气象学报  2020, Vol. 78 Issue (3): 332-350   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2020.029
中国气象学会主办。
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周天军, 陈梓明, 邹立维, 陈晓龙, 俞永强, 王斌, 包庆, 鲍颖, 曹剑, 何编, 胡帅, 李立娟, 李建, 林岩銮, 马利斌, 乔方利, 容新尧, 宋振亚, 唐彦丽, 吴波, 吴统文, 辛晓歌, 张贺, 张明华. 2020.
ZHOU Tianjun, CHEN Ziming, ZOU Liwei, CHEN Xiaolong, YU Yongqiang, WANG Bin, BAO Qing, BAO Ying, CAO Jian, HE Bian, HU Shuai, LI Lijuan, LI Jian, LIN Yanluan, MA Libin, QIAO Fangli, RONG Xinyao, SONG Zhenya, TANG Yanli, WU Bo, WU Tongwen, XIN Xiaoge, ZHANG He, ZHANG Minghua. 2020.
中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估
Development of climate and earth system models in China: Past achievements and new CMIP6 fesults
气象学报, 78(3): 332-350.
Acta Meteorologica Sinica, 78(3): 332-350.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2020.029

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2019-09-20 收稿
2020-01-19 改回
中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估
周天军1,2 , 陈梓明1,2 , 邹立维1 , 陈晓龙1 , 俞永强1 , 王斌1 , 包庆1 , 鲍颖3 , 曹剑4 , 何编1 , 胡帅1,2 , 李立娟1 , 李建5 , 林岩銮6 , 马利斌4 , 乔方利3 , 容新尧5 , 宋振亚3 , 唐彦丽1 , 吴波1 , 吴统文7 , 辛晓歌7 , 张贺8 , 张明华8     
1. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京,100029;
2. 中国科学院大学地球与行星科学学院,北京,100049;
3. 自然资源部第一海洋研究所,青岛,266061;
4. 南京信息工程大学大气科学学院,南京,210044;
5. 中国气象科学研究院,北京,100081;
6. 清华大学,北京,100084;
7. 国家气候中心,北京,100081;
8. 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心,北京,100029
摘要: 地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。
关键词: 中国地球气候系统模式    耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)    模拟性能    气候预测与预估    未来展望    
Development of climate and earth system models in China: Past achievements and new CMIP6 fesults
ZHOU Tianjun1,2 , CHEN Ziming1,2 , ZOU Liwei1 , CHEN Xiaolong1 , YU Yongqiang1 , WANG Bin1 , BAO Qing1 , BAO Ying3 , CAO Jian4 , HE Bian1 , HU Shuai1,2 , LI Lijuan1 , LI Jian5 , LIN Yanluan6 , MA Libin4 , QIAO Fangli3 , RONG Xinyao5 , SONG Zhenya3 , TANG Yanli1 , WU Bo1 , WU Tongwen7 , XIN Xiaoge7 , ZHANG He8 , ZHANG Minghua8     
1. LASG,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;
2. College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;
3. First Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Qingdao 266061,China;
4. School of Atmospheric Science,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;
5. Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China;
6. Tsinghua University,Beijing 100084,China;
7. National Climate Center,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China;
8. International Center for Climate and Environment Sciences,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China
Abstract: The Earth-climate system model (ECSM) is an important platform for multi-disciplinary and multi-sphere integration research, and its development is at the frontier of international geosciences, especially in the field of global change study. The research and development (R&D) of ECSM in China began in the 1980s and great progress has been achieved in the past 10 years. In China, ECSMs are now mainly developed at the Chinese Academy of Sciences ,various ministries and universities; thus, a tripartite situation has formed regarding the model development. Following a brief review of the development history of ECSMs in China, this paper summarizes the technical characteristics of the nine Chinese ECSMs participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 and preliminarily assesses the basic performances of four Chinese models in global climate simulation and climate simulation in East Asia. The projected changes in global precipitation and temperature and associated relationship with the equilibrium climate sensitivity under four shared socioeconomic path scenarios are also discussed. Finally, combined with the international situation and from the perspective of model development, eight directions are proposed for the future development of Chinese ECSMs.
Key words: Chinese Earth-climate system models    Coupled model inter-comparison project phase 6    Model performance    Climate prediction and projection    Outlook    
1 引 言

20世纪后半叶以来,现代气候学研究的一个重要进展是提出气候系统的概念,强调需要把大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈5个圈层作为一个整体来加以研究,从多圈层相互作用的角度来理解过去和现代气候的变化规律与机理,预测和预估其未来变化。与气候学研究范畴的拓展相对应,推动现代气候学研究的两大技术进步是数值模拟技术和卫星遥感技术。数值模拟技术已经和理论研究、观测研究共同成为支撑现代气候学研究的三大手段之一。

气候系统模式,简言之就是封装了大量自然定律的计算机程序,是对气候系统中物理、化学和生态过程的数学表达,它包括大气、海洋、陆面和海冰4个基础子系统。地球系统模式是在气候系统模式的基础之上,进一步考虑气候系统中的碳、氮循环等生物地球化学循环过程,其核心依然是大气-海洋-陆面-海冰多圈层耦合的物理气候系统。为便于讨论,文中将气候系统模式和地球系统模式泛称为地球气候系统模式。地球气候系统模式的研发工作需要基于对气候系统基本规律的认识,需要多学科交叉、高性能计算机和海量存储系统等高技术支撑。地球气候系统模式能够合理描述多圈层相互作用的物理和化学过程,使得大气科学和地球气候系统科学成为一门“可实验的科学”。地球气候系统模式是近30余年来地学领域发展最快的一个前沿方向,已经成为理解气候变化机理的重要工具和预测、预估未来气候的不可或缺的手段。

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿,模式发展水平的高低已经成为衡量一个国家科技综合实力的重要指标之一。世界上多数发达国家先后启动国家级的模式研发计划,以推动本国气候模式的发展和应用(王斌等,2008)。美国制定了《推动气候模拟的美国国家战略》,明确指出“气候模式是人类发展的最为复杂的模拟工具之一,是理解和预测气候及其变化的基础,是支撑气候相关决策的重要工具。未来20年,美国气候模拟事业必须快速发展以适应国家需求、保持国际竞争力”(推动气候模拟国家战略委员会,2014),从中足见其重视程度。

中国的地球气候系统模式研发工作已经走过30余年的历史,目前已经进入快速发展期。文中在概述中国地球气候系统模式早期发展情况的基础上,重点对近5年的进展做了总结,并展望了中国地球气候系统模式的未来发展方向。

2 国际态势与中国气候系统模式研发的格局

过去40余年间,国际上气候模式的发展经历了以下几个阶段:(1)20世纪70年代中期,大气环流模式得到快速发展;(2)80年代中期,开始实现大气环流模式与陆面过程模式的耦合,而海冰则是给定的;(3)90年代初期,大气环流模式实现与“沼泽”海洋耦合,并用于政府间气候变化专门委员会(IPCC)第1次评估报告的气候预估试验;(4)1995年前后,大气环流模式开始考虑硫酸盐气溶胶和火山气溶胶,开始纳入完整的海洋环流模式,海-陆-气-冰耦合模式开始用于IPCC第2次评估报告的气候预估试验;(5)2001年前后,陆面模式引入径流过程以闭合水循环,大气模式对气溶胶的处理日臻完善,海洋模式能够描述经圈翻转环流,许多模式开始考虑气候系统中的碳循环过程,支撑IPCC第3次评估报告的模式系统较之以往物理过程考虑更为完善;(6)2007年前后,陆面模式开始引入动态植被,大气模式开始考虑大气化学过程,并支撑了IPCC第4次评估报告的气候预估试验。在这个阶段,海-气耦合技术的一个重要进步是多数模式无需再使用“通量订正”技术;(7)2013年前后,气候系统模式逐步进入地球系统模式阶段,具体体现是海洋模式的生态系统模块、陆面模式的全球植被动力学模块对生物地球化学循环过程的模拟能力得到全面提升。

在上述每个阶段,伴随着高性能计算机的性能提高,模式的分辨率也不断得到提高,但进展最快的还是最近5年,大气模式逐渐向对流分辨尺度、海洋模式逐渐向涡旋分辨方向发展。

全球范围内,世界气候研究计划(WCRP)在推动气候模式发展和应用领域的国际协作方面发挥了举足轻重的作用。由WCRP耦合模拟工作组(WGCM)发起的耦合模式比较计划(CMIP),自1995年以来已经组织了6次,在制定气候模式试验和模式检验标准、统一数据格式、规范数据共享国际机制等方面发挥了不可替代的作用。CMIP数据被广泛地应用于国际气候研究,支撑了IPCC评估报告的编写和气候变化谈判活动。

中国的气候模式发展始于20世纪80年代,几乎与发达国家同步。经过30多年的努力,中国在大气环流模式、海洋环流模式、陆面过程模式及其相互耦合等方面取得了令人瞩目的成绩(王斌等,2008)。与模式发展对应,研发队伍不断壮大。以参加历次IPCC科学评估报告和CMIP计划的中国模式(表1)为例,可以清晰地看出中国气候系统模式研发的格局变化。IPCC第1次评估报告(FAR)补充报告于1992年发布,参与的中国模式是中国科学院(CAS)大气物理研究所(IAP)发展的一个2层大气耦合混合层海洋模式(Wang,et al,1993);IPCC第2次评估报告(SAR)于1995年发布,参与的中国模式是中国科学院大气物理研究所发展的20层海-气耦合模式(M+20),其中在海洋模式中加入了一个热力学海冰模式,海-气耦合过程采用了“通量订正”技术(Zhang,et al,1992陈克明等,1997a1997b);随后基于20层海洋模式和9层大气环流谱模式建立了一个海-陆-气-冰耦合模式GOALS,GOALS第2版(GOALS2)参与了第1次国际耦合模式比较计划CMIP1(吴国雄等,1997Yu,et al,1998);IPCC第3次评估报告(TAR)于2001年发布,引用了CMIP2的模式结果,参与的中国模式是中国科学院大气物理研究所发展的海-陆-气-冰耦合模式GOALS4,较之GOALS2主要完善了太阳辐射的日变化(邵慧等,1998)和海-气耦合的淡水通量交换过程(周天军等,2000);IPCC第4次评估报告于2007年发布,引用了CMIP3的模式结果,参与的中国模式是中国科学院大气物理研究所发展的气候系统模式FGOALS-g1.0,它基于耦合器框架在中国首次实现了无“通量订正”的直接耦合(Yu,et al,2004)。从IPCC第1次评估报告到第4次评估报告的近20年间,来自中国科学院的气候系统模式支撑着中国参与气候模拟和预估领域的国际竞争。从CMIP1到CMIP3,参与的国际模式数量从10个逐渐增加到18和23个,中国科学院的模式是唯一来自发展中国家的模式(周天军等,2014)。这种研发格局在CMIP5得到根本性改变。

表 1  参加第1到第4次IPCC科学评估报告的中国模式 Table 1  The models from China used for IPCC AR1-4
IPCC CMIP 模式名称 大气模式水平分辨率 海洋模式分辨率
FAR IAP 4°×5°,L2 混合层海洋模式
SAR CMIP1 GOALS2 4°×5°,L2 4°×5°,L20
TAR CMIP2 GOALS4 R15(4.5°×7.5°),L9 4°×5°,L20
AR4 CMIP3 FGOALS-g1.0 2.8°×2.8°,L26 1.0°×1.0°,L30
 *FAR:第1次评估报告,SAR:第2次评估报告,TAR:第3次评估报告,AR4:第4次评估报告。

IPCC第5次评估报告于2013年发布,引用了CMIP5的模式结果。参与CMIP5的全球模式有35个,其中有6个来自中国(表2),分别是:中国科学院大气物理研究所气候系统模式FGOALS-g2(Li,et al,2013)和FGOALS-s2(Bao,et al,2013)、国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1及其包含碳循环的版本BCC_CSM1.1(m)(Wu,et al,2014)、北京师范大学地球系统模式BNU-ESM(Ji,et al,2014)、国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM(Qiao,et al,2013),其中BNU-ESM和FIO-ESM都是基于第3版的公共气候系统模式(CCSM3)(Collins,et al,2006)发展的,前者更新了海洋环流模式并引入自主发展的陆面模式,而后者首次将小尺度海浪通过垂向混合作用引入气候系统模式,发现海浪在上层海洋和气候中起控制作用(周天军等,2014)。参与CMIP的中国模式数量从1到5的转变,反映的是模式研发队伍的壮大,中国气候模式研发的格局,自此也从中国科学院一枝独秀进入中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面,这一格局在CMIP6中得到进一步加强(周天军等,2019)。

表 2  参加IPCC第5次科学评估报告和CMIP5的中国模式 Table 2  The models from China participated in CMIP5 and used for IPCC AR5
模式名称 所属机构 大气模式分辨率 海洋模式分辨率
BCC_CSM1.1 BCC 2.8°×2.8° 0.8°×1.0°
BCC_CSM1.1(m) BCC 1.1°×1.1° 0.8°×1.0°
BNU-ESM BNU 2.8°×2.8° 0.9°×1.0°
FGOALS-g2 LASG-CESS 3°×2.8° 0.9°×1.0°
FGOALS-s2 LASG 1.7°×2.8° 0.9°×1.0°
FIO-ESM FIO 2.8°×2.8° 0.9°×1.0°
3 参加CMIP6的中国气候系统模式和地球系统数值模拟装置建设 3.1 参加CMIP6的中国气候系统模式

CMIP6自2013年开始设计、2016年正式启动,目前正在实施中。CMIP6将直接支撑IPCC第6次评估报告的编写。参与CMIP6的国际模式研发团队有33家,较之CMIP5新增13家,这33家机构注册参加CMIP6的模式版本有112个。中国有9家机构报名参加CMIP6,较之CMIP5新增的、首次参加CMIP的团队包括中国科学院地球系统模式团队、中国气象科学研究院、南京信息工程大学、清华大学和来自中国台湾的“中研院”环境变化研究中心(周天军等,2019)。

中国大陆参与CMIP6的气候模式数量尽管较之CMIP5显著增多,但研发机构的基本格局不变,即呈现中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。来自中国科学院的模式版本有3个,分别是CAS FGOALS-g3、CAS FGOALS-f3和CAS-ESM;来自中央部委的模式有3个,分别是国家气候中心的BCC-CSM及BCC-ESM,中国气象科学研究院的CAMS-CSM,来自自然资源部第一海洋研究所的FIO-ESM v2.0;来自高校系统的模式有3个,分别是北京师范大学地球系统模式BNU-ESM-1-1、清华大学地球系统模式CIESM和南京信息工程大学地球系统模式NESM v3。高校积极参与气候系统模式的研发是近5年中国气候系统模式研发领域的一个新动向,这对于模式研发人才的培养具有积极意义。文中参与CMIP6的中国模式的主要特点从其主要技术指标(表3)可见,其中的3个地球气候系统模式是以美国国家大气研究中心(NCAR)的公共地球系统模式(CESM)为基础改进而来,还有3个地球气候系统模式的海洋分量模式是基于美国地球物理流体力学实验室(GFDL)的模块化海洋模式(MOM)发展而来。其中北京师范大学的模式拟采用CMIP5的版本,在此前关于中国参与CMIP5模式的综述中已经介绍过(周天军等,2014),此处不再赘述。以下是其余9个模式版本的概况。

表 3  中国参与CMIP6的地球/气候系统模式技术指标概览 Table 3  Metrics of current earth/climate system models from China participated in CMIP6
模式名称      研发单位   大气模式    海洋模式   陆面模式 海冰模式 耦合器 
1 BCC-ESM1.0 国家气候中心 BCC-AGCM3-Chem
(T42,~280 km,L26)
MOM4-L40 gx1v1 BCC-AVIM2 SIS CPL5
BCC-CSM2-MR 国家气候中心 BCC-AGCM3-MR
(T106,~120 km,L46)
MOM4-L40 gx1v1 BCC-AVIM2 SIS CPL5
BCC-CSM2-HR
Wu et al,20192020
辛晓歌等,2019
国家气候中心 BCC-AGCM3-HR
(T266,45 km,L56)
MOM5-L50(0.25°) BCC-AVIM2 SIS CPL5
2 BNU-ESM-1-1
Ji,et al,2014
北京师范大学 CAM3.5
(2.8°[~280 km],L26)
MOM4p1(高纬度地
区1.0°,接近赤道加
密至0.3°,L40)
CoLM CICE4.1 CPL
3 CAMS-CSM
容新尧等,2019
中国气象科学
研究院
ECHAM5
(T106,~120 km,L31)
MOM4(高纬度地
区1.0°,赤道经向加
密至0.3°,L50)
CoLM SIS FMS-coupler
4 CAS-ESM 中国科学院大气物理研究所ICCES等 IAP AGCM5
(1.4°[~140 km],L35)
LICOM2(1.0°,赤道经
向加密至0.5°,L30)
CoLM CICE4.0 CPL7
5 CAS FGOALS-f3
包庆等,2019
中国科学院大气物理研究所
LASG
FAMIL2.2
(100 km,25 km,L32)
LICOM3
(1°/L30,0.1°/L55)
CLM4.0 CICE4 CPL7
6 CAS FGOALS-g3
唐彦丽等,2019
中国科学院大气物理研究所
LASG
GAMIL3
(2°[~200 km],L26)
LICOM3(1.0°,赤道经
向加密至0.5°,L30)
CAS-LSM CICE4 CPL7
7 CIESM
林岩銮等,2019
清华大学地球
系统科学系
Modified CAM5
(~100 km,L30)
POP2(1°,L60) CLM4.0 CICE4.1 C-coupler2
8 FIO-ESM v2.0
宋振亚等,2019
自然资源部第一
海洋研究所
CAM5(~100 km,L30) POP2(高纬度地区1.1°,赤道地区加密为
0.3°—0.5°,L61)
CLM4.0 CICE4 CPL7
9 NESM v3
曹剑等,2019
南京信息
工程大学
ECHAM v6.3
(T63,~200 km,L47)
NEMO v3.4(高纬度地
区1.0°,赤道地区加
密至0.3°,L46)
JABACH CICE4.1 OASIS3-MCT
10 TaiESM 台湾“中研院”环境变化研究中心 CAM5.3
(~100 km,~200 km,L30)
POP2(1.0°,L70) CLM4.0 CICE4.0 CPL7

国家(北京)气候中心(BCC)参与CMIP6的新版本模式包括地球系统模式BCC-ESM1.0、中等分辨率气候系统模式BCC-CSM2-MR和高分辨率气候系统模式BCC-CSM2-HR。3个模式中的海冰模式分量均为GFDL的海冰模式SIS,陆面模式分量均为BCC-AVIM2。相对BCC-AVIM1.0,BCC-AVIM2改进了土壤冻融临界温度方案、积雪反照率方案,在植被生长模块增加水稻田方案等(Li W P,et al,2019)。BCC-ESM1.0和BCC-CSM2-MR模式的海洋分量模式为MOM4-L40,采用三极网格,在热带区域分辨率为0.3°,从热带到极地分辨率逐渐降低到1°。BCC-CSM2-HR模式的海洋分量为MOM5-L50,分辨率为0.25°。BCC-ESM1.0、BCC-CSM2-MR和BCC-CSM2-HR模式的大气模式分量存在较大差别。BCC-ESM1.0中的大气模式分量为BCC-AGCM3-Chem,水平分辨率为T42(~280 km),垂直方向为26层,模式层顶为2.917 hPa,加入了大气化学模块以及气溶胶过程。BCC-CSM2-MR的大气模式分量为BCC-AGCM3-MR,水平分辨率为T106(~120 km),垂直分层提高到46层,模式层顶为1.459 hPa。BCC-AGCM3-MR对大气辐射、深对流过程和重力波方案进行了改进,引入了气溶胶间接效应(Wu,et al,2019。BCC-CSM2-HR的大气模式分量为BCC-AGCM3-HR,大气模式水平分辨率为45 km,垂直分层提高到56层,模式层顶为0.1 hPa。具体细节参见辛晓歌等(2019)

中国气象科学研究院研发的气候系统模式CAMS-CSM,其大气分量由德国马普气象研究所的ECHAM5(v5.4)改进而来,模式水平分辨率为T106(~120 km),垂直方向31层,模式顶为10 hPa。相较于ECHAM5,CAMS-CSM大气模式的主要改进包括:(1)水汽平流采用了跳点格式的两步保形平流方案;(2)辐射方案采用了国家气候中心发展的相关k分布辐射传输方案BCC_RAD。CAMS-CSM海洋分量为GFDL的MOM4。MOM4采用三极格点,纬向分辨率为1°,经向分辨率在10°S—10°N为(1/3)°,10°S(N)—30°S(N)由(1/3)°逐渐过渡到1°,其他区域为1°。垂直方向共50层,其中最上面23层分辨率为10 m。海冰分量为GFDL的SIS。陆面分量为Common Land Model(CoLM),并在CoLM模式中考虑了土壤未冻水过程。具体细节可见容新尧等(2019)

中国科学院地球系统模式CAS-ESM的大气分量是IAP第5代大气环流模式IAP AGCM5,其水平分辨率为1.4°(~140 km)。相比第4代大气环流模式IAP AGCM4(Zhang,et al,2013),IAP AGCM5的垂直分辨率由30层提高到35层,设计了高纬度灵活性跳点格式以替换滤波;物理过程方面,设计了全新的基于双烟流模式的对流参数化方案及新的云宏观物理参数化方案,对云微物理参数化方案(Xie,et al,2015)及大气边界层参数化方案进行了改进,并采用考虑次网格地形分布的新的地形重力波参数化方案。海洋分量模式LICOM2,水平分辨率为1.0°、赤道经向加密至0.5°,设计了考虑实盐通量的适定的盐度边界条件,引入新的海气湍流通量计算方案—Fairall方案。陆面模式分量为CoLM,发展了多层土壤有机碳方案及三维植被冠层辐射传输方案,改进了对冻土碳反馈过程和陆表能量收支的描述。海冰模式分量为洛斯阿拉莫国家实验室(LANL)发展的CICE4.0,耦合器为CPL7,并增加了三维变量插值和数据交换的功能。

中国科学院大气物理研究所发展的气候系统模式CAS FGOALS-f3,包括大气-海洋-陆地-海冰4个分量模式和1个耦合器。根据分辨率的不同,FGOALS-f3模式包括低分辨率(FGOALS-f3-L)和高分辨率(FGOALS-f3-H)两个版本(包庆等,2019He B,et al,2019Li J X,et al,2019)。两个版本的大气分量是IAP-LASG大气环流模式FAMIL2.2,采用有限体积立方球面网格的动力框架(Zhou L J,et al,2015)。低分辨率版本FGOALS-f3-L大气模式水平分辨率大约为1°(~100 km),高分辨率版本FGOALS-f3-H的大气模式水平分辨率为0.25°(~25 km)。垂直方向分为32层,采用混合坐标系,模式层顶为2.16 hPa(~45 km)。FAMIL2.2模式物理过程参数化中使用了IAP-LASG研发的显式对流降水方案,提高了热带气旋、热带季节内震荡(MJO)和极端降水的模拟能力(Li J X,et al,2019He B,et al,2019He S C,et al,2019);陆面分量采用公共陆面模式(CLM)4.0;海洋分量采用IAP-LASG LICOM3模式,使用三极网格方案,低分辨率版本FGOALS-f3-L海洋分辨率相当于1°,垂直方向有30层;高分辨率FGOALS-f3-H海洋水平分辨率为0.1°,垂直方向有55层;海冰分量采用CICE4模式;耦合器为CPL7。

中国科学院大气物理研究所发展的另一个耦合气候模式CAS FGOALS-g3,其大气分量为GAMIL3,与前一版本相比,分辨率从2.8°提升到2°(~200 km),进一步修正了水汽平流方案,严格保证了极区的水汽守恒;模式的剖分方式由一维剖分升级为二维剖分(Liu L,et al,2014);物理过程方面,增加了对流动量输送和平流层气溶胶的考虑(Nie,et al,2019)、采用了基于估算逆温(EIS)的层积云方案(Guo,et al,2014)、新的层云量生成方案、基于湍流动能(TKE)的边界层方案及德国马普气象研究所的气溶胶模块(MACv2-SP)等。海洋分量为LICOM3,水平分辨率是1°,并在赤道区域加密为0.5°,水平网格从经纬度网格升级为三极网格,采用了新的动力框架,改进了GM(Gent-McWilliams)垂直混合、潮汐混合等海洋参数化方案。陆面为基于CLM4.5发展的CAS-LSM,耦合了自主发展的考虑地下水侧向流动、人类取用水活动、土壤冻结融化界面变化以及河流氮输送过程影响的方案。海冰为CICE4.0,耦合器为CPL7。具体细节可见唐彦丽等(2019)

清华大学牵头发展的联合地球系统模式CIESM 1.1版本,其基础是CESM1.2.1。其大气分量模式基于公用大气模式(CAM5),水平分辨率约为100 km,垂直分辨率为30层,模式层顶高度为1 hPa。针对大气积云对流参数化、短波辐射传输、云宏物理、微物理方案以及气溶胶的处理进行了系统改进。海洋模式基于LANL的POP2模式,水平分辨率为1°,有60个垂直层。在海洋网格、正压求解器、混合方案以及海-气通量交换的计算等方面进行了一系列改进。陆面模式基于CLM4.0,并对土壤参数集、地表热力学粗糙度参数化等做了一系列改进。海冰模式基于CICE4.1,与海洋模式使用相同的网格,在海冰物理和动力过程方面做了改进,如结冰温度考虑盐度影响,考虑浮冰大小对侧向融化的影响。自主研发的耦合器C-coupler2用于处理CIESM模式中的各种耦合过程,包括数据传输和插值等。具体细节参见林岩銮等(2019)

自然资源部第一海洋研究所发展的地球气候系统模式FIO-ESM v2.0,其大气分量为CAM5,水平分辨率约为100 km;陆面分量模式为CLM4.0,水平分辨率与大气分量一致;海洋分量模式为POP2,纬向水平分辨率为1.1°,经向分辨率为0.27°—0.54°,垂向分辨率加密到61层,第1层为海表温度日变化参数化方案诊断的0 m海温层;海冰模式为LANL发展的CICE4,水平分辨率与海洋分量一致;海浪模式为自然资源部第一海洋研究所自主研发的MASNUM海浪模式,并作为子程序直接嵌入到POP2中。物理过程方面,FIO-ESM v2.0引入了浪致混合、海浪斯托克斯漂流速度对海-气通量的作用、海浪飞沫对热通量作用和海表温度日变化等4个全球的特色物理过程。具体细节参见宋振亚等(2019)

南京信息工程大学发展的NESM v3,其大气分量模式是德国马普气象研究所的ECHAM v6.3模式,水平分辨率为T63(~200 km),垂直方向上有47层,从地面至0.01 hPa,改进了模式的边界层方案与对流参数化方案,调整了云物理过程。采用的陆面模式是德国马普气象研究所发展的JABACH。海洋分量模式是欧盟联合开发的NEMO v3.4,水平分辨率约为1°,经向方向在热带地区加密到(1/3)°,垂直层数为46层,增加了海洋混合层的盐析过程、海水状态方程的“刚性化”处理。海冰分量模式是LANL开发的CICE v4.1海冰模式,经向分辨率为1°,纬向分辨率为0.5°;垂直方向上分为5层,分别是4层海冰和1层冰上积雪,改进了冰雪反照率的处理,使模式能够更真实反映海冰的平均态和季节变化。具体细节参见曹剑等(2019)

中国台湾“中研院”的地球系统模式TaiESM是CESM 1.2.2的改进版,其大气模式为CAM5.3,包括100和200 km两种水平分辨率,垂直30层;海洋模式为POP2,水平分辨率1.0°,垂直70层;陆面模式为CLM4.0、海冰模式为CICE4.0。较之CESM1.2.2版本,TaiESM的陆面、海洋和海冰分量都保持不变,主要改进在于大气模式的深对流参数化方案、云宏观物理过程、气溶胶模块和地形对太阳辐射的影响。

3.2 国家十二五重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”建设

过去5年,中国除地球/气候系统模式的研发取得显著进展外,在地球系统模式研发平台建设方面,亦取得相当进展。国家十二五重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”经历了项目申请报告、可行性研究报告、初步设计书及概算等论证过程,得到国家发展改革委员会批复并已于2018年秋正式开工。该装置由中国科学院大气物理研究所和清华大学承建,装置包括地球系统模式数值模拟软件、区域高精度环境模拟软件、超级模拟支撑与管理、支撑数据库和资料同化及可视化、面向地球科学的高性能计算机5大系统,总投资超过12亿元人民币,建设周期4 a。

地球系统数值模拟装置的科学目标是,深入认识地球环境复杂系统基本规律,探索地球系统大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈的物理、化学、生物过程,探究各圈层及其相互作用对地球系统整体和中国区域环境的影响;融合模拟与观测数据提高预测的准确性,实现对地球系统复杂过程在中尺度分辨率的定量描述与模拟,为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑;推动地球系统科学不同学科的交叉与融合,促进中国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。

地球系统数值模拟装置的硬件建设目标为,峰值不低于15 Petaflops、存储不低于80 PB的专用结构高性能计算机系统,总体性能将显著超过目前专用于地球系统科学数值模拟的其他高性能计算机系统。拟建设的地球系统模式包括大气、海洋、陆表层、气溶胶和大气化学、陆地植被生态系统、海洋生化系统、陆地生化系统等分系统及其耦合模式,有完整、自洽和严谨的全套动力、物理、化学和生态过程,具有中国自主知识产权和独创特色,分辨率达到世界先进水平。地球系统模式的水平分辨率将可以达到10—25 km,显著改善模式对过去和未来气候变化的模拟能力。同时还将针对中国及周边区域的云可分辨率尺度天气、大气污染、长期气候变化风险和农业旱灾的高精度模拟问题,建设全国空间分辨率1—3 km的高精度区域环境模式。

4 中国CMIP6模式的历史气候模拟和未来预估

到目前为止,已经正式通过地球系统网格数据节点(ESG data node)向地球系统网格联盟(ESGF)正式发布CMIP6数据的中国模式有4个:BCC-CSM2-MR、CAMS-CSM1-0、FGOALS-g3和NESM3。为展示参与CMIP6的中国模式的基本性能,从气候平均态、20世纪历史气候变化和未来预估的角度,给出以上4个模式的集合平均结果。其中,BCC-CSM2-MR选择历史气候模拟的第3个成员结果,而其他3个模式选择第1个成员结果。

图1给出模式模拟的1995—2014年平均表面温度及其相对观测的偏差。相对于观测,中国模式的集合平均能够较好模拟观测气温的气候态空间分布,但是显著高估了大部分海洋、欧亚大陆东北部冬季和中部夏季表面气温(0.50—4.00℃),低估了陆地和北极圈区域的气温(−0.50—−4.00℃)。北半球冬季高纬度地区的模拟冷偏差可能与模拟海冰偏多有关。4个模式的集合平均结果的技巧要明显高于单一模式的结果(表4)。

图 1  (a、c) 观测 (色阶) 和CMIP6四个中国模式集合平均模拟 (等值线) 的1995—2014年表面气温分布;(b、d) CMIP6四个中国模式集合平均的模拟偏差 (打点区域表示偏差通过95%的置信度;观测的表面气温来自HadCRU4和BEST资料的算术平均)(a、b. 北半球冬季,c、d. 北半球夏季;单位:℃) Fig. 1  (a,c) Spatial patterns of 1995—2014 mean surface air temperature derived from the observations (shadings) and multi-model ensemble mean (contours) of four Chinese models that participated in CMIP6 (a,b (c,d) is for DJF (JJA) mean);(b,d) The simulation biases (the dotted areas are for biases passing the 95% confidence level,the observations are the average of HadCRU4 and BEST data. unit:℃)
表 4  CMIP6四个中国模式及其集合平均模拟的全球表面气温和降水空间相关系数和均方根误差 Table 4  Pattern correlation coefficients and root mean square errors of surface air temperature and precipitation between observations and historical simulations by four Chinese models and multi-model ensemble mean
模式名称 温度(℃) 降水(mm/d)
空间相关系数 均方根误差 空间相关系数 均方根误差