Chapter 10

Coupling Techniques in Climate Model气候模式中的耦合技术

Outline

• Framework of CSM and ESM

• Coupler

• Atmosphere-Ocean Coupling

• Communication Problem

• Oceanic Spin-up Problem

• Climatic Drift Problem

CSM vs. ESM

Donner & Large, 2008

Coupler

• 当海气耦合模式向更复杂的CSM进化时，Coupler从大气和海洋模式中独立出来

• 作用1：通量计算、单位转换

• 作用2：格点插值和转换

• 作用3：时间同步管理

• 作用4：计算方面的管理（并行资源分配）

A Brief History

Swamp Ocean

只通过能量平衡计算SST

“Slab” Ocean

只考虑混合层的热力学没有海洋动力学，没有洋流

3D Dynamic Ocean

考虑完整的海洋环流包括动力学和热力学

海气耦合

大气给海洋：

1. 动量 (风应力)

2. 质量 (水)

3. 热量 (辐射, LH, SH)

海洋给大气：

1. SST

2. 海冰分布

大气给海冰：主要是风应力

海洋给海冰：主要是感热

举例：大气对海洋的输入

动量Flux

质量Flux

热量Flux

Communication Problem

• 非同步耦合Asynchronous coupling考虑海洋对大气异常强迫的响应很慢，而大气对海洋异常强迫的响应很快，两者交换信息后积分时长不同的耦合方案。优点是快速达到稳态；缺点是不真实。（1day交换）

• 同步耦合Synchronous coupling对于短期气候模拟，特别是需要考虑Diurnal和Seasonal循环的模拟，常采用同步耦合方案。优点是真实；缺点是计算代价高昂。这是今天气候模式的主要耦合方式。（1hr交换）

GFDL非同步耦合 NCAR非同步耦合

Spin-up Problem

• 海洋的Spin-up时间决定了气候系统的Spin-up时间Mixed Layer: ~10yr;Deep Atlantic Ocean: ~100yrDeep Pacific Ocean: ~1000yr

• 加速海洋Spin-up方案1：深层海洋加速考虑深层海洋流速较慢，可对深层海洋采用较大的时间步长，这相当于对浅海和深海做了“非同步”处理，因此也称为：Asynchronous Spin-up of Ocean

• 加速海洋Spin-up方案2：IC逼近尽可能把海洋的IC设置为接近平衡态的观测值，这样可大大减少海洋Spin-up的时间

Climatic Drift Problem

• 由于大气或海洋模式本身的问题（如分辨率不够高，垂直分层不够细，或者物理过程不准确等），造成耦合模式放大了单一Component的系统性误差，所导致的模式模拟的气候存在非真实的趋势性变化，称为气候漂移

• 常见的气候漂移：热带海洋偏冷；高纬海洋偏热；热带大气对流不够强；对流层顶逐渐降低…

• 解决方法1：通量订正 (Flux Correction/Adjustment)

• 解决方法2：不断提高各Component和Coupler的准确性

举例：通量订正

• 热带海洋SST比观测低4K

• 大气给海洋额外的热通量：

海洋模式计算得到的SST

观测中真实SST

Haney耦合系数(Haney, 1971)

描述了把计算解拉回到观测值的时间尺度

Outline

• Framework of CSM and ESM

• Coupler

• Atmosphere-Ocean Coupling

• Communication Problem

• Oceanic Spin-up Problem

• Climatic Drift Problem

• 阅读作业：Chapter 17Global coupled models: atmosphere, ocean, sea iceGerald A. Meehl

气候模拟 (2015)

1. 气候系统 Observation

2. 数值方法 Key

3. 大气模式 Key

4. 海洋模式 Key

5. 海冰模式 理解概念6. 陆面模式 理解概念7. 生物地球化学 (海洋) 理解概念8. 化学传输模式 理解概念9. 陆冰模式 理解概念10.耦合器 理解概念

期末考试

CP I/3

CP 2/3 CP 3/3

Final

9:00-11:00