展主要集中在两个方向，一是发展包含完整的物理、化学、地球生物化学过程的地球系统模式，二是发展高分辨率的物理气候系统模式。因此在最新的国际耦合模式比较计划第六阶段CMIP6，专门设立了一组高分辨率模式比较子计划HiresMIP。本项目的重点就是自主研制高分辨率耦合气候系统模式.项目组在中国科学院大气物理研究所自主研发的海洋环流模式LICOM和大气环流模式FAMIL基础上，进一步改进大气和海洋模式的动力框架和物理参数化过程,其中包括：将大气模式水平分辨率提高到25公里、海洋模式分辨率提高到10公里、优化了耦合模式大规模并行算法、完善了大气模式云微物理参数化方案和海洋模式的垂直混合和水平粘性方案。然后通过耦合器将上述改进后的大气和海洋模式耦合在一起，建立高分辨率耦合气候系统模式FGOALS-f3-H，并完成进行了长期数值模拟试验，其中包括1950-2014年高分辨率大气模式AMIP试验和高分辨率海洋模式OMIP试验，以及耦合模式100年对照试验、1950-2014年历史气候变化试验和2015-2050年RCP8.5未来情景预估试验等，并将上述试验结果提交给国际耦合模式比较计划（CMIP6）高分辨率气候模式比较子计划（HiResMIP）。在参与HiresMIP试验的十余个模式里面，FGOALS-f3-H无论是大气模式还是海洋模式的水平分辨率都是最高的，国际上能达到同样分辨率的耦合模式仅有4个。通过高低分辨率耦合模式的对比分析，可以发现分辨率提高之后，耦合模式模拟的气候平均态、年际变化和长期气候变化均有显著改进。模式改进的主要原因在于，低分辨率大气和海洋环流模式必须通过物理参数化过程反映海洋和大气环流中中尺度动力过程在气候系统中的作用，分辨率大气和海洋模式可以直接模拟这些过程，从而显著地减少了模式的不确定性。