一个新型高分辨率区域海气耦合模式的检验研究

全球气候变化的大背景下，区域气候如何响应以及超强台风事件频发，是近年来区域气候和极端天气研究的热点问题，其中大气与海洋的相互反馈机制又是研究区域问题的难点之一。本项目针对区域气候和天气的海气耦合过程研究，提出开发一个基于非结构网格海洋模式（FVCOM）和结构网格大气模式（RegCM3）的新型高分辨率区域海气耦合模式，并对该耦合模式进行性能检验和科学应用。项目执行3年以来，完成情况良好，研究成果得到国际同行的认可，多篇论文发表于国际主流期刊杂志，以下对本项目的研究过程和所取得的成果进行简要地总结： 1）根据项目计划书进度，RegCM3-FVCOM耦合模式的开发大约用时一年半（2012.01 - 2013.06），包括大气和海洋模式的调试，耦合框架的搭建，耦合器并行化处理和优化，其中纠正了中期进度报告中汇报的模式截断误差。 2）中期进度报告中我们曾发现海洋模式中存在截断误差，并且随着海气耦合的正反馈过程不断放大，最后导致严重的计算误差。我们一方面通过优化代码和提高计算精度有效地抑制了误差增长，使得RegCM3-FVCOM的开发得以继续进行，并成功应用到东南亚季风区海气耦合的研究中。另一方面，我们同时组织人员测试了不同的海洋和大气模式试图寻找替代的模式组合，在这一过程中，我们完成了另外一套区域海气耦合模式WRF-POM的调试，并将它成功应用到中国沿海台风-海洋相互作用的研究中。也就是说，通过这一项目，我们建立了两套高分辨率的海气耦合模式，一个应用于气候尺度，一个应用于天气尺度，并都取得了很好的研究成果。 3）从完成模式开发和检验到项目结题的一年半时间（2013.06-2014.12），我们将两套耦合模式应用到区域气候和台风的科学研究，取得了很好的成果。截至目前为止，项目申请人以第一作者或通讯作者共发表论文4篇，其中国外SCI论文3篇，国内核心期刊1篇，2篇文章在审稿中。以合作作者发表国外SCI论文1篇。 2100433B

气候变化是世界关注的热点问题之一，海洋和大气作为气候系统的两大重要组成部分,其相互作用一直以来都受到气候学家们的高度重视。近年来基于耦合器框架结构的区域海气耦合模式逐渐成为研究区域中小尺度海气相互作用的重要工具。与全球耦合模式相比，区域耦合模式具有分辨率高，针对性强的特点。现有的区域耦合模式大多采用结构化网格（如正交网格）的海洋模式。结构网格虽然计算速度快，但对海岸线和地形的分辨度不高。本项目提出一个基于非结构网格海洋模式（FVCOM）和结构网格大气模式（RegCM3）的新型高分辨率区域海气耦合模式。灵活多变的非结构网格能够让用户根据实际海区状况随意调整分辨率,以适应复杂的海岸线和地形条件。对FVCOM-RegCM3耦合模式进行全面系统的检验研究具有长远的意义，一方面它是该模式将来能够应用到实际问题的必要条件，另一方面也为复杂的区域气候问题提供了多样化的研究工具。

如果要更好的理解ENSO循环，加深对与温跃层深度变率密切联系的冷暖水发展的认识也是非常重要的。与表层海温异常相比，延迟的次表层热力异常能更好地记忆大气强迫的变化，并发现一种可能在使海气耦合系统从暖位相到冷位相(或从冷位相到暖位相)转变过程中起到关键作用的滞后反馈。研究还指出，风应力通过Ekman抽吸所产生的作用和Rossby波、Kelvin波的传播是影响温跃层变率的两个主要因素。

海洋和其上层大气在多种时间尺度上发生着相互作用，而Walker环流、Hadley环流、大气Rossby波列、海洋Kelvin波和海洋Rossby波都是这一耦合系统的重要成员。大多数在海气相互作用方面的研究都把研究重点放在热带洋盆的表层海温异常(SSTA)上，这是因为热带洋盆的表层海温和许多大气的遥相关、波列、气候模态以及天气形势都密切相关。

至在Bjerknes(1966,1969)的理论假设中，Walker环流和Hadley环流都和沿赤道的表层海温梯度以及热带太平洋的加热现象紧密联系。以往的研究中，基本上都关注太平洋东部或西部区域。例如，在时滞振荡理论中把海气相互作用研究集中在赤道中东太平洋，而Recharge振荡理论把焦点集中在赤道西太平洋。诸多研究将大气对海洋的影响重点放在表层海温对表层风场的响应。

冬季，ENSO是许多大气遥相关型和Rossby驻波波列的较多表现季节。这里，为了更好的理解和ENSO有关的海气相互作用，不仅仅需要分析表层风场和表层海温场，还需要研究对流层整层风矢量和整个海洋上层的热力状况。从动力学观点来看，海洋上层的Rossby波、Kelvin波和对流层中的Hadley环流、Walker环流应该在同一个动力框架中加以考虑。在这一框架中，海洋上层的热含量异常通过Rossby波、Kelvin波来进行热力性质的能量输送，而Hadley环流、Walker环流则在大气中重新分配这些能量。 2100433B