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user: 3. FIO-ESM v2.0的发展及参与CMIP6情况 3.1. FIO-ESM v2.0的发展 FIO-ESM v1.0的系列工作表明小尺度海浪可以通过改变海洋中的混合过程进而影响大尺度全球大洋环流和气候变化，对气候模式热带偏差、南大洋混合层模拟偏浅等共性问题有所改善。对于气候模式来说，其模拟偏差不止来源于海洋模式分量，其他模式分量以及通量过程的不完善都会导致气候模式的模拟偏差。因此在FIO-ESM v2.0的发展中，除了分量模式的优化改进外，我们主要关注了海气界面的通量过程，通过引入斯托克斯漂流对海气通量的作用、海浪飞沫对海气热通量作用以及SST日变化等特色物理过程改进海气通量参数化方案。以下简单的对这三个特色物理过程进行简要的介绍，详细介绍见文献 [ 4 ] 和Bao et al 3 .。 3.1.1. 斯托克斯漂流对海气通量作用 斯托克斯漂是由于海表水质点的运动轨迹在表面重力波的非线性作用下不封闭而在海浪传播方向上产生的拉格朗日净输运 [ 36 ]，其方向与海洋表层流场分布接近但有所偏移，其大小可达到海表流速的百分之十，在西风带等区域能够超过海表流速的一半。 当前，气候模式中海气通量计算采用的是块体公式，在计算动量通量风应力、潜热通量和感热通量时，海面风速采用的是大气风场与海表流场的相对速度。事实上，斯托克斯漂流也是海水流动的一部分，因此，在FIO-ESM v2.0海气通量计算时，首次采用了物理上更为合理的参数化方案，即将大气风场、海表流场和斯托克斯漂流三者的相对速度作为海面风速来计算海气通量。 3.1.2. 海浪飞沫对海气热通量作用 海浪破碎伴随产生的飞沫从海洋进入大气边界层并扩散，一方面飞沫的水滴以海水温度进入大气，降低边界层大气温度，从而增大了海洋同大气之间的感热交换，另一方面飞沫水滴蒸发吸热带走海洋的热浪，影响潜热通量。研究表明，当风速超过10 m/s时，飞沫对热通量的影响不容忽视，可达2~3倍，因此，海气界面的热通量应包括直接的湍流热通量和飞沫导致的热通量 [ 37 ]。 在FIO-ESM v2.0海气热通量计算时，首次引入了浪致飞沫对热通量的作用，即在采用块体公式计算出感热通量和潜热通量的基础上，叠加上根据经验公式计算得到的飞沫引起的感热通量和潜热通量作为最终的海气热通量。 3.1.3. SST日变化参数化方案 日变化过程是SST的最主要变化之一，它在海-气相互作用过程中起着重要的作用。在气候模式中，虽然提高大气与海洋的耦合频率，能够模拟出SST日变化过程，但是由于海洋模式垂向分辨率的不足，SST日变化振幅的合理模拟仍是一个挑战 [ 38 ]。在当前海洋垂向分辨率情况下，引入SST日变化参数化方案是一种较为可行的方法。 在FIO-ESM v2.0中，采用了Yang等最新发展的一个SST日变化参数化方案 [ 38 ]，通过海洋模式第一层(5 m层)温度、短波辐射、海表风速等物理量诊断出海洋表层(0 m层)的温度，然后替代原海洋模式的第一层温度发送给耦合器进行海气热通量计算。 3.2. FIO-ESM v2.0模式简介 FIO-ESM v2.0的框架结构与v1.0类似，都是通过耦合器实现不同分量模式之间的耦合(图4)，但由于耦合器由Coupler 6升级为Coupler 7，因此整个模式由原来的多程序多数据流方式(MPMD)变为了单程序多数据流方式(SPMP)。 除了前面介绍的3种特色物理过程外，FIO-ESM v2.0的各分量模式也分别开展了升级和改进(表1)，具体包括：大气分量模式由CAM3升级为CAM5 [ 39 ]，动力框架由谱元欧拉方法变为有限体积法，水平分辨率由T42提高到f09 (0.9˚ × 1.25˚)，垂向分层由26层加密到30层，气溶胶强迫采用的是给定的气溶胶浓度方案，考虑了气溶胶的直接效应和间接效应；陆面分量模式由CLM3.5升级为CLM4.0 [ 40 ]，水平分辨率与大气分量模式相同；海冰分量模式仍为CICE4，水平分辨率保持不变(1.1˚ × 0.27~0.54˚)；海洋分量模式仍为POP2，水平分辨率与海冰分量模式一致，但是垂向分辨率由40层加密到61层，其中第1层为SST日变化参数化方案诊断的0 m海温层，第2~61层为海洋模式垂向分层，包含海洋各要素；海浪分量模式仍为自然资源部第一海洋研究所自主研发的MASNUM海浪模式，但为了减少浪致混合系数带来的三维数据插值和传输代价，提高计算精度和速度，采用了子程序版的海浪模式直接嵌入到海洋分量模式POP2中，水平分辨率由2˚提高到1.1˚ × 0.27~0.54˚；径流分量模式从陆面模式中的模块变为了单独的分量模式RTM (River Transport Model) [ 41 ]，水平分辨率为0.5˚ × 0.5˚。 图4. 地球系统模式FIO-ESM v2.0框架示意图 FIO-ESM v2.0中的大气碳循环模型仍为大气CO 2 三维输运模型，陆地碳循环模型由静态植被模型CASA升级为CN模型(Carbon-Nitrogen) [ 40 ]，海洋碳循环模型升级为海洋生态系统动力学与海洋生物地球化学耦合的NPZD模型(Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus) [ 42 ]。 3.3. FIO-ESM v2.0参加CMIP6情况 与以往的CMIP设计不同，CMIP6试验由通用试验(Common Experiment)和系列模式比较子计划(MIPs)试验组成 [ 43 ] [ 44 ]。其中通用试验为门槛试验，要求所有参加的模式组必须完成，并且提供其模式的全部结果，包括气候诊断、评估和描述试验(DECK， Diagnostic， Evaluation and Characterization of Klima Experiments)、历史气候模拟试验(historical simulations，1850~2014年)两组基础试验，以用来保持连续性和记录CMIP不同阶段的基本特征。系列模式比较子计划是建立在DECK和历史气候模拟试验的基础上，针对特定的科学问题由科学家自行设计和组合提出的多模式比较计划。与通用试验不同，系列模式比较子计划的试验，各个模式组可以自由选择和参加，根据各自的情况，可以部分做或者全部做，不受约束。 基于最新发展的气候模式FIO-ESM v2.0，开展了CMIP6的相关试验(表3)。当前已经完成了所有的通用试验，包括由大气模式比较计划(AMIP)、工业革命前控制试验(piControl)、CO 2 浓度每年增加1%模拟(1 pct CO 2 )和4倍CO 2 浓度突增(abrupt-4 × CO 2 )等4组试验组成的DECK以及历史气候模拟试验。工业革命前控制试验最后700年(301~1000a)全球平均温度和盐度分别为3.78℃和34.72 psu，并且长期变化趋势都较小，分别为0.0155℃/百年和0.0001 psu/百年(图5)，这表明气候模式300年后已经达到了平衡并且较为稳定，没有出现较大的气候漂移，进一步的评估工作结果正在开展中。 此次CMIP6科学计划中已经确认的系列模式比较子计划有21个 [ 43 ]，我们根据感兴趣的科学问题和FIO-ESM的特点，开展了其中6个系列模式比较子计划的试验，分别是耦合气候碳循环模式比较子计划(C4MIP) [ 45 ] 、年代际气候预测子计划(DCPP) [ 46 ] 、全球季风比较子计划(GMMIP) [ 47 ] 、海洋模式比较子计划(OMIP) [ 48 ] 、情景预测模式比较子计划(Scenario MIP) [ 49 ] 和海冰模式比较子计划(SIMIP) [ 50 ]。 Table 3 CMIP6 experiments carried out by FIO-ESM v2. 试验名称 积分时段 集合数目 气候诊断、评估和描述试验(DECK) 大气模式比较(AMIP) 36 a (1979~2014年) 3 工业革命前控制试验(piControl) 控制积分1000 a 1 碳循环工业革命前控制试验(esm-piControl) 控制积分1000 a 1 1% CO 2 增加试验(1 pct CO 2 ) 150 a 3 4倍CO 2 突增试验(abrupt-4 × CO 2 ) 150 a 3 历史试验(Historical Simulation) 历史试验(Historical) 165 a (1850~2014年) 3 碳循环历史试验(esm-hist) 165 a (1850~2014年) 1 耦合气候碳循环模式比较子计划(C4MIP) 1% CO 2 增加试验(1 pct CO 2 -bgc) 140 a 1 SSP5-8.5情景试验(esm-ssp585) 85 a (2015~2100年) 1 年代际气候预测子计划(DCPP) 同化试验(dcppA-assim) 60 a (1960~2019年) 10 回报试验(dcppA-hindcast) 300 a (1960~2019年，每次预测5 a) 10 预测试验(dcppB-forecast) 5 a (2019年) 10 全球季风比较子计划(GMMIP) 大气模式历史试验(amip-hist) 145 a (1870~2014年) 3 IPO和AMO试验(hist-resIPO、hist-resAMO) 145 a (1870~2014年) 3 青藏高原、东非地形和感热强迫试验(amip-TIP、amip-TIP-nosh、amip-hld) 36 a (1979~2014年) 3 海洋模式比较子计划(OMIP) 310 a (1948~2009年，每次预测5a) 3 情景预测模式比较子计划(ScenarioMIP) SSP5-8.5情景试验 85 a (2015~2100年) 3 SSP2-4.5情景试验 85 a (2015~2100年) 3 SSP1-2.6情景试验 85 a (2015~2100年) 3 海冰模式比较子计划(SIMIP) 除AMIP外以上所有试验 3 表3. FIO-ESM v2.0开展CMIP6试验列表 图5. FIO-ESM v2.0开展的piControl试验模拟的700年(301~1000年)全球平均温度(蓝线；单位：℃)和盐度(绿线；单位：psu)的时间序列 按照CMIP6的要求，FIO-ESM v2.0的试验结果正在通过地球系统网格联盟(ESGF)网站https://esgf-node.llnl.gov/search/cmip6/陆续对外发布中。从FIO-ESM v2.0工业革命前控制试验和历史气候模拟试验的初步评估结果来看，相对于FIO-ESM v1.0，FIO-ESM v2.0对热带地区的模拟性能有了较大改进，特别是多年平均SST空间分布、SST日变化过程、ENSO周期和振幅等 [ 4 ]，这可能与新引入的斯托克斯漂流、海浪飞沫和SST日变化对海气通量参数化方案的改进有关。这些过程的影响及机制仍进一步需开展系统性研究。