大气环流与海洋相互作用数值模拟课件

大气环流与海洋相互作用数值模拟欢迎参加大气环流与海洋相互作用数值模拟课程！本课程将深入探讨大气与海洋之间复杂的相互作用机制，以及如何通过数值模拟技术对这些过程进行研究和预测在这门课程中，我们将从基础概念入手，逐步深入到高级模拟技术，帮助你掌握当代气象学和海洋学研究的核心方法本课件包含理论基础、模型构建、案例分析以及前沿发展等多个方面的内容，旨在为你提供全面而深入的学习体验无论你是气象学专业的学生，还是对地球系统科学感兴趣的研究人员，这门课程都将为你打开通往气候系统理解的大门大气环流概念回顾大气环流定义主要环流类型大气环流是指地球大气在全球范围内的大尺度流动模式它是维按照尺度和持续时间，大气环流可分为行星尺度环流、天气尺度持全球热量平衡的主要机制，将低纬度地区的热量输送到高纬度环流和局地环流其中行星尺度环流包括哈得莱环流、费雷尔环地区，同时也是水汽和其他物质传输的关键途径流和极地环流，共同构成了三圈环流模型大气环流的形成主要受太阳辐射分布不均匀和地球自转的影响，此外，季风环流、纬向环流和子午环流也是重要的大气环流类在不同纬度带形成了特征性的环流结构型，它们在不同时空尺度上影响着全球和区域气候特征海洋环流基础深层环流深层海洋环流主要由密度差异驱动，形成了全球大洋传送带北大西洋深水形成区是这一系统的重要引擎，海水下沉后沿深海底表层环流部缓慢流动，最终在印度洋和太平洋上升，表层海洋环流主要由风应力驱动，形成构成全球尺度的深层环流了全球大洋表面的环流系统，如墨西哥湾流、库罗西奥暖流等这些环流直接热盐环流影响着沿海地区的气候特征，也是全球热盐环流是由海水温度和盐度差异引起的环热量再分配的重要途径流系统，它连接了表层和深层环流，形成了一个完整的三维海洋环流结构这一环流系统的时间尺度可达千年，对全球长期气候变化具有重要调节作用大气与海洋的能量交换辐射能量交换潜热交换海洋吸收太阳短波辐射并通过长海水蒸发过程吸收大量热能，形波辐射释放能量海洋表面作为成水汽后输送到大气中当水汽一个巨大的能量库，白天吸收阳凝结成云并降水时，这些热能被光，夜间缓慢释放热量，这种能释放到大气中，是热带气旋等强量存储和释放机制减缓了地球表天气系统能量的主要来源面温度的昼夜变化感热交换通过海气界面的直接接触，海洋和大气之间进行感热交换当海表温度高于气温时，热量从海洋传输到大气；反之，热量则从大气传到海洋，这种交换过程直接影响着海表上方大气的温度结构全球气候系统简介气候系统整体平衡全球能量与水循环的动态平衡五大圈层相互作用大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和冰冻圈大气-海洋耦合核心地位调控全球气候变化的关键环节全球气候系统是一个由多个子系统组成的复杂整体其中，大气圈和水圈（主要是海洋）的相互作用是整个气候系统的核心，占据着主导地位大气和海洋之间通过热量、动量和水汽的交换紧密联系，共同调控着全球气候的变化和稳定大气-海洋耦合过程影响着从天气尺度到气候尺度的各种现象，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北大西洋涛动（NAO）等重要的气候变率模态理解和模拟这些耦合过程是现代气候研究的核心任务大气环流驱动力太阳辐射不均匀分布地球自转效应地球球面形状导致太阳辐射在不同地球自转产生了科氏力，这一虚拟纬度的接收量存在显著差异赤道力改变了大气流动的方向在北半地区接收的太阳辐射强度远高于极球，科氏力使空气流动向右偏转；地地区，这种能量分布不均是驱动在南半球则向左偏转这种偏转效大气环流的基本动力这种辐射差应是形成中纬度西风带、热带东风异导致了低纬地区的空气上升，高带等纬向气流结构的关键因素，也纬地区的空气下沉，形成了最基本是全球大气环流形成三圈环流模式的子午环流的重要原因气压梯度力由温度差异引起的气压差异形成气压梯度力，这是驱动空气运动的直接动力气压梯度力总是从高压区指向低压区，使得大气不断从高压区流向低压区，形成风大尺度天气系统如锋面、气旋和反气旋主要就是由气压差异驱动的海洋环流主导因素风应力驱动大气中的风在海洋表面产生切应力，直接驱动表层海水运动长期的风应力分布形成了全球主要的海洋表层环流系统，如北大西洋环流、北太平洋环流等赤道附近的信风驱动产生了强大的赤道洋流，是热带海洋环流的主要特征温度差异海水温度的空间差异导致海水密度不同，进而产生压力梯度高纬度地区的海水温度低，密度大，倾向于下沉；而低纬度地区海水温度高，密度小，倾向于上升这种温度驱动的深层环流是全球大洋传送带的重要组成部分盐度结构海水盐度的差异同样影响着海水密度高盐度区域的海水密度增大，促使海水下沉；而低盐度区域海水密度较小，倾向于浮于表层在某些特定区域，如北大西洋，盐度和温度共同作用，强化了深水形成过程，对维持全球热盐环流至关重要大气海洋界面过程-热量交换海气界面的热量交换主要包括太阳短波辐射、地球长波辐射、潜热交换和感热交换四个部分海洋作为巨大的热容器，吸收了大约90%的太阳辐射能量，然后通动量交换过各种方式将热量重新分配给大气这一过程对调节全球气候系统的能量平衡至关重要风对海面的摩擦产生风应力，将大气的动量传递给海洋，驱动海洋表层环流同时，海面波浪的存在改变了海面粗糙度，影响了风应力的大小和分布这种双向的动量交换是大气和海洋相互作用的核心机制之一水分交换海气界面的水分交换主要通过蒸发和降水实现海面蒸发将水分输送到大气中，而降水则将水分从大气返回到海洋这一过程不仅涉及水分的转移，也伴随着大气体交换量潜热的交换，是全球水循环和能量循环的重要环节海气界面是多种气体交换的场所，特别是二氧化碳等温室气体的交换海洋吸收了大气中约30%的人为碳排放，减缓了全球变暖的速度海气间的气体交换受到海水温度、盐度、pH值以及表面风速等多种因素的影响现象简介ENSOENSO的本质厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是赤道太平洋区域海气耦合系统的年际变化现象它主要表现为赤道中东太平洋海表温度的异常升高（厄尔尼诺）或降低（拉尼娜），同时伴随着大气中的南方涛动现象，即太平洋东西两侧大气压力场的周期性摆动形成机制ENSO的形成涉及复杂的海气相互作用过程在正常情况下，赤道太平洋的信风将表层暖水推向西太平洋，使得东太平洋出现上升流，形成东冷西暖的海温分布当这一正常状态被打破，信风减弱或反向，导致暖水向东回流，形成厄尔尼诺事件；反之则产生拉尼娜事件全球影响尽管ENSO发生在热带太平洋区域，但其影响却是全球性的通过大气遥相关机制，它会导致全球多地出现降水和温度异常，引发洪涝、干旱等极端天气气候事件中国的季风、美国的飓风活动、澳大利亚的旱涝等都受到ENSO的显著影响厄尔尼诺的数值模拟意义提高气候预测能力准确模拟ENSO事件是提高季节至年际尺度气候预测水平的关键由于ENSO对全球气候有广泛影响，掌握其演变规律能够大幅提升对全球多地区降水和温度异常的预报能力，为农业生产、水资源管理等提供重要参考理解海气耦合机制ENSO是研究海气耦合过程的自然实验室通过对ENSO的数值模拟，科学家可以深入理解热带海气相互作用的物理机制，包括正负反馈过程、波动周期形成等关键问题，为完善气候理论提供科学依据评估气候变化影响在全球变暖背景下，ENSO的特征可能发生变化通过数值模拟评估ENSO对气候变化的响应及其反馈作用，有助于更全面地了解未来气候变化的可能情景，为制定减缓和适应气候变化的策略提供科学支持数值模拟简介基本物理方程数值模拟基于描述大气和海洋运动的基本物理方程组，包括动量方程、连续性方程、热力方程和状态方程等离散化网格将连续空间转化为有限的网格点，在时间和空间上对方程进行离散化处理数值求解算法利用有限差分、有限元、谱方法等数值算法对离散化方程进行求解计算机实现通过高性能计算机对算法进行编程实现，完成大规模并行计算数值模拟是研究大气和海洋动力过程的强大工具它将复杂的物理过程转化为可以在计算机上实现的数值算法，通过求解描述流体运动的基本方程组，再现大气和海洋的演变过程这种方法既可以用于天气预报等短期预测，也可以用于气候变化等长期模拟大气环流模式（）结构AGCM动力学核心辐射过程求解原始方程组，包括动量、质量、能量守恒处理太阳短波和地球长波辐射传输等方程边界层过程云与降水处理近地面大气与下垫面的相互作用模拟云形成、发展和降水过程大气环流模式（AGCM）是模拟全球或区域大气运动和物理过程的数值模型它的核心是求解描述大气运动的流体力学方程组，同时结合各种物理过程的参数化方案，如辐射传输、云和降水、大气边界层等在空间分辨率方面，当代全球大气模式一般采用水平分辨率在10-100公里范围内的网格系统，垂直方向通常分为几十个层次较高的分辨率可以更好地解析小尺度过程，但也会显著增加计算资源需求因此，在实际应用中，需要根据研究目的在模拟精度和计算效率之间进行平衡海洋环流模式（）关键环节OGCM海洋环流模式（OGCM）是模拟海洋流动和物理过程的数值工具与大气模式相比，海洋模式需要特别关注垂直结构的处理，因为海洋中存在明显的分层现象，如混合层、温跃层和深层水等现代海洋模式通常采用z坐标系、σ坐标系或混合坐标系来描述垂直结构海洋模式中的剖面动力学处理是一个关键环节，包括垂直混合参数化、内波过程模拟、以及上升流和下沉流的表示等此外，海洋模式还需要特别考虑复杂海底地形的处理，以及开边界条件的设置等问题随着计算能力的提升，高分辨率海洋模式能够更好地模拟中尺度涡旋等重要海洋过程普通型与耦合型模式对比独立模式特点耦合模式优势在独立的大气模式中，海洋被简化为预设的边界条件，通常以观耦合模式将大气和海洋作为一个统一的系统进行模拟，允许两者测或分析的海表温度场作为下边界这种简化虽然减少了计算之间的双向相互作用海气界面的热量、动量和水汽交换在模式量，但忽略了海洋对大气变化的响应，难以正确模拟海气相互作内部实时计算，能够更真实地再现如ENSO等依赖于海气相互作用过程用的气候现象类似地，独立的海洋模式需要预设大气强迫场，如风应力、热通耦合模式还可以避免独立模式中可能出现的不物理的边界条件，量等，无法反映海洋状态变化对大气环流的反馈影响这种单向如海表温度在大气模式中被强制恒定这对于季节预测和气候变的强迫方式在模拟短期过程时可能足够，但对长期气候模拟则存化研究尤为重要，因为这些时间尺度上，海气相互作用不能被忽在明显局限略，是系统演变的关键驱动力气候模式发展简史第一代模式1960-1970年代简单的大气环流模式，海洋通常被简化为混合层或指定的边界条件这一时期的模式主要关注大气环流的基本特征，分辨率较低，物理过程参数化方案相对简单典型代表如菲利普斯的二层准地转模式第二代模式1980-1990年代开始发展初步的海气耦合模式，但耦合过程仍较为简单模式分辨率有所提高，物理过程表示更加完善这一时期，全球气候模式开始被用于气候变化研究，为IPCC第一次和第二次评估报告提供科学支持第三代模式1990-2000年代海气耦合更加紧密，开始整合陆面、海冰等其他气候系统组分模式分辨率进一步提高，参数化方案更加精细，能够更好地模拟ENSO等复杂气候现象这一代模式支撑了IPCC第三次和第四次评估报告第四代及以后2010年至今发展为完整的地球系统模式，整合大气、海洋、陆地、冰圈和生物地球化学循环等高分辨率、多尺度嵌套和先进的数据同化技术成为新一代模式的特点这些模式为IPCC第五次和第六次评估报告提供了科学基础耦合模式（）基本原理CGCM大气模式组件负责模拟大气环流和物理过程，包括辐射传输、云和降水、大气边界层等大气模式接收来自海洋模式的海表温度、海冰覆盖等信息，计算风应力、热通量和淡水通量等反馈给海洋模式耦合器作为大气模式和海洋模式之间的翻译官，负责处理两个子模式之间的数据交换耦合器需要处理不同网格系统之间的插值，保证能量和质量守恒，并协调不同模式组件的时间步长海洋模式组件负责模拟海洋环流和物理过程，包括热盐环流、海水混合、海冰动力学等海洋模式接收来自大气模式的风应力、热通量和淡水通量等信息，计算海表温度、海冰覆盖等反馈给大气模式其他组件现代耦合模式通常还包括陆面模式、海冰模式、大气化学模式和海洋生物地球化学模式等子系统，形成更加完整的地球系统模式（ESM）这些组件各自模拟特定的地球系统过程，并通过耦合器与其他组件交换信息大气海洋耦合方式-弱耦合强耦合在弱耦合模式中，大气和海洋模式各自独强耦合模式中，大气和海洋模式在每个时立运行一段时间（如一天或几天），然后间步长或很短的时间间隔内就进行信息交交换边界条件信息这种方式实现简单，换这种方式能够更准确地模拟海气界面计算效率高，但可能无法准确捕捉快速变的快速过程，捕捉复杂的反馈机制化的海气相互作用过程强耦合计算量较大，实现难度高，但物理弱耦合适用于大时间尺度的气候模拟，在表达更加合理现代高性能计算机的发展气候平均态和季节变化等方面表现良好使得强耦合模拟变得更加可行在模拟台然而，对于需要精确模拟海气界面快速过风-海洋相互作用、日尺度海气耦合过程等程的研究，如热带气旋与海洋的相互作研究中，强耦合模式具有明显优势用，弱耦合可能存在局限性单向与双向耦合单向耦合是指一个模式组件影响另一个组件，但不接受反馈例如，大气模式影响海洋，但海洋状态变化不反馈给大气这种简化方法计算效率高，但忽略了重要的反馈过程双向耦合允许模式组件之间的相互影响，更符合自然系统的真实情况现代气候模式通常采用双向耦合方式，以便捕捉海气系统中的多种反馈机制，这对于正确模拟ENSO等现象至关重要耦合过程的关键变量在大气-海洋耦合模式中，界面通量的准确计算是模拟海气相互作用的核心主要的界面通量包括热通量（感热通量和潜热通量）、动量通量（风应力）和淡水通量（降水和蒸发的差值）这些通量共同决定了大气和海洋之间的能量、动量和物质交换，是驱动两个系统协同演变的关键在耦合模式中，这些通量变量需要在大气模式的最底层和海洋模式的最上层之间传递由于大气和海洋模式通常采用不同的网格系统和时间步长，耦合器需要进行时空尺度的转换和插值，同时保证物理量守恒此外，为了减少模式漂移，有时需要对这些通量进行适当的修正或调整，这是耦合模式调试和应用的重要环节模型边界条件设置边界类型识别气候模式中的边界条件可分为时间不变的固定边界和随时间变化的外部强迫固定边界包括陆地-海洋分布、地形高度、土壤类型等；外部强迫包括太阳辐射变化、火山活动、温室气体浓度等在设置模式边界条件时，首先需要明确研究目的，确定哪些边界需要固定，哪些需要随时间变化数据来源选择边界条件数据可来自观测、再分析或其他模式输出例如，地形高度可使用ETOPO等全球数字高程模型；海陆分布可基于高分辨率的海岸线数据集；温室气体浓度可采用IPCC推荐的历史重建或未来情景数据数据源的选择应考虑其精度、时空覆盖范围及与模式分辨率的匹配程度数据处理与适配原始边界数据通常需要进行预处理，以适应模式的网格系统和格式要求这包括空间插值、时间插值、数据格式转换等处理过程中需注意保持物理量守恒，避免引入不合理的空间不连续性对于特定研究，可能还需要进行理想化处理，如平滑地形、调整海岸线等边界敏感性测试边界条件的不确定性可能显著影响模拟结果通过敏感性测试，可以评估不同边界设置对模式性能的影响，识别关键边界参数，并优化最终配置例如，对于区域气候模拟，侧边界位置和缓冲区设置的敏感性测试尤为重要；对于古气候模拟，则需重点关注地形重建和海陆分布的不确定性时空分辨率与数值稳定性分辨率类型典型配置适用研究计算消耗低分辨率水平200-300km，长期气候模拟，千较低垂直20-30层年尺度中分辨率水平100-200km，气候变化研究，世中等垂直30-50层纪尺度高分辨率水平25-50km，垂直区域气候，极端事较高50-100层件超高分辨率水平25km，垂直中尺度过程，台风极高100层等模式的时空分辨率对模拟结果有显著影响较高的空间分辨率可以更好地解析地形、海陆分布和小尺度动力过程，提高模拟的真实性然而，分辨率提高会导致计算量呈几何级数增长，同时也需要相应减小时间步长以保证数值稳定性数值稳定性是模式设计中的关键问题库朗-弗里德里希斯-莱维（CFL）条件是保证显式数值方案稳定性的基本准则，要求时间步长小于网格尺度除以信号传播速度此外，模式中还需考虑计算模式、差分格式、时间积分方案等因素对稳定性的影响在实际应用中，往往需要在计算效率和模拟精度之间寻找平衡点模型初值与资料同化初值获取途径资料同化概念气候模式的初始条件可以来自多种途径一种常见方法是使用观资料同化是将观测信息与模式预报结合，得到最优估计的技术测或再分析资料直接初始化模式例如，ERA

5、NCEP等再分析它是构建再分析资料和提高模式预报技巧的关键方法常用的同数据集提供了完整的大气和海洋状态变量，可用于模式初始化化方法包括最优插值、三维/四维变分同化和集合卡尔曼滤波等另一种方法是通过模式自旋转（spin-up）获得平衡态作为初始在耦合模式中，资料同化面临特殊挑战，如大气和海洋观测的不条件这种方法先用气候态强迫运行模式较长时间，等系统达到平衡分布、不同变量的观测误差特征各异、以及耦合系统的多尺准平衡状态后，再将该状态作为正式模拟的初始条件这有助于度特性等耦合资料同化是当前研究热点，旨在同时利用大气和减少模式初期的非物理振荡海洋观测改进耦合模式的初始状态估计气候系统模式（）发展ESM完整地球系统模式整合全部自然和人类系统组件碳循环-气候耦合模式加入生物地球化学过程和碳循环多成分物理气候模式大气、海洋、陆面、冰雪等物理过程大气-海洋耦合模式基础的大气和海洋动力学耦合地球系统模式（ESM）是气候模式发展的高级阶段，它超越了传统的物理气候模式，整合了更多的地球系统成分和过程从最初的大气-海洋耦合，到加入陆面、海冰、气溶胶等物理组分，再到纳入碳循环、氮循环等生物地球化学过程，ESM的复杂性不断提高当前ESM发展的主要趋势包括提高模式分辨率以更好地解析区域过程；完善各组分之间的反馈机制；加强人类活动（如土地利用变化、城市化等）的表示；以及整合更多的地球系统成分如动态植被、陆地冰盖、海洋生态系统等这些进展使得ESM能够更全面地模拟气候系统的复杂性和变化典型耦合模式CMIP25+参与国家来自世界各地的主要气候研究机构100+模式版本不同复杂度和分辨率的气候系统模式6阶段演进从CMIP1到CMIP6持续的模式改进

23.7PB数据量CMIP6产生的海量模拟结果数据耦合模式比较计划（CMIP）是一项国际合作项目，旨在协调全球主要气候模式中心的模拟实验，提供标准化的模式输出用于多模式比较和气候变化研究CMIP始于1995年，目前已发展到第六阶段（CMIP6）在每一阶段，参与机构按照统一的实验设计运行其气候模式，生成可比较的模拟结果CMIP的数据为IPCC评估报告提供了科学基础，也是气候变化研究的重要资源通过多模式比较，可以评估模式性能，量化预测不确定性，并识别需要改进的关键过程CMIP6包含了一系列核心实验和多个专题模拟项目（MIPs），涵盖了从模式评估到未来气候情景、从古气候到单一强迫响应等多个方面主要国际气候模式介绍NCAR CESMEC-Earth HadGEM美国国家大气研究中心（NCAR）开EC-Earth是由欧洲多国气象和研究机英国哈德莱中心全球环境模式发的社区地球系统模式（CESM）是构联合开发的地球系统模式其大气（HadGEM）系列是英国气象局开发世界领先的气候系统模式之一它包模式基于欧洲中期天气预报中心的综合气候模式最新版本HadGEM3含大气、海洋、陆面、海冰、陆冰和（ECMWF）的天气预报系统，海洋模整合了大气、海洋、陆面、海冰等组碳循环等组件，支持多种分辨率配式采用NEMO，还包括海冰、陆面和件，并加入了大气化学、碳循环等过置CESM特别强调社区开发和开源生物地球化学组件EC-Earth的特点程HadGEM模式在云和气溶胶过程共享，拥有广泛的用户群体是将天气预报和气候模拟技术紧密结的表示方面具有特色，也是开发高分合辨率气候模拟的重要平台MIROC日本开发的MIROC（Model forInterdisciplinaryResearch onClimate）是由东京大学、国立环境研究所和海洋地球科学技术研究机构联合研制的气候系统模式MIROC具有完善的大气、海洋、陆面和冰雪组件，特别关注东亚和西太平洋区域的气候模拟，在季风和台风研究方面贡献显著中国主要气候模式BCC-CSM FGOALS北京气候中心-气候系统模式（BCC-CSM）是中国气象局开发的FGOALS（Flexible GlobalOcean-Atmosphere-Land System全球气候系统模式该模式包含大气、海洋、陆面、海冰和碳循Model）是中国科学院大气物理研究所主导开发的全球海-气-陆环等组件，大气部分采用谱模式框架，具有较好的中高纬度环流耦合模式该模式具有灵活的组件配置，支持多种分辨率和复杂模拟能力度设置，适应不同研究需求BCC-CSM已成功参与CMIP5和CMIP6国际比较计划，其模拟结FGOALS模式家族包括多个版本，如FGOALS-g、FGOALS-s和最果被广泛应用于全球和区域气候变化研究该模式在东亚季风、新的FGOALS-f各版本在动力核心和参数化方案上有所差异，ENSO周期和全球温度变化等方面的模拟表现良好，为中国气候共同构成了中国气候模拟的重要工具集FGOALS模式在古气候变化评估提供了重要科学支撑模拟、长期气候变化和极端气候事件研究等方面取得了显著成果大气环流模式关键物理过程辐射传输过程辐射传输是大气能量收支的核心过程，包括太阳短波辐射和地球长波辐射的吸收、散射和发射现代气候模式通常采用辐射传输方程的近似解法，如两流近似或多流近似，将大气分为多个波段处理辐射计算考虑了气体（如水汽、二氧化碳、臭氧等）、云和气溶胶的影响，是模拟地球能量平衡的关键云与降水物理云和降水过程涉及水汽凝结、云滴形成、云滴生长和降水产生等复杂微物理过程由于这些过程发生在模式网格尺度以下，需要通过参数化方案表示常见的云参数化包括大尺度凝结方案和对流参数化方案前者处理网格尺度的层状云，后者表示次网格尺度的对流云系统边界层过程大气边界层是接近地表的大气层，直接受到地表影响，是大气与下垫面交换动量、热量和水汽的关键区域边界层参数化方案描述了湍流混合、热量和水汽通量等过程，通常基于湍流闭合理论，如K理论、高阶闭合或非局部闭合方案准确模拟边界层过程对气候模拟至关重要海洋模式典型参数化海表混合层参数化中尺度涡旋参数化海表混合层是海洋上层受风和浮力海洋中尺度涡旋（如海洋漩涡）是强迫影响而相对均匀的水层，通常海洋中普遍存在的动力特征，尺度深度在几十到几百米混合层参数通常为几十到几百公里除非模式化方案描述了湍流混合过程，包括分辨率极高，否则无法直接解析这风生混合、对流混合和双扩散混合些涡旋，需要通过参数化表示常等常用的参数化方案有KPP（K-用的涡旋参数化方案包括Gent-Profile Parameterization）、TKE McWilliams方案，它模拟了涡旋引（Turbulent KineticEnergy）模型起的等密度面平流和混合效应，对等，它们基于不同物理原理估计湍维持海洋温盐结构至关重要流扩散系数温跃层结构处理温跃层是海洋中温度快速变化的层次，通常位于混合层之下准确模拟温跃层结构对再现海洋环流和海-气相互作用至关重要除了垂直分辨率的合理设置外，还需要适当的垂直混合参数化方案，如基于Richardson数的参数化或内波混合参数化等，以表示跃层区域的弱混合特性海气界面风应力计算-全球能量平衡问题辐射平衡能量修正动量平衡全球能量平衡首先体现为辐射平衡，即地球系为了解决能量不平衡问题，气候模式中通常采除了能量平衡外，全球动量平衡也是模式稳定统吸收的太阳短波辐射与向外发射的长波辐射用能量修正或通量调整技术一种常见方法是性的重要方面地表摩擦和山区重力波拖曳等大致相等在理想状态下，这两个辐射量应当在海-气界面引入热通量修正项，确保长期平均过程会消耗大气角动量，需要通过参数化方案完全平衡，但由于模式的参数化方案不完善和的海洋净热通量接近零另一种方法是调整辐合理表示如果模式中这些过程表示不当，可数值离散化误差等因素，模式中常常出现能量射参数化方案中的某些参数，使得模式的辐射能导致西风带强度不合理增强或减弱为此，不平衡问题，表现为系统能量的持续增加或减平衡更接近观测这些调整虽然可能不完全符模式中需要仔细调整摩擦和重力波拖曳参数，少合物理原理，但对维持模式的长期稳定性至关确保动量平衡合理重要常用网格系统与算法经纬度网格立方球网格1最传统的网格系统，结构简单，易于实现在极将立方体投影到球面，避免极点奇异性，但需处区存在网格收敛问题，需特殊处理理接缝区域六边形/三角形网格谱方法4基于二十面体细分，网格分布均匀，适合高分辨基于球谐函数展开，适合表示光滑场，精度高但率模拟计算复杂气候模式中的网格系统选择直接影响计算效率和模拟精度传统的经纬度网格在极区存在网格收敛问题，导致数值不稳定或需要较小的时间步长；而准均匀网格如立方球网格或六边形网格则可以避免这一问题，提高计算效率，但增加了模型实现的复杂性在求解方法上，有限差分、有限体积、谱方法和有限元方法是常用的数值算法谱方法在全球模式中应用广泛，特别是对于大尺度流动的模拟具有高精度优势；而有限体积法因其良好的守恒性质，在区域模式和复杂地形区域模拟中表现出色现代气候模式往往采用混合算法，如水平方向使用谱方法，垂直方向使用有限差分法液固气耦合中的地表过程--地表过程是链接大气与下垫面（陆地、海冰、海洋）的重要环节在陆地表面，土壤水分状态直接影响蒸发和感热通量分配，进而影响大气边界层结构和降水现代陆面模式通常包含多层土壤水热传输、植被蒸散、雪盖演变等物理过程，用于计算陆-气界面的能量和水分通量海冰是极地区域海-气相互作用的关键调节器海冰模式模拟海冰的生成、融化、漂移和形变等过程，计算冰面温度、反照率和热通量等关键变量海冰的存在显著改变了海-气界面的热量和动量交换特性，影响高纬度地区的气候状态在耦合模式中，海冰模式通常需要与大气和海洋模式同时交换信息，形成三者之间的完整耦合系统长时间积分模拟挑战模式漂移问题长期积分中，即使很小的系统性偏差也会随时间累积，导致模式状态逐渐偏离真实气候，这就是所谓的模式漂移例如，如果海洋模式中存在微小的能量不守恒，可能导致海洋温度长期缓慢升高或降低，影响后续模拟结果的可信度解决模式漂移需要精心调整参数化方案，确保关键守恒律的满足计算资源限制气候模式的长期积分需要大量计算资源例如，一个中等分辨率（约100公里）的全球耦合模式，模拟100年可能需要数千个CPU核心运行数周或数月这一挑战随着模式复杂度和分辨率的提高而加剧科学家通常需要在模拟长度、模式复杂度和空间分辨率之间进行权衡，以适应可用的计算资源数据存储与分析长期气候模拟产生的数据量极其庞大一次百年尺度的全球耦合模拟可能生成数十到数百TB的输出数据这些海量数据的存储、传输、处理和分析都面临巨大挑战现代气候模拟通常需要专门的数据管理策略，包括数据压缩、分析流水线和分布式存储系统等，以应对大数据挑战结果解释与不确定性长期气候模拟结果的解释需要特别谨慎，因为模式中的不确定性会随着积分时间增加而放大这些不确定性来源于初始条件、边界条件、模式参数和结构等多个方面为此，气候研究通常采用集合模拟方法，通过多次略有不同的模拟来量化预测的不确定性范围，提高研究结论的可靠性数据同化与再分析资料再分析资料名称机构时间覆盖范围空间分辨率ERA5欧洲中期天气预报中心1979年至今31公里NCEP-CFSR美国国家环境预报中心1979-2011年38公里JRA-55日本气象厅1958年至今55公里MERRA-2美国航空航天局1980年至今50公里数据同化是一种结合观测数据和模式预报的最优化方法，旨在获得大气或海洋状态的最佳估计常用的同化方法包括三维变分同化3D-Var、四维变分同化4D-Var和集合卡尔曼滤波EnKF等这些方法通过最小化观测与模式之间的差异，不断修正模式状态，使其更接近真实情况再分析资料是利用固定版本的数值模式和同化系统，对历史观测数据进行回溯性处理生成的一致性资料集它结合了观测的真实性和模式的物理一致性，弥补了观测在时空上的不均匀分布再分析资料广泛应用于气候研究、模式验证和初值化等领域随着卫星观测等新型观测系统的发展和同化方法的改进，再分析资料的质量不断提高，为气候研究提供了越来越可靠的基础数据观测与模拟结果对比极端气候事件模拟能力热带气旋模拟极端降水事件模拟热带气旋是检验气候模式分辨率和物理过极端降水事件与局地强对流、地形强迫和大尺程表示能力的严峻挑战传统低分辨率气候模度环流异常等因素有关气候模式在模拟极端式（100km）只能粗略表示热带气旋的大尺降水方面面临分辨率限制和参数化不确定性双度环境条件，无法解析气旋内部结构高分辨重挑战传统模式通常低估极端降水强度，高率全球模式（25-50km）可以捕捉气旋数量和估降水频率大致路径，但强度通常偏弱改进对流参数化方案和增加模式分辨率是提高只有超高分辨率模式（10km）才能较好地模极端降水模拟能力的两个主要途径随着计算拟气旋强度和内部结构当前研究通常采用变能力提升，允许显式模拟对流的风暴解析气分辨率或区域嵌套方法提高关键区域的分辨候模式正成为研究热点率，以改善热带气旋模拟年代际气候异常年代际气候异常如太平洋十年际振荡PDO和大西洋多十年际振荡AMO具有较长时间尺度，对其模拟需要较长的积分时间气候模式在模拟这些长期变率模态时，面临着初始化、海洋过程表示和内部变率估计等多重挑战通过集合模拟和初始化技术改进，现代气候模式在年代际预测方面取得了进展，但技巧仍有限，特别是在海洋热容量变化预测等方面仍需改进事件的多模式集成预测ENSO集合预报技术预报表型分析多模式集合预报是提高ENSO预测技巧的有效方法通过结合多预报表型分析是评估ENSO预测能力的重要方法，它关注模式在个模式的预测结果，可以减少单一模式的系统性偏差，增加预测模拟ENSO特征（如强度、周期、空间模态等）方面的表现研的稳健性目前国际上多个业务中心采用的ENSO预测系统都基究表明，现代气候模式对ENSO预测已有一定能力，春季预测障于集合预报技术，如IRI/CPC、APCC等碍（春季预测技巧显著下降）仍是主要挑战集合成员的构建方式包括多初始条件扰动、多参数化方案集合不同模式对ENSO多样性的模拟能力差异显著一些模式能较好以及多模式集合等多模式集合通常优于单一模式集合，因为它区分东太平洋型和中太平洋型厄尔尼诺，而另一些则倾向于将所能够更好地表示预测的结构性不确定性有事件模拟为单一类型多模式集成可以在一定程度上改善这一问题，但ENSO多样性预测仍是研究前沿人为活动对大气海洋系统影响-温室气体排放人类活动释放的温室气体（如二氧化碳、甲烷等）增强了大气温室效应，导致全球变暖气溶胶污染人为气溶胶影响辐射平衡和云微物理，对区域气候产生复杂影响土地利用变化3森林砍伐、城市化等改变地表特性，影响局地和区域气候条件海洋酸化与升温海洋吸收CO2导致酸化，吸收热量导致海水升温，影响海洋生态系统在气候模式中模拟人为活动影响需要构建各种排放情景IPCC评估报告使用的代表性浓度路径（RCPs）和共享社会经济路径（SSPs）情景为未来气候模拟提供了标准化的温室气体浓度轨迹这些情景包括从低排放（RCP

2.6/SSP1-

2.6）到高排放（RCP

8.5/SSP5-

8.5）的多种可能性，代表不同的社会经济发展和减排政策路径气候模式模拟表明，在高排放情景下，全球气温可能在本世纪末升高4-5℃，导致海平面显著上升、极端天气事件增多、生态系统受损等严重后果这些模拟结果为制定气候变化减缓和适应政策提供了科学依据，也强调了采取行动控制温室气体排放的紧迫性气候变化背景下耦合模拟新进展10km30+全球高分辨率耦合组件数新一代模式分辨率显著提高完整地球系统模式的子系统数量倍100+1000集合成员计算能力提升大规模集合模拟的典型成员数过去20年超算性能增长在气候变化研究中，非线性反馈过程是理解和预测系统演变的关键挑战这些过程包括云-辐射反馈、冰-反照率反馈、碳循环反馈等，它们可能放大或减弱初始扰动，在某些情况下甚至导致系统突变新一代耦合模式通过改进参数化方案、提高分辨率和整合更多地球系统组件，正在提高对这些复杂反馈的模拟能力高分辨率模拟是当前气候模式发展的重要趋势随着超级计算机性能的提升，全球风暴解析模式（水平分辨率10km）和海洋涡旋解析模式（分辨率10km）变得可行这些高分辨率模式能够显式模拟对流过程和中尺度涡旋，大大减少参数化依赖，提高模拟的物理真实性，特别是在极端事件和区域气候变化方面表现出优势高性能计算在数值模拟中的作用全球海洋环流变化模拟实例红海环流再现西太平洋暖池研究红海作为半封闭海域，具有高盐西太平洋暖池是全球最大的暖水度、高温度和复杂的环流结构高体，对ENSO循环和亚洲季风有重要分辨率海洋模式（分辨率约1-4公影响耦合模式模拟表明，在全球里）成功模拟了红海的复杂环流系变暖背景下，暖池区域可能扩大，统，包括季节性涡旋、沿岸射流和平均温度升高，这将影响热带太平跨盆地流动等特征模拟结果显洋的温度梯度和沃克环流强度有示，红海环流受风场季节变化和地研究预测，暖池边界的东移可能导形强迫的双重影响，在夏季北部盛致未来厄尔尼诺事件特征发生变行气旋式环流，冬季则转为反气旋化，中太平洋型厄尔尼诺可能变得式更加频繁墨西哥湾流变化墨西哥湾流是北大西洋的主要西边界流，对北美和欧洲气候有重要影响高分辨率海洋模拟显示，在温室气体增加情景下，墨西哥湾流路径可能北移，强度可能减弱，同时伴随着中尺度涡旋活动的变化这些变化与格陵兰冰盖融化导致的淡水输入增加和北大西洋温度梯度变化有关，可能对欧洲气候产生深远影响区域高分辨率耦合模式案例南海季风模拟是检验区域气候模式性能的重要案例由于南海地区复杂的地形和海陆分布，准确模拟其季风环流需要较高的模式分辨率研究表明，采用10-25公里分辨率的区域耦合模式能够较好地再现南海夏季风的爆发、进退过程以及与之相关的降水特征这些高分辨率模拟还揭示了南海季风环流与南海暖涡、上升流区域之间的相互作用机制，这是全球低分辨率模式难以捕捉的东海黑潮是西北太平洋的重要西边界流，其动力学特征对东亚区域气候有显著影响高分辨率海洋模式（5公里）能够解析黑潮的涡旋脱落、路径变化和季节性强度波动等特征耦合模拟研究显示，黑潮的强度和位置变化通过改变海-气热通量和水汽输送，影响了东亚沿海地区的降水和温度分布这类区域高分辨率耦合模拟为理解局地气候变化提供了重要工具多模式对比评估方法Taylor图评估多变量评分卡集合误差分析Taylor图是一种综合展示模式性能的图形工评分卡是一种表格形式的评估工具，它针对集合误差分析关注多模式结果的离散程度和具，它在一个极坐标系中同时显示相关系多个变量和指标对不同模式进行评分和排可靠性通过分析模式间的一致性（如集合数、标准差比和均方根误差三个统计量在名现代气候模式评估通常考虑大气环流、平均与观测的偏差）和离散度（如集合标准Taylor图中，参考数据（通常是观测）位于海洋环流、温度场、降水场等多个方面，构差），可以评估预测的不确定性水平在横轴上；模式结果在图中的位置由其与参考建综合评分系统评分卡方法直观展示了各CMIP等多模式比较中，集合误差分析是一数据的相关系数（角度）和标准差比（径向模式的优缺点，有助于识别系统性问题和改种标准做法，它帮助研究者理解模式预测的距离）决定；两点之间的距离与标准化均方进方向可信度和敏感性根误差成正比典型模式缺陷讨论低纬能量闭合难题大多数气候模式在模拟热带地区的能量收支平衡时面临挑战模式通常无法准确再现热带对流区的云辐射强迫，导致热带辐射平衡和能量传输存在系统性偏差这一问题在热带太平洋尤为突出，与模式中的双ITCZ现象（赤道两侧出现不切实际的双降水带）密切相关极地海冰参数化不足海冰过程的参数化是气候模式的薄弱环节大多数模式对海冰厚度分布、融化池形成、雪冰反照率演变等微物理过程的表示不够准确，导致在模拟北极海冰季节和年际变化时存在显著偏差这些偏差进一步影响了高纬度地区的温度和环流模拟，是极地放大效应不确定性的重要来源季风环流模拟偏差准确模拟季风系统仍是气候模式面临的重大挑战多数模式在模拟季风强度、爆发时间和撤退过程时存在系统性偏差，特别是在亚洲季风区这些偏差与模式分辨率不足（无法解析复杂地形）、对流参数化不完善以及海陆热力对比表示不准确等因素有关，影响了对季风区未来气候变化的可靠预测新兴观测手段对模式的促进ARGO浮标网络遥感风浪场全球海洋自动剖面浮标阵列，提供前所未有的海洋卫星散射计和SAR提供高分辨率的海面风场和波浪场三维温盐结构观测数据激光雷达探测多普勒雷达网提供云和气溶胶垂直分布等精细结构数据提供高时空分辨率的降水和风场三维结构观测新一代观测系统对气候模式发展起到了关键促进作用ARGO浮标网络自2000年部署以来，已在全球海洋布放超过3000个自动剖面浮标，这些浮标每10天自动上浮一次，测量从2000米深度到海表的温度和盐度剖面这一前所未有的海洋三维观测网络极大改善了对海洋状态的认识，为海洋模式提供了宝贵的验证和初始化数据卫星遥感技术的进步同样推动了模式发展新一代散射计和合成孔径雷达（SAR）可以提供高分辨率的海面风场和波浪场数据，这些观测填补了传统观测的空白，有助于改进海-气界面通量参数化方案同时，多普勒雷达网络和激光雷达等地基遥感系统为检验和改进模式中的云和降水过程提供了详细数据这些新兴观测手段通过资料同化和模式验证两条途径，持续推动着气候模式向更高精度发展国内外最新研究综述极端事件归因研究1近年来，利用大规模集合模拟评估气候变化对极端天气事件影响的归因研究取得重要进展研究表明，气候变化已显著增加了某些地区热浪、极端降水等事件的发生概率多模式集合和条件归因方法的发展使得这类研究更加可靠，为理解和预测未来极端气候事件提供了科学依据气候反馈机制研究云反馈和碳循环反馈是当前气候敏感性研究的热点最新研究表明，低云反馈可能比之前认为的更加正向，这意味着全球变暖响应可能处于敏感性估计范围的上限同时，地球系统模式模拟显示，随着全球变暖，陆地和海洋碳汇可能减弱，进一步加剧温室气体积累，这一正反馈过程增加了未来气候变化的不确定性中国团队成果3中国气候模拟团队近年来在多个领域取得突破中国科学院大气物理研究所开发的高分辨率FGOALS-f模式成功模拟了全球风暴尺度天气系统；北京气候中心的BCC-CSM模式在模拟季风变率和全球碳循环方面取得进展；南京大学和中国海洋大学等机构在区域海气耦合模拟方面也有重要贡献，特别是在东亚季风和西北太平洋台风活动研究方面多源资料融合趋势完全集成地球系统观测实现多圈层、多尺度数据的智能融合与应用人工智能辅助数据同化深度学习提升复杂数据的处理与同化能力多学科数据互联互通气象、海洋、生态等领域数据标准化整合传统单一领域观测网络独立采集与处理特定学科观测数据随着大数据技术的发展和观测系统的完善，气候研究正向多源资料融合方向发展传统上，大气、海洋、陆地等不同圈层的观测数据往往由不同机构独立管理和使用，数据格式和质量控制标准各异，阻碍了综合分析和应用近年来，国际和国内科研机构正在推动建立统一的地球系统观测数据平台，实现气象、海洋、生态等多领域数据的标准化整合人工智能和机器学习技术在多源数据融合中发挥着越来越重要的作用这些技术能够从海量异构数据中识别模式和关联，提取有价值的信息，弥补观测空白例如，深度学习方法已被应用于卫星遥感数据与地面观测的融合，显著提高了全球气温、降水等要素的空间覆盖和时间连续性未来，随着计算能力的提升和算法的进步，人工智能辅助的观测数据处理和同化将成为气候模拟的重要支撑，促进模式向更高精度和更全面的地球系统模拟方向发展未来气候变化模拟展望超高分辨率全球模拟人工智能增强模拟量子计算探索不确定性精确量化未来10年内，全球气候模式分机器学习方法正逐步融入气候量子计算技术虽然尚处于早期提高气候预测的可信度需要更辨率有望达到1-3公里，实现模拟的各个环节深度学习可发展阶段，但其解决某些复杂精确地量化和减少不确定性对对流尺度过程的显式模拟用于改进参数化方案，替代计流体力学问题的潜力已引起气未来模式将更加注重概率预测这将大幅减少对流参数化带来算密集型物理过程，或作为后候模拟领域的关注研究人员框架的构建，通过更大规模的的不确定性，提高对极端天气处理工具提升模拟结果的分辨正在探索将量子算法应用于气集合模拟和更先进的统计方法事件和区域气候特征的模拟能率和精度混合物理-AI模式被候模式中的特定计算环节，如来表征预测的不确定性范围力然而，这类超高分辨率模视为下一代气候模拟的发展方谱变换或矩阵运算未来几十同时，针对关键不确定性来源拟需要百亿亿次（exascale）向，有望在保持物理一致性的年内，随着量子计算硬件的成（如云反馈、碳循环反馈等）级别的计算能力支持同时提高计算效率和模拟精熟，它可能为气候模拟带来革的机制研究也将持续深入，以度命性变化减少系统性偏差应用方向与社会影响气象灾害预警农业生产规划气候模式为中长期（季节至年际）农业是最依赖气候条件的产业之天气气候预测提供科学基础，有助一气候模式预测结果可用于优化于提前预警可能的极端气象事件作物种植结构、调整播种和收获时例如，基于ENSO预测的季节性降水间、制定灌溉计划等特别是在发和温度异常预报，可以为洪涝、干展中国家，基于气候预测的农业决旱等灾害防范提供早期预警近年策支持系统已显著提高了粮食产量来，随着多模式集成预报技术的发和稳定性长期气候变化模拟则为展，季节预测的准确率不断提高，农业适应性规划提供参考，如品种为防灾减灾提供了更可靠的科学依改良方向、种植带北移应对等策据略能源与交通规划可再生能源发展高度依赖气候条件气候模式可提供风能、太阳能资源的长期评估和季节预测，指导能源基础设施布局和运营策略航运和航空业也从气候预测中获益，利用海况和风况预报优化航线和调度，提高安全性和经济效益在气候变化背景下，能源需求模式也在变化，气候模拟有助于预测未来采暖和制冷需求的变化趋势相关软件与资源推荐模式/工具名称开发机构主要特点适用领域CESM美国NCAR完整地球系统模式，开源社区支持全球气候研究，多学科应用WRF美国NCAR/NCEP中尺度数值天气预报系统区域气候，天气预报ROMS美国Rutgers大学区域海洋模拟系统海洋环流，沿海过程GRAPES中国气象局全球/区域大气-地表预报系统气象业务，气候研究中国气象科学数据中心（http://data.cma.cn）提供了丰富的气象观测和再分析数据资源，包括常规气象观测、雷达资料、卫星资料以及中国区域再分析数据集（CARRA）等这些资源对于气候模拟的初始化、验证和参数调整具有重要价值此外，中国科学院大气物理研究所和中国气象局气候中心也提供多种气候模式输出数据集，支持气候变化研究在开源软件方面，除了全功能的气候模式外，还有许多专用工具值得推荐例如，CDO（Climate DataOperators）和NCO（NetCDF Operators）是处理气候模式输出的高效工具；Panoply和NCL是气候数据可视化的常用软件；PyFerret和Iris等Python包则为气候数据分析提供了灵活的编程接口这些工具大多支持主流操作系统，并有活跃的用户社区提供支持和文档总结与讨论基础理论掌握大气和海洋环流的基本动力学机制、海气相互作用过程以及数值模拟的核心原理构成了本领域研究的基础这些基础知识是进一步理解复杂模式和应用研究的前提，建议初学者先牢固掌握这些核心概念和理论框架实践能力培养气候模式的实际应用需要动手实践能力建议通过参与实验室项目、使用教学版模式进行简单实验、分析开放的模式输出数据等方式积累经验熟悉Linux操作系统、掌握至少一种编程语言（如Python、Fortran）以及了解并行计算基础知识，都将有助于更深入地开展模式应用研究跨学科视野拓展现代气候系统研究日益呈现跨学科特点除了大气科学和海洋学的传统知识外，建议关注生态学、地质学、计算机科学等相关领域的进展特别是人工智能、大数据分析等新兴技术与气候模拟的结合，正在创造新的研究范式和机遇未来研究方向气候模拟领域的前沿方向包括高分辨率地球系统模拟、人工智能与气候模式的融合、气候极端事件归因与预测、古气候重建与未来预估等这些方向既有科学意义，也具有应对气候变化挑战的现实价值，值得年轻研究者关注和投入。