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user: 2. FIO-ESM v1.0的发展及其应用 2.1. FIO-ESM v1.0的发展 海浪是全球海洋中最显著的运动形态之一，也是全球海洋中含能最高的运动形态 [ 18 ]，但含能巨大的海浪在上层海洋中的作用一直并没有被正确地包含在海洋环流模式中。由于小尺度海浪在水平方向上与大尺度环流相差4~5个量级，海浪主要通过海洋垂向混合的作用来影响海洋环流系统。以往对海浪混合的研究主要集中在海浪破碎混合，然而破碎混合影响的深度仅局限在海面以下几米范围内，无法将表层热量输送到更深的海洋次表层，因此，传统研究认为小尺度海浪过程在大尺度海洋与气候系统中作用微弱，其作用一直未受到重视。Qiao等发现除了破碎过程，非破碎海浪可以直接诱发混合，在垂向方向上其影响深度可达波长尺度(百米)，与海洋上混合层厚度相当，进而建立了浪致混合理论 [ 7 ]。将该理论应用到POM (Princeton Ocean Model)、ROMS (Regional Ocean Modeling System)、MOM (Modular Ocean Model)、POP (Parallel Ocean Program)等多个海洋环流模式后，均能通过加强海洋上层的混合，有效改善了海洋模式模拟的夏季混合层偏浅、海表温度(SST)偏高这一经典问题，这表明海浪能够通过非破碎混合的作用对大尺度海洋环流产生重要影响 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。 随后，基于浪致混合理论，宋振亚等将我国自主研发的MASNUM海浪模式耦合至我国中科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(LASG)，发展的气候模式FGCM0 (Flexible Coupled General Circulation Model version 0)，美国大气研究中心(NCAR)发展的气候模式和CCSM3 (Community Climate System Model version 3)中 [ 12 ] [ 13 ]，发现浪致混合通过海洋混合和海气反馈机制在气候系统中发挥了重要作用，能够有效减缓当前气候模式面临的如热带偏差 [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] 、东亚季风区水汽输送不足 [ 16 ] 、南大洋混合层模拟偏浅 [ 17 ] 等系列经典偏差问题，气候模式的模拟和预测能力得到较大提高 [ 13 ]。以上系统性研究揭示了小尺度的海浪过程通过海洋混合和复杂的海气反馈机制在气候系统中发挥的重要作用及其机制，加深了海浪在气候系统中作用的科学理解。 在以上研究基础上，经过大量的数值试验，基于美国大气研究中心气候模式CCSM3耦合框架，以浪致混合为切入点，建立了首个包含海浪分量的气候模式FIO-ESM v1.0 [ 6 ]。 2.2. FIO-ESM v1.0模式简介 作为地球系统模式，FIO-ESM v1.0由气候系统模式和碳循环模式两部分组成(图1)。气候系统模式包括大气环流模式CAM3.0 (Community Atmosphere Model version 3.0) [ 19 ] 、陆面模式CLM3.5 (Community Land Model version 3.5) [ 20 ] 、海洋环流模式POP2.0 (Parallel Ocean Programme) [ 21 ] 、海冰模式CICE4 (Los Alamos National Laboratory Sea Ice Model version 4) [ 22 ] 和海浪模式MASNUM (Marine Science and Numerical Modeling) [ 23 ]，它们借助通量耦合器Coupler6耦合实现为一个完整的气候系统模式；碳循环模型(图1橙色矩形框)包括大气CO 2 三维输运模型、陆地碳循环模型和海洋碳循环模型，这些碳循环模型相互作用组成一个完整的地球碳循环过程，其中陆地碳循环模型为静态植被模型CASA’ [ 24 ]，海洋碳循环模型为改进的OCMIP-2 [ 25 ]。气候物理过程和全球碳循环过程二者相互作用，共同影响全球气候变化。 在FIO-ESM v1.0中，海浪模式从耦合器中得到大气10米风场，然后计算出波浪的方向谱，得到波浪的方向谱后利用波致混合计算公式得到波致混合系数，并发送给耦合器；海洋模式通过耦合器获得波致混合系数，并将其迭加到动量控制方程中的垂向涡粘系数和温度、盐度控制方程中的垂向扩散系数中得到总的垂向混合系数。 图1. 地球系统模式FIO-ESM v1.0框架示意图 FIO-ESM v1.0只有一种分辨率配置(表1)，即大气模式的水平分辨率为T42，约为2.875˚，垂向分为26层，陆面模式的水平分辨率与大气相同，海洋模式的水平分辨率为1˚ × 0.27˚~0.54˚，垂向分为40层，海浪模式的水平分辨率为2˚ × 2˚。大气模式、陆面模式和海冰模式与耦合器的交换频率为24次/d，海洋模式与耦合器的交换频率为1次/d，海浪模式与耦合器的交换频率为4次/d。有关FIO-ESM v1.0的细节见文献 [ 6 ]。 2.3. FIO-ESM v1.0的应用 气候模式FIO-ESM v1.0参加了第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5) [ 26 ]，其中气候系统模式完成了工业革命前控制试验(Pre-industrial)、历史气候模拟试验(historical)、4组典型浓度路径(RCP)未来百年情景试验和6 k年前全新世中期试验，包含碳循环的气候模式完成了地球系统模式工业革命前控制试验(ESM Pre-industrial)、历史气候模拟试验(ESM historical)和RCP8.5的未来百年情景试验(表2)。这是我国海洋领域首次参加国际耦合模式比较计划，FIO-ESM v1.0模式也是所有CMIP5气候模式中唯一耦合海浪的气候模式。据不完全统计，模式数据自通过地球系统网格联盟(ESGF)数据节点发布以来，已被国内外491篇论著引用分析 1 。 CMIP5多模式对比结果表明，FIO-ESM v1.0对东太平洋SST [ 27 ] 、北极海冰的季节循环和变化趋势 [ 28 ] 、厄尔尼诺和南方涛动(ENS0) [ 29 ] 、大气亚澳季风区水汽输送 [ 30 ] 、西北太平洋副热带高压 [ 31 ] 等表 Table 1 Comparison of Components models in FIO-ESM v1.0 and v2. 分量模式 FIO-ESM v1.0 FIO-ESM v2.0 大气 模式名称 CAM3 CAM5 分辨率 水平：T42 (2.875˚ × 2.875˚)； 垂向：26层 水平：f09 (0.9˚ × 1.25˚) 垂向：30层 动力框架 欧拉(EUL) 有限体积(FV) 碳循环 CO 2 三维输运模型 CO 2 三维输运模型 耦合频率 24次/d 48次/d 陆面 模式名称 CLM3.5 CLM4.0 分辨率 水平分辨率与大气一致 水平分辨率与大气一致 碳循环 CASA’模型 CN模型 耦合频率 24次/d 48次/d 海洋 模式名称 POP2 POP2 分辨率 水平：1.1˚ × (0.27˚~0.54˚) 垂向：40层(海洋上1000 m 22层) 水平：1.1˚ × (0.27˚~0.54˚) 垂向：61层(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，其中海洋上1000 m分为40层) 碳循环 OCMIP-2模型 NPZD模型 耦合频率 1次/d 8次/d 海冰 模式名称 CICE4 CICE4 分辨率 水平分辨率与海洋相同 水平分辨率与海洋相同 耦合频率 24次/d 48次/d 海浪 模式名称 MASNUM海浪模式 MASNUM海浪模式子程序版 分辨率 2˚ × 2˚ 水平分辨率与海洋相同 耦合频率 4次/d 8次/d 径流 模式名称 —— RTM1 分辨率 —— 0.5˚ × 0.5˚ 耦合频率 —— 48次/d 耦合器 CPL6 CPL7 表1. FIO-ESM v1.0与v2.0分量模式比较 Table 2 CMIP5 experiments carried out by FIO-ESM v1. 试验名称 积分时段 集合数目 气候系统模式运行试验 工业革命前控制试验(Pre-industrial) 控制积分1200 a 1 历史试验(Historical) 156 a (1850~2005年) 3 RCP2.6情景试验 95 a (2006~2100年) 3 RCP4.5情景试验 95 a (2006~2100年) 3 RCP6.0情景试验 95 a (2006~2100年) 3 RCP8.5情景试验 95 a (2006~2100年) 3 全新世中期(6 k年前)试验 500 a 1 地球系统模式运行试验 工业革命前控制试验(ESM Pre-industrial) 控制积分400 a 1 历史试验(ESM historical) 156 a (1850~2014年) 1 RCP8.5未来情景预测(ESM RCP8.5) 95 a (2006~2100年) 1 表2. FIO-ESM v1.0开展CMIP5试验列表 现出了较好的模拟能力。特别是引入了浪致混合过程，能够将更多的能量从海洋表层传递到次表层，有效缓解了副热带地区混合层模拟偏浅等共性问题 [ 32 ] [ 33 ]，并有效地增加了全球上层海洋热含量 [ 34 ]，进而使得全球平均SST和海冰的模拟更为合理。 图2给出了45个CMIP5气候模式模拟的历史时期(1870~2005年)全球平均SST的变化。从图中可以看出，45个CMIP5模式都能模拟出二十世纪增温的变化趋势，多模式平均(图2红色粗线)与观测(图2黑色粗线)的相关系数可以达到0.857。虽然多模式平均与观测的绝均差为0.101℃，但是各模式模拟的全球平均SST的量级具有较大的不确定性，绝均差最大为1.247℃ (CSIRO-Mk3-6-0)，最小为0.112℃(CMCC-CMS)，其中FIO-ESM v1.0 (图2蓝色粗线)与观测的绝均差为0.146℃，在45个模式中排名分别为第8，表现出了较好的模拟能力。 图2. 历史时期(1870~2005年)全球年平均海表温度(SST)的变化(单位：℃)。黑色粗实线：观测(HadSST1)；红色粗实线：CMIP5多模式平均；其它颜色线：CMIP5模式，其中FIO-ESM v1.0为蓝色粗实线 图3给出了47个CMIP5气候模式模拟的有连续卫星记录以来(1979~2005年)的北极海冰覆盖范围的季节循环情况。观测(图3黑色粗线)显示，北极海冰覆盖范围具有明显的季节循环，每年3月份最大、9月份最小，CMIP5多模式平均(图3红色粗线)与观测符合较好，其误差在每个月均小于观测值的15%，但是模式间的差异较大(图3颜色细线)。CMIP5多模式与观测相比，均方根误差最大为3.99 × 10 6 km 2 (GFDL-ESM2G)，最小为0.36 × 10 6 km 2 (CCSM4)，其中FIO-ESM v1.0 (图2蓝色粗线)与观测的均方根误差为0.66 × 10 6 km 2 ，在47个模式中排名为第8，也表现出了较好的模拟能力。 FIO-ESM v1.0在SST和海冰等方面表现出了较好的模拟能力，因此，我们基于该模式和集合调整卡尔曼滤波同化方案建立了短期气候预测系统 [ 35 ]，自2014年起参与了国际北极夏季海冰预测计划 2 ，每年6月份起提供北极夏季预测结果；2016年起在国家海洋环境预报中心应用，为厄尔尼诺气候会商和雪龙船北极科考提供短期气候预测结果。 图3. 卫星观测及CMIP5模拟的北极海冰覆盖范围的多年(1979~2005年)平均的季节循环(单位：10 6 km 2 )。黑色粗实线：观测；红色粗实线：CMIP5多模式平均；其它颜色线：CMIP5模式，其中FIO-ESM v1.0为蓝色粗实线