一個(gè)新型高分辨率區(qū)域海氣耦合模式的檢驗(yàn)研究

全球氣候變化的大背景下，區(qū)域氣候如何響應(yīng)以及超強(qiáng)臺風(fēng)事件頻發(fā)，是近年來區(qū)域氣候和極端天氣研究的熱點(diǎn)問題，其中大氣與海洋的相互反饋機(jī)制又是研究區(qū)域問題的難點(diǎn)之一。本項(xiàng)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(gè)基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式（FVCOM）和結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(jìn)行性能檢驗(yàn)和科學(xué)應(yīng)用。項(xiàng)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(rèn)可，多篇論文發(fā)表于國際主流期刊雜志，以下對本項(xiàng)目的研究過程和所取得的成果進(jìn)行簡要地總結(jié)： 1）根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃書進(jìn)度，RegCM3-FVCOM耦合模式的開發(fā)大約用時(shí)一年半（2012.01 - 2013.06），包括大氣和海洋模式的調(diào)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(jìn)度報(bào)告中匯報(bào)的模式截?cái)嗾`差。 2）中期進(jìn)度報(bào)告中我們曾發(fā)現(xiàn)海洋模式中存在截?cái)嗾`差，并且隨著海氣耦合的正反饋過程不斷放大，最后導(dǎo)致嚴(yán)重的計(jì)算誤差。我們一方面通過優(yōu)化代碼和提高計(jì)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(jìn)行，并成功應(yīng)用到東南亞季風(fēng)區(qū)海氣耦合的研究中。另一方面，我們同時(shí)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(diào)試，并將它成功應(yīng)用到中國沿海臺風(fēng)-海洋相互作用的研究中。也就是說，通過這一項(xiàng)目，我們建立了兩套高分辨率的海氣耦合模式，一個(gè)應(yīng)用于氣候尺度，一個(gè)應(yīng)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(yàn)到項(xiàng)目結(jié)題的一年半時(shí)間（2013.06-2014.12），我們將兩套耦合模式應(yīng)用到區(qū)域氣候和臺風(fēng)的科學(xué)研究，取得了很好的成果。截至目前為止，項(xiàng)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(nèi)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

氣候變化是世界關(guān)注的熱點(diǎn)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?qū)W家們的高度重視。近年來基于耦合器框架結(jié)構(gòu)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(qiáng)的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的區(qū)域耦合模式大多采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如正交網(wǎng)格）的海洋模式。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格雖然計(jì)算速度快，但對海岸線和地形的分辨度不高。本項(xiàng)目提出一個(gè)基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式（FVCOM）和結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠讓用戶根據(jù)實(shí)際海區(qū)狀況隨意調(diào)整分辨率,以適應(yīng)復(fù)雜的海岸線和地形條件。對FVCOM-RegCM3耦合模式進(jìn)行全面系統(tǒng)的檢驗(yàn)研究具有長遠(yuǎn)的意義，一方面它是該模式將來能夠應(yīng)用到實(shí)際問題的必要條件，另一方面也為復(fù)雜的區(qū)域氣候問題提供了多樣化的研究工具。

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(lián)系的冷暖水發(fā)展的認(rèn)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(qiáng)迫的變化，并發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)變過程中起到關(guān)鍵作用的滯后反饋。研究還指出，風(fēng)應(yīng)力通過Ekman抽吸所產(chǎn)生的作用和Rossby波、Kelvin波的傳播是影響溫躍層變率的兩個(gè)主要因素。

海洋和其上層大氣在多種時(shí)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(shù)在海氣相互作用方面的研究都把研究重點(diǎn)放在熱帶洋盆的表層海溫異常(SSTA)上，這是因?yàn)闊釒а笈璧谋韺雍睾驮S多大氣的遙相關(guān)、波列、氣候模態(tài)以及天氣形勢都密切相關(guān)。

至在Bjerknes(1966,1969)的理論假設(shè)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(xiàn)象緊密聯(lián)系。以往的研究中，基本上都關(guān)注太平洋東部或西部區(qū)域。例如，在時(shí)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(diǎn)集中在赤道西太平洋。諸多研究將大氣對海洋的影響重點(diǎn)放在表層海溫對表層風(fēng)場的響應(yīng)。

冬季，ENSO是許多大氣遙相關(guān)型和Rossby駐波波列的較多表現(xiàn)季節(jié)。這里，為了更好的理解和ENSO有關(guān)的海氣相互作用，不僅僅需要分析表層風(fēng)場和表層海溫場，還需要研究對流層整層風(fēng)矢量和整個(gè)海洋上層的熱力狀況。從動力學(xué)觀點(diǎn)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(yīng)該在同一個(gè)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(jìn)行熱力性質(zhì)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