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1、乐旭，王会军2009CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用4.大气科学,33(1):16-28.YueXulWangHuiun.209.TheaplicationoftheCCMS/NCARradiationschemeinIAP-AGCMJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese)/33(1):16-28.CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用乐X王XX1中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心，北京1000292中国科学院研究生院，北京100o49摘要利用NCAR的CCM3(TheCommU
2、nityClimateMOdeIVerSion3)辐射模块，对IAP9L-AGCM的辐射计算方案进行了替换，并对改进的结果做了细致的评估,分析表明，新版本的模式在大多数辐射场的空间平均和分布型的模拟上有了较为明显的改进，特别是较好地克服了原模式中陆面净辐射场的偏差。在此基础上，新版本计算的大气温度普遍升高。伴随这种变化,模式中的海平面气压、地表温度、位势高度、风场、降水、比湿等物理量都有了调整，但是变化并不明显，从而对模式的进一步发展和完善提出了新的要求.关键词IAP9L-AGCM辐射方案气候态文章编号1006-9895(2009)01-0016-13中图分类号P435文献标识码ATheApp
3、IicationoftheCCM3/NCARRadiationSchemeinIAP-AGCMYUEXu1,2adWANGHuiun11Nansen-ZhuIntemationaIResearchCentre/InstituteofAtmosphericPhysics/ChineseAcademyofSciences/Beijing1000292GraduateunioersityofchineseAcademyofSciences/Beijing100049AbstractTheoldradiationschemeinIAPOL-AGCMIsreplacedbyanewonefromtheC
4、CMS/NCARcodes.Andtheefectsofsuchmodificationareevaluatedindetail.ItshowsthattherearemanyimprovementsinthesimulatedradiationfieldsfromthenewversionoflAP9L-AGCM,especialySomenetradiationfieldsatthesurface.Asaresult.thereisaprevalentenhancementoftheatmospherictemperatureinthenewversion.OtherfieIdS/such
5、asSealevelpresure.surfaceairtemperature,geopotentialheight,windfieldprecipitation,Specifichumidityandsoon,ShowsomecorespondingchangeS/thoughthemagnitudesarenotlarge.TheevaluationresultsputfonvardthereauirementofafurtherimprovementofthelAP9L-AGCM.KeywordsIAP9L-AGCM,radiationscheme,climatology.三I=球格点模
6、式(ZhangetaI.,1989；Zhang,1990；口Liang,1996)该模式水平分辨率为4“x5”,垂直中国科学院大气物理研究所的IAP9L-AGCM方向采用了G-p地形坐标，共分9层，模式顶为是一个由Zengetal.(1989)建立并发展起来的全IohPa.毕训强(1993)改进和优化了模式代码，收稿日期2007-07-05,2007-10-29收修定稿资助项目国家重大基础研究规划项目P317025400,国家自然科学基金资助项目40631005,国家重点基础研究发展规划项目2006CB403705作者简介乐旭，男，1981年出生,博士生，主要从事气候数值模拟研究E-mail：
7、yuexu使得模式模拟性能进一步提高，运算速度更快。在此基础上，该模式被广泛应用于短期气候预测(郎咸梅等，2004a,2004b)、年际年代际气候变化研究(穆明权等，1999；李崇银等，2000)、气候系统相互作用机制分析(屈述军等，203；左瑞亭等,204；晏红明等，207)以及古气候模拟(Wang,1999；Jiangetal.,205)研究中，取得了丰富的成果。IAP9L-AGCM自20世纪90年代初推出以来，经历了多个版本的改进和发展。Zhangetal.(2001)将模式并行化，极大缩短了积分时间，提高了计算效率。在动力框架方面，刘洪涛等(2002)比较了三种常用的水汽方程差分方案,
8、从而为IAP9L-AGCM选择了较好的一种。薛洪斌等(2004)考察了垂直分辨率的提高对降水模拟的影响，指出增加垂直分辨率改善了积云对流参数化，从而能够更好地模拟对流性降水，但同时对于大尺度降水的模拟能力降低。张凤等(2004)讨论了水平分辨率的增加对于模式性能的影响，指出较高的水平分辨率在改善模式气压场、降水场模拟能力的同时，容易造成南极地区计算紊乱。在物理过程方面，张凤(2005)和张凤等(2005)引入FU-LiOU短波辐射方案，并细化了相关的物理过程，从而改进了模式对于短波辐射和季风降水的模拟。尽管IAP9L-AGCM有了许多改进和发展，与国外同类模式相比，其更新的速度还是相对较慢的。
9、例如，美国NCAR的CAM3(TheCommunityAtmosphereModeIversionS)模式(Colinsetal.,2006；HUreletaI2006),十几年中经历了CCM0、CCM1、CCM2、CCM3、CAM2等版本的演化，如今其物理过程参数化日臻完善，并成为当前世界范围内比较通用的几个模式之一。因此,系统地发展IAP9L-AGCM成为迫切的需要。本文将从该模式的辐射部分入手，对相应部分做了较为全面而有益的改进。大气模式中的辐射部分是相当重要的从物理过程来讲，太阳辐射能量是大气运动的根源，辐射过程描述的准确性，在很大程度上决定着气候模式的模拟效果;从模式发展来讲，辐射部
10、分的代码是最为繁琐和细致的，它涉及到了大量的积分和参数化计算，如云量、气体吸收发射率、地表反照率等，因此不确定性较大;从模式计算的效率来讲，辐射部分的运算比较耗时，有的甚至可以达到整个模式计算时间的约三分之二(王脆飞等，2006)IAP9L-AGCM的辐射计算方案主要来源于NCAR的CCMI伴训强，1993),目前需要进一步改善。因此，我们使用CCM3的辐射方案替换了原来的辐射计算部分,作为模式改进的第一步。之所以选择CCM3,一方面是因为它对于CCMl有较好的继承性，不至于造成整个模式各个部分之间的不协调;另一方面则是由于它的代码采用了与IAP9L-AGCM一致的Fortran77语言，不同
11、于CAM系列的FOrtran90,从而更加便于移植和替换。2模式与资料CCM3相对于CCMl在辐射计算方面有了较大的改进。短波辐射计算波段由2个增加为18个,因此对于气体的辐射吸收描述更准确o长波辐射计算中,CCMlR考虑了H2O.。3和CO2在05OcmL50-80cm18010cm1101200cm1和1200-2200cm1五个波段的吸收作用，而CCM3则考虑了更多的温室气体，并且在气体的重叠吸收区细化了长波积分波段范围，例如在5001500cm细分了8个子波段，并根据各子波段内不同的吸收气体来计算大气透射率O除此以外，CCM3中还包括了初步的气溶胶辐射反馈，虽然只是采用背景气溶胶光学厚
12、度(0.14)的方式，但仍然是一个有益的改进，这有利于后期工作中更多地考虑其他气溶胶的影响，以评估气溶胶的气候效应。CCM3和CCMl在云量的计算上都采用Slingo(1987)的方案，但是前者在云的辐射特性计算上有了很大的改进:CCM3不仅考虑云水的光学性质，还加入了云冰以及固液混相粒子的计算方案。除此之外，CCM3区分了海洋和大陆的云滴有效半径的计算方法(Kiehletal.,1994).在此基础上,利用-Eddington近似计算每一层的反射率和透射率，这些对云的辐射特性参数化方案的改进使得新的辐射模块能更好地模拟大气的辐射能量。表1给出了CCMl与CCM3在辐射计算方案上的主要异同点，
13、具体细节可以参照这两个模式的技术说明(Wiliamsonetal.,1987；Kiehletal.,1996)另外，由于地表反照率与下垫面的海陆分布、植被类型、土壤颜色、土壤种类以及土壤含水量等参数密切相关，而且不同的陆面模式采用的参数化18大气科学ChinesejournalofAtmosphericSciences33卷Vol33表I TablCCMl与CCM3辐射计算方案比较el ComparisonsofradiationschemesinCCMIandCCMSCCMlCCM3CCMlCCM3短波吸收气体。3、。2、H2。、C02。2、H2。、C02辐射传输方 程计算方案累加法-Edd
14、ington 近似短波波段间隔2个.紫外可见光波段0.00.9 Clm红外波段0.94.0 以m18个.。3 吸收 0200.35 以m（7个）：Ch和02吸收 035- 0.70以m （1 个）：。2 和WO吸收0.70-5.0以m （7个）：CCh 吸收 2.70- 4.30以01 （3个）痕量温室气 体无CH4、N20、 CFCll.CFCl 2云量参数化SIingO方案SIingO方案气溶胶辐射反馈无背景（硫化物）气溶胶云的辐射特性只考虑云水考虑云水、云冰以及固液混 合态粒子地表反照率直接（散射）短波反射率 与IAP94陆面模式相关直接（散射）短波反射率 与LSM陆面模式相关方案有一定
15、差异，因此，在嵌套CCM3的辐射计算方案时，理论上来说还需要对陆面过程做相应调整。但是CCM3中的LSM（TheLandSurfaceModel）陆面模式涉及到了次网格参数化过程，因此直接替换IAP94陆面模式还存在一定难度，所以对于地表反照率，新的IAP9L-AGCM仍然使用了原有的计算方案，只是在此基础上利用CCM3提供的方案对海洋和海冰的反照率做了调整，从而保证了全球大部分区域表面反照率与新辐射方案匹配。在此基础上，我们将IAP9L-AGCM的新旧两个版本分别积分25年，取后20年平均得到模式基本气候态，并与观测场进行比较，从而判别模式改进效果。所选用的观测资料为19792003年的NC
16、EP/NCAR的再分析资料（Kalnayetal.,1996）,自1979年加入卫星观测以来，该资料的可信度大幅度提高，而且其包含的物理场种类较全，适合于做一些诊断分析和模式评估工作NCEP/NCAR的再分析资料水平分辨率为2.5-2.5-,垂直方向分为17层，从100OhPa延伸到10hPa（,在模式资料与观测资料比较之前，我们先将NCEP/NCAR资料插值到模式对应的网格上，这样有利于定量评估模式气候态模拟效果的空间分布型以及平均态差异大小o另外，为了便于说明，我们在后文中统一把观测资料称为ncep,而把原来的IAP9L-AGCM称为iap9lcmL新的模式版本称为iap9lcm3同时，冬
17、季代表了12（当年）、1和2（次年）三个月的平均，夏季代表了6、7和8三个月的平均。3辐射场的模拟由于IAP9L-AGCM的辐射方案被替换，所以首先来看辐射场的模拟效果。为了便于理解，文中讨论的几个物理量用了统一的命名方式，第一个字母N、U或D代表净（net）、向上（UPWard）或向下的（downward）,中间三个字母为SWR或LWR代表短波辐射（ShortWaVeradiation）或长波辐射（IOngWaVeradiatiOn）,最后一个字母T或S代表大气顶（TOA）或地表（surface）。晴空辐射则在上述命名之后加上一CS”以示区别。例如，USWRT表示大气顶向上的短波辐射通量。本
18、文中对于净辐射的方向，除非特别说明，长波正值方向取向上，短波则取向下。3.1辐射场的总体比较在这一部分，我们将评估地表和大气顶的几个常规辐射场的改进情况。首先,逐月的辐射场按面积权重取全球平均值，然后将iap9lcm3和iap9lCml的模拟结果分别与ncep做差值，得到图L其目的是检验气候平均态模拟的均值差异；然后，将模式逐月的辐射场与对应的观测场做空间相关，得到了图2,其目的是检验模式模拟的气候态分布型是否与观测一致或接近。图1所显示的辐射场平均值的差异变化很大，从士0.2Wm2到士35Wm2.其中大气顶向下的短波辐射（DSWRT）的模拟最为精确，因为这是一terJinSepDecMtrJ
19、nSepDcdMarJmSepDecMBrJmSepDoeMonthMotifiMiflMaXfll.p91-cn3neap-i9-cnl-ncq图1模拟的多个辐射场与NCEP再分析资料的全球气候平均态差异的逐月分布Fig. 1 ThediferencesofradiationfieldsbetwentheNCEPandsimulations个天文量，只要地球轨道参数和太阳常数确定了就不会有很大差异。总体来看，每幅分图中的两条曲线形状比较类似，说明模式改进前后模拟的辐射场偏差的季节变化趋势很接近O但是，iap9lcm3相对于iap9cm1来说，模拟的大部分辐射场均值都更接近于观测一些，如图1c
20、f所示，新的模式偏差都要比以前更接近于Oo而图Ia所显示的大气顶净的长波辐射，虽然波动幅度仍然比较大，但相对于老版本，iap9lcm3克服了原有模式较大的正异常，使得偏差主要集中在0值附近。另外,iap9lcm3对于晴空辐射的模拟结果与原来的版本比较一致（见图1g、h）,这说明尽管新的模式中使用了原来的陆表反照率方案，这一方案还是比较适用的。从图1可以看出，新模式在有云条件下的辐射通量相对于以前版本有了较为明显的改进，这充分说明CCM3的辐射方案中对于云的辐射特性参数化方案的改进是非常有益的。图2反映模式模拟的气候态分布与观测场的相似程度。比较来看,模拟结果最不理想的应该是地表净长波辐射（NL
21、WRS）,而iap9lCm3相对于iap9lcm1还是有较为明显改进的，空间相关系数从0.3左右提高到了0.6左右其他的物理场空间分布形势在改进前后变化则不是很明显。值得一提的是对DSWRT的模拟，它是整个大气辐射源，从图Ib可以看到iap9lcm3和iap9lcr1在这个量的均值模拟上差别不是很大，然而，从空间分布型来看（图2b）Jap9lCml在冬半年的模拟存在一定问题。在比较了冬季的DSWRT的模拟和观测差异后（图略），我们发现iap9lcm1在北极点计算出现偏差，它在北半球处于极夜时期仍然有较大的值，这个问题在iap9cm3中得到了改正。由图1和图2可以看到，iap9lcm3对于辐射场
22、的模拟相比于iap9cm1有了较大的改进，这表现在大多数物理场的均值更接近于真值，而且空间分布也更加合理。当然，iap9lcm3仍然有不足之处，它基本上保持了原来物理场随时间演变的特征，从而没有改善模式辐射场在某些月份模拟较差的问题，例如USWRT和USWRTCS在3月和9月的空间分布型与观测偏差较大，而NLWRT在12月、1月份模拟效果不好，这些有待于进一步的改进。3.2大气顶净的长波辐射）OLR）从这一部分开始将考察几个净辐射场的空间变化,更细致地评估模式模拟的性能。IAP9L-AGCM模拟的OLR在赤道地区是极大值，越往两极值越小，这与温度的分布是对应的（图略）。但40NSwRSMOat
23、h图2模拟的多个辐射场与NCEP再分析资料的全球气候平均态空间相关系数,R)的逐月分布Fig. 2 Thecorelationeficients,R)OfradiationfieldsbetwenIheNcEPandsimuIations是OLR的分布并不完全决定于温度它还与云的覆盖率密切相关特别是具有“保温作用的深厚积云和具有强烈致冷作用的中云。观测资料表明，图略)在沿赤道的撒哈拉沙漠南部、中南半岛以及北美洲南端等地区是OLR的低值区这些地区对流活动旺盛往往具有较高的积云覆盖率。另一方面环绕地球的副热带地区由于受到Hadley下沉支绝热加热的影响空气干燥高温”一般晴空少云因此低层的长波辐射可
24、以直接到达大气顶对应OLR的高值区。比较模式结果与观测结果的差异，图3)可以看到IAP9L-AGCM的OLR在云的影响造成的上述高低值中心都有较大偏差。这说明原来的SIingO云量参数化方案可能需要改进虽然CCM3的云量计算中作了一些有意义的调整,Kiehletal.1998)但这些调整并没有包括到iap9lcm3中来所以IAP9L-AGCM的固有偏差仍然存在。尽管模式模拟的结果与实际观测仍然存在较大偏差但是iap9lcm3相对于iap9Jcm1还是有一定改进的比较图3a和3b可以发现在赤道地区的几个低值中心模拟效果都比以前更接近于观测而南半球大面积的正偏差也有所减弱。另一方面iap9lcm3
25、模拟的太平洋副高地区的OLR值则偏小了。在夏季周3c、d)iap9lcr3相对于iap9Jcm1在北半球中高纬地区的正异常面积减小强度减弱”而热带的几个低值中心都更接近真实。总体来看iap9l-cm3在中低纬地区引入了较大的负异常有效地克服了iapWcm1模拟结果的整体偏高这一直也可以从图Ia中比较看出。3.3 地表净的短波辐射(NSWRS)图4是模式模拟的NSWRS分布。比较图4a和4b可以直观地发现“在冬季原来模式中的大面积正偏差得到了很好的抑制特别是中低纬海洋和南极大陆地区的异常得到了改善。但同时绕南极低压带地区，海冰覆盖区)出现较大的负异常这有可能与iap9lcm3中对海冰的反照率作的
26、调整有关。表2列出新旧模式的海冰反照率参数化方案对比结果T5为近地面大气温度。可以看到”iap9lcm3相对于iap9lcm1的海冰反照率偏高这使得反射的短波辐射强度偏大因而计算的净短波辐射量相对于后者偏低。夏季的NSWRS模拟情况与冬季类似，图4c、d)中低纬海洋的大面积正异常被削弱从而使得模拟的结果更趋近于观测.而北冰洋地区出现的大面积负异常同样有可能源于海冰反照率偏高。从图4的结果可以看出“海表和海冰反照率的变化对图3iap9l(cm3(a.c)和iap9l(cml(b,d)与NCEP的冬季(a、b)和夏季(ad)OLR差别(单位:W/m?).虚线代表负值Fig.3(ab)Theclim
27、atologicaldiferencesofoLRbetwenNcEpreanalysisandthesimuIationsfrom(a)iap9l(cm3and(b)iap9l(cm1iDJF(Dee-Feb):(-d)sameas(ab)butinJA(Jun-Aug).Negativevaluesaredashed-units：W/m2表2新旧模式海冰反照率的参数化方案对比Tab1e2Comparisonoftheparameterizationsofseaicealbedoiniap91cmlandiap91cm3波段iap91(cm1iap91(cm30-2-0.7以m(0.7Ts2
28、72.150.70人0.7-0.04(G27215)272.15Ts277.15(0.5TsW277.1507-5.0以m(0.5Ts272.150.500.5-0.06(Ts-272.15)272.15Ts277.15(0.2TsW277.15于全球净短波辐射能量的计算相当重要。总的模拟结果表明方面一新版本中的海洋部分反照率更加合理一从而海洋地区的正异常得到了较好控制一另一方面一海冰部分的反照率偏高一导致对应部分的净短波辐射量偏低。另外一进一步比较新旧模式在陆地上NSWRS的模拟情况一可以发现iap9l(cm3与iap9l(cm1的偏差基本上是一致的一这主要是因为新旧模式中陆地部分的反照率没
29、有差别。尽管如此一iap9l(cm3在陆地部分的NSWRS与观测还是比较一致的(图4a、c)一这说明原来的陆表反照率参数化方案仍然较好地适用于新的版本。3.4 地表净的长波辐射)NLWRS)图5是模式模拟的NLWRS分布。从模式模拟的偏差来看一iap9l(cm3比iap9l(cm1有了较为明显的改进一主要表现在海洋地区大面积的正异常减弱甚至消失一而冬季南极大陆上的负异常也得到了有效的克服(图5a、b)o另外一旧版本中大洋东岸大陆西侧的高异常中心有了较为明显的减弱。这一带往往是具有较强致冷作用的中云密集区一原来模式中这类云对长波辐射的影响刻画得不够好一而新的模式则在这方面有了较好的改进。进一步分
30、析可以发现一iap9l(Crn3对于NL-WRS模拟的改进是合理的一而不是类似于负负得QO0N图4同图3,但为模式模拟的NSWRS分布Fig.4SameasFig.3,butforNSWRS图5同图3,但为模式模拟的NLWRS分布Fig.5SameasFig.3,butforNLWRS正的偶然结果O从图Id可以看到,新的模式对于了较大的改善.Iap9lcm1中的ULWRS偏低,而地表向上的长波辐射量(ULWRS)模拟比以前有得到的NLWRS却偏高,这说明到达地表的向下的长波辐射/DLWRS）比观测值要更加偏低/因为NLWRS=ULWRS-DLWRS）一所以是不合理的.而iap9lCrn3在改进
31、了ULWRS的同时一也使得NLWRS与观测更加接近.之所以会出现这样明显的改进一除了iap9lcm3对于长波辐射过程的描述更加合理/Kiehletal.1998）外一还与模式中引入更多的痕量温室气体有关一这些气体使模式大气的长波辐射净损失减少一从而使得模拟结果更接近真实.4常规物理场的模拟在上一部分讨论了IAP9L-AGCM的改进版本对于辐射场的模拟效果一接下来一我们继续对其他的常规物理场进行比较.这里的常规物理场主要包括海平面气压/SLP）、温度一其他的物理场限于篇幅只做概述.另外一由于常规物理场的变化不像辐射场样直接明显一所以这一部分我们将通过iap9lcm3与iap9lcm1的差值来讨论
32、改进效果.4.1海平面气压图6是iap9lcm3模拟的冬季和夏季SLP分布情况.从图6a和6d来看一模式基本上抓住了主要的气候系统一特别是中低纬和热带地区一主要包括冬季的阿留申低压、冰岛低压、南印度洋副热带高压、南太平洋副热带高压和南大西洋副热带高压90N图6iap9lcm3模拟的冬季ac)和夏季df)SLP分布情况/单位)hPa)/a、d)SLP平均气候态；/b、e)与NCEP的差别：c.f)与iap9Icml的差别Fig.6/a)TheclimatologyofSLPsimuIatedbyiapGIcm3inDJF：/b)IheelimatOlOgiCaIdiferenCeOfSLPbet
33、WentheSimUlatiOnOfiap9Icm3adNCEPreaalysisinDJF：/c)IheclimatologicaIdiferenceofSLPbetwenthesimulatiosofiap9Icm3andiap9Icm1inDJF；/d-f)sameasa-c)-butinJA.Units)hPa等一夏季的印度低压、北太平洋副热带高压、北大西洋副热带高压以及环南半球中低纬度的副热带高压等一只是模拟的强度都要偏弱一些.模式模拟的SLP偏差最大的地方在极地地区一特别是南极.IAP9L-AGCM对于南半球中高纬地区的绕极低压带以及南极大陆气压的模拟不是很理想一这是该模式的一个系
34、统性误差一在iap9lcm3中也没有得到明显改善,图6b、e).之所以出现这样的结果一可能与模式的分辨率偏低有关.张凤等,2004)将该模式的分辨率提高到l-1.25后一模式在SLP模拟上的偏差得到了很好的改进.比较iap9lcm3和iap9Icml09SLP模拟情况，图6c、f)一可以看到模式改进前后气压场绝对值变化不大一而且主要集中在中高纬两极地区.具体来说一iap9lCm3对于冬季南极地区和夏季北极地区SLP的正偏差有一定改进一而在其他的一些地区一原有的偏差被进一步放大一不过这些变化的幅度都比较小.4.2温度接下来看温度的变化.由于辐射场与温度场是直接相关的一所以我们对于辐射模块的改善一
35、首先应该在温度上表现出来.图7是模式模拟的冬季和夏季近地面大气温度,TAS)的分布.从图7a和7d来看IAP9L-AGCM图1iap9lcm3模拟的冬季,a-c)和夏季,d-f)近地面大气温度,TAS)分布情况，单位)C),a、d)TAS平均气候态，b、e)与NCEP的差别：f)与iap9lcml的差别Fig.7,a)Theclimatologyofsurfaceairtemperature1TAS)simulatedbyiap9Icm3inDJF,b)theclimatologicaldiferenceofTASbe-twenthesimulationofiap9Icm3andNCEPrea
36、nalysisinDJF:.c)theclimatologicaldiferenceofTASbetwnthesimulationsofiap9Icm3andiap9IcmlinDJF.,d-f)sameas,a-c)butinJA.Units)对于温度的模拟还是比较合理的一特别是海洋部分一这是因为该模式在海洋地区TAS取的是月平均海温.而在陆地部分一模式利用IAP94陆面模式来计算地表温度、感热和潜热等物理量一因此存在着一定偏差.从图7/口7e来看一模式模拟的TAS的偏差主要集中在两半球的中高纬和极地地区一这与SLP的模拟效果是一致的.进一步比较图7b和图6b以及图7e和图6e一可以看到负/
37、正）的TAS异常对应正/负）的SLP异常一这与我们的常识是一致的一因为在近地面往往是冷高压与热氐压的配置.从这一点来看一IAP9LAGCM的动力框架是比较合理的.图8是模式模拟的冬季和夏季纬向平均温度随高度分布情况一这可以反映该模式对于全空间大气温度场模拟的合理性.分别比较图8a和8b以及图8d和8。一可以发现IAP9L-AGCM对于大气温度的模拟还是相当好的.无论是对流层中低层温度等值线的分布一还是热带对流层顶的低值中心一该模式模拟得都与观测很接近.模拟结果偏差主要存在于对流层高层以及平流层低层区域一比较来看一200hPa以上的冬季南极和夏季北极地区温度模拟较观测情况偏低.对于这些地方的偏差
38、一iap9lcm3比iap9lcm1有了较好的改进.从图8c和8f来看一无论冬夏季新版本模式在热带对流层中低层、平流层中低层等地方模拟的温度有了明显升高一而南极和北极几乎整层大气的温度在冬季和夏季均有所上升一这些变化都有利于减小原来模式中的负偏差.从图8c和8f看出iap9lCm3比iap9lcm1的大气温度要偏高一些.更定量化的差异显示在图9一它是两个模式各层的物理量之差取面积权重全球平均后的垂直廓线随时间演变的情况.图9d反映新旧模式大气温度垂直廓线差异的逐月变化一可以看到模式改进后大气温度有了普遍的升高一最大的正偏差位于20OhPa附近一它有效克服了iap9lCml在该高度处温度的全球性
39、负异常/图略）.但另一方面一50OhPa以下的温度正偏差导致新的模式模拟的温度比观测结果偏高/图略）.图8模式模拟的冬季ac)和夏季df)纬向平均温度随高度的分布/单位)K)/a、d)NCEP,b.e)iap9lcm3模拟结果、/c、Diap9Icm3与iap9ICml模拟结果之差Fig.8/a)VerticalclistributionofzonalmeantemperatureofNCEPreanaIysesinDJF./b)Verticaldistributionofzonalmeantemperaturesimulatedbyiap9Icm3inDJFs/c)Verticaldistr
40、ibutionofthezonalmeantemperaturediferencebetweniap9Icm3andiap9Icm1inDJF、/d-f)sameasa-c)butinJA.Units)KJdFebMnAprMrJtmJolAigSepOgCNewDecJanFdsMirAprMJVJaIJbIAagSflPOctNaVDeo图9iap9lcm3与iap9lcml垂直廓线差异随时间演变的情况）a）短波辐射加热率、b）长波辐射加热率、c）总辐射加热率、d）温度/单位）.ac）单位）CdFig.9ThetemPoraleVOIlJtiOnSoftheVertiCalPrOfiIed
41、iferenCeSbetWeniaP9Icm3andiap9Icml）/a）ShortwaveradiationheatingrateCd）、b）IOngWaVeradiatiOnheatingrateoCd）、c）totalradiationheatingrateCd）d）temperature0C）图9ac是新旧模式的辐射加热率对比.从图9a可以看出一iap9lcm3的短波辐射加热率相对于i叩91Cml是升高的一最大变化主要位于对流层低层/70OhPa附近）和平流层一可能分别与水汽和臭氧的短波吸收描述更加细致有关/见表1）.而长波辐射加热率/图9b）在高低层有着相反的变化一即高层为负偏差一
42、低层为正偏差.从图9c的总辐射加热率变化来看一正值区主要位于对流层一特别是低层70OhPa附近一而这种变化包括了短波和长波的贡献.在IoOhPa以上一新版本计算的辐射加热率稍有降低.比较图9c和9d发现一辐射增温率与温度变化并不对应一这一方面是因为短波辐射加热率主要集中在白天一因此就全球范围来说一其影响比较难以定量评估、另一方面则是因为大气对于太阳辐射的响应是复杂和非线性的一模式中的大气温度变化包括了辐射、摩擦、扩散、积云对流和降水补偿等过程一因此只改变辐射过程并不能完全改善对大气温度的模拟.5总结与讨论本文评估了一个改进版本的IAP9L-AGCM的气候态一该版本利用NCARCCM3模式的辐射
43、部分替换了原来模式中的辐射计算方案.评估的结果表明）新的版本对于辐射场的模拟有了较大的改进一主要表现在大部分辐射场的空间平均和分布型都与观测更加接近一特别是有云条件下辐射场的模拟偏差减小.这种改进的结果一方面是由于CCM3中的辐射物理过程描述得更加细致一各种参数也比以前更加合理一所以克服了原有辐射方案中的较大偏差/Kiehletal1998）另一方面是因为考虑了痕量温室气体和气溶胶的影响一从而使得长波辐射的计算更加合理.模式中的偏差主要在于大气顶净的长波辐射/OLR）、大气顶向上的短波辐射/USWRT）、地表净的长波辐射/NLWRS）等场的空间分布型模拟不够好一可能的原因是模式中有关云量和陆表
44、反照率的参数化方案未作相应调1期No.1整，从而出现了一定程度的偏差尽管如此，新版本对于大气运动能量来源一辐射场的模拟还是有较大的改进的。进一步对改进后模式的常规物理场进行评估发现，模式大气的温度有了普遍的升高，环流场也发生了变化，具体表现为位势高度升高，比湿增大，降水减少，而其他的地表物理场如表面气压、近地面大气温度、潜热、感热等变化都不明显(图略)O这一结果主要是由于模式中其他物理过程参数化未做相应调整，如积云对流和陆面过程参数化方案等，因而未能合理消化辐射场的变化。另外，由于模式的分辨率以及动力框架没有改变，所以对于一些与动力过程有关的物理量如海平面气压、风场等所存在的系统性误差没有明显
45、改善。从图4、5还可以看出，模式改进后地表净辐射场的变化主要集中于海洋地区，而这些地区的温度在AGCM中取气候态海温，这也就解释了为什么iap9-cm1在较大辐射偏差下计算得到的TAS仍然与观测接近。当然，这一不合理偏差的存在，是不利于海气耦合模式的发展的。其他耦合模式的发展经验表明，要提高耦合系统的整体性能，除改进各气候分量模式的模拟性能外，需要重点改进大气模式中的云、辐射过程(王在志等，2007)。这正是本文工作的意义所在。致谢非常感谢国际理论物理中心(ICTP)毕训强博士对于模式改进过程中的建设性意见.参考文献(References)毕训强.1993.IAP九层大气环流模式及气候数值模拟
46、DJ.中国科学院大气物理研究所博士学位论文.BiXunaiang.1993.IAP9-Ievelatmosphericgeneralcirculationmodelandclimatesimula-tionD.Ph.D.disertation(inChinese).InstituteofAtmos-PhericPhysics,ChineseAcademyofSciences.CoIinsWD，RaschPJ,BoviIeBA,etal.2006.TheformulationandatmosphricsimulationoftheCommunityAtmosphreModelVersion3(CAM3)J.J.Climate,19：2144-2161.HureIJW.HackJJ.PhiIipsAS,etal.2006.ThedynamicalsimulationoftheCommunityAtmosphereModelVersion3(CAM3)J.J.Climate,19：2162-2183.JiangDabang.WangHuiun,DingZhongIi.etal.2005.ModelingthemiddlePlieeclimatewithaglobalatmosphericgeneralc
