一种基于过程的嵌入式气候模式偏差诊断方法

The Coupled Feedback-Response Analysis Method (CFRAM) proposed by the author of this proposal has been widely accepted by the international climate research community and applied in analyzing the climate change and variability, though most of them were in a form of off-line diagnositcs. Here we propose to emded the CFRAM in climate models so as to detect the sources of climate model biases in the context of interlinkage of the physical processes, particularly via the 3D structure of energy cycle in the climate system. The proposed research aims to provide an efficient method to improve the physical parameterization in climate models by analyzing the 3-dimensional structure of the total energy balance, including the diabatic heating, energy transport, and numerical diffusion, etc. Based on the embedded method and proposed model-tuning experiments designed for reducing the "double ITCZ " and "tropical low-cloud " biases, the proposed research also seeks a theoretical explanation for the improvement in model performance in the context of the interaction between local and non-local physical and dynamcial processes.

申请人提出的耦合反馈响应分析方法（CFRAM）已经在国际和国内得到广泛接受和采用，但一般仅限于离线的气候反馈分析使用。本项目提出将CFRAM嵌入到气候模式中，以在线的方式对气候模式模拟的不确定性和偏差进行分析。项目的目标在于为气候模式及其相关物理过程参数化的改进和发展提供一种新的有效方法。通过对气候模式中能量平衡三维特征信息（包括和物理过程相关的非绝热加热、能量输送和数值耗散等）的提取和分析，更全面地理解造成模式偏差的原因，直接为气候模式的发展服务。在此基础上，提出在双赤道辐合带和热带低云偏差改进的参数优化试验中局地和远程物理和动力过程之间联系的理论分析和解释。

我们成功地将CFRAM方法嵌入到气候模式FGOALS的FAMIL中，并在此基础上开展了和气候模式偏差及气候动力学机制相关的理论和模拟研究。我们的主要发现包括：.（1）提出了关于赤道辐合带（ITCZ）和热带海洋北赤道逆流（NECC）关系的新理论，以及为什么ITCZ能在北半球成带状分布的新理论解释。这一研究为理解气候模式中双ITCZ的成因提供了一个新角度;. (2) 提出了气候模式偏差的极地和地形放大现象，并解释了其物理成因，指出了不同物理过程跨季节联系在其中的重要性；. (3) 提出了诊断对气候偏差起重要作用的瞬变罗斯贝波相速度的新方法，并发现其并不随气候变暖而有明显变化；. (4) 比较了青藏高原和北极混合相云及其辐射效应的垂直结构和季节性的不同特征，为减少其对模式偏差的影响提供观测基础；.（5）提出了对流层快速调整物理成因的新的理论解释；.（6）提出了一个预测耦合气候模式海表温度偏差的方法。