高分辨率陆-气耦合气候系统模式研制及在青藏高原区域的模拟性能评估

The Tibetan Plateau (TP) plays an important role on both weather and climate, the high-resolution climate system model is an necessary tool to study the impacts of TP. This project will integrate, coordinate, and widen the studies of perfecting the regional and global climate system models over TP in the NSFC Major Research Plan “Variation of the Land-air Coupling System over the Tibetan Plateau and Its Global Climate Impact”. Based on the current progresses of this aspect, the project will develop a high-resolution climate system model with Land-Atmosphere coupling and evolute its performances in the Tibetan Plateau regions. The next generation model is featured with : ①using the flexible resolutions（25km in the land model, while 25~100km in the atmospheric model），and realizing the higher resolutions in the land component ;②achieving to resolve convectional precipitation scheme in FAMIL reanalysis ;③introducing the 3D radiational effect of topography;④coupling a Lake model in FAMIL and FGOALS-f；⑤introducing the thermal scheme of the soil temptation and the soil water with roots over High-cold regions；⑥perfecting the moisture processes in model physics. In order to improve the modeling performances in TP regions, we improved the horizontal resolutions and model physics, and reproduced the distribution of precipitation on the southern edge of TP. Finally, carrying on the CMIP6 GMMIP runs about the role of TP, to further clarify the impacts of TP on both local regions and the downstream regions of Asian summer monsoon.

青藏高原对天气和气候有重要影响，高分辨率气候系统模式是研究高原影响不可或缺的工具。本项目将围绕重大研究计划中模式发展的科学目标“完善青藏高原区域和全球气候系统数值模式”，集成、协调和拓广研究内容，提升研究成果。拟在集成现有研究的基础上，研发高分辨率陆-气耦合气候系统模式并评估模式在青藏高原区域的模拟性能。新一代模式特点：①使用灵活的水平分辨率（陆面25公里，大气25~100公里），实现陆面网格单独加密；②实现显式计算积云对流降水;③考虑三维地形辐射效应；④耦合青藏高原湖泊模型；⑤引进高寒草原含根土壤水热性质参数化方案；⑥完善大气湿过程物理模块计算。通过提高分辨率、完善大气和陆面过程及不确定性研究的成果，提升高分辨率气候系统模式在青藏高原区域的模拟性能，再现青藏高原陡峭地形区降水分布特征。最后，通过CMIP6全球季风比较计划青藏高原试验，阐明青藏高原对亚洲夏季风形成的影响。

集成现有重大计划的模式研发成果，研发高分辨率陆-气耦合气候系统模式，评估模式在青藏高原的模拟性能，积极开展研发模式的应用，服务于国家重大需求。项目在如下3方面取得显著进展。. 模式集成发展方面：研发新一代高分辨率陆-气耦合气候系统模式FGOALS-f2/3-H，实现了陆面网格单独加密至25km、显式计算对流降水、增加三维地形辐射效应，发展隐式次网格凝结方案、完善干对流调整过程、考虑高原湖泊效应模型，改进了高原含根土壤水热属性算法，准确再现了高原地区的地表热力交换情况。模式集成程序利用分布式版本控制系统Git管理模式代码，利于研发人员频繁升级和维护模式系统，实现模式研发的可持续发展。模式代码修改涉及30个文件、2842处修改和840处删除，新增2套高分辨率输入数据资料集。 ..模式评估方面：按CMIP6要求，采用集成了新方案的模式完成了5套标准AMIP试验：标准试验、陆地加密、三维辐射、高原湖泊和高原含根土壤水热参数化试验，实现数据共享。评估表明，提高分辨率和完善高原物理过程参数后，模式模拟陆气通量更为合理，高原南坡降水误差进一步缩小，亚洲夏季风的副热带锋区降水得到加强，季风区的降水分布特征得到改善。在高分辨率模式比较计划的评估中，新版本模式对青藏高原和下游地区极端小时降水的模拟性能，相较于其它CMIP6模式不能抓住极端小时降水的现状，还能够较准确再现青藏高原南坡陡峭地区的极端小时降水发生的分布特征，亚洲季风区的降水日变化特征模拟能力显著增强。..模式应用方面：基于项目支持的模式系统完成CMIP6 DECK、GMMIP青藏高原试验、HighResMIP高分辨率模式比较试验和GEWEX发起的“陆表温度及雪盖初始化对S2S预测的影响研究计划”LS4P，产生8套项目相关的数据集，通过地球系统模式节点联盟向全球共享青藏高原子计划和高分辨率试验结果。利用项目研发的模式建立新一代S2S预测系统，每日实时发布“青藏高原及其周边地区”气温、降水和环流异常预测信息，同时预测数据在中国气象局气候中心、水利部信息中心和自然资源部海洋环境预报中心等3家国家级业务中心实现业务化应用，服务防灾减灾领域的国家重大需求。在国际合作方面，于2020年成功助力一带一路国家失火油轮的救援工作，得到我国驻外大使馆的赞扬。