中国气象圈子内外，都对GFDL（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory，地球物理流体动力学实验室）并不陌生，它的历史实际上比目前其所属的，于1970年成立的NOAA还要厚重很多。1955年成立的GFDL，其诞生和近60年的运作，都和计算机、数值天气预报和气候模拟等现代气象的核心要素捆绑在一起，较其他类似实验室更加“闻名”也就成为很自然的事情。
1 历史和概述
• 辉煌的过去
1950年代初，冯·纽曼（Johnvon Neumann）率领的众多大牌气象学家参与其中的研究团队，借助人类首台电子计算机，在位于普林斯顿的高级研究所宣告了数值预报的成功，当时，研究团队中有一个叫Joseph Smagorinsky的年轻学者。Smagorinsky是当时最早领悟到纽曼所指出的，获得成功的数值预报技术同样可以用于“无限预报”，即数值模拟技术也可以用于气候预测和大气环流模拟等。正是在这样的思想指导下，1955年，GFDL在当时位于华盛顿的美国天气局宣告成立，Joe Smagorinsky成为第一任主任。1967年，GFDL迁移到普林斯顿，距离纽曼的惊人思想和实践更近的地方。在美国天气局时代，GFDL隶属于其中的环境研究服务局（Environmental Science Services Administration，ESSA），NOAA成立后，它是海洋和大气研究（OAR）的下属实验室。近60年来，GFDL仅出现了4位主任，从而保持了其执着地沿着上个世纪中期确定的路线继续耕耘。第一任主任Joe Smagorinsky一直任职到1983年，之后是Jerry Mahlman(1984-2000年)和Ants Leetmaa(2001-2007年)（图1.1），目前的主任是2008年上任的V.Ramaswamy。
GFDL的科学家们在1960年代和1970年代初，构建了第一个全球大气数值模式（链接1.1）。之后这些研究在全球很多研究中心开展，极大地促进了人类对地球气候系统的认识以及预报天气的能力。特别是GFDL研制出的辐射传输和其他模式物理过程方案，有效地简化了模式大气的垂直结构，而这些模式也成功地应用于现代最早对大气二氧化碳增加的温度敏感性的评估。
GFDL首任主任Smagorinsky最初的核心设想，是对地球气候进行更加宽泛的模拟，尤其关注海洋和大气之间的相互作用。1960年代，GFDL开发了第一个海洋模式，进而建立第一个大气-海洋-陆地-海冰耦合模式，后者2006年曾经被Nature杂志提名为历史上“科学计算的里程碑”之一，该模式同时也是今天广为人知的地球物理气候系统模拟的第一个样例。日裔科学家Manabe正是借助在GFDL的早期模式开发，成为模式领域里驰名全球的科学家（链接1.2）。
类似海洋模式的研发，GFDL早期有很多具有前瞻性的工作，例如，估计水汽反馈的强度、地面对温室气体增加反应中的极地放大的重要性以及短期（世纪内）和长期气候对人类驱动响应的关键不同等，都经住了时间的考验。
1984年，GFDL推出了第一个通用的海洋模式，一时间MOM（GFDLModularOceanModel，GFDL模块化海洋模式）原始和随后更新的模式被成百上千位科学家使用。自1990年代以来，MOM还成功业务化，成为NOAA/NCEP全球预测系统的组成部分，随后还被世界上很多研究和业务中心采用。
在天气方面，Smagorinsky最初的不断扩展GFDL研究疆界的思想，如研究确定性天气预报的界线、模拟平流层、飓风动力学、云和环流、中尺度环流（例如，锋）、大气环流和气候诊断的观测研究、El-Ni?o的耦合大气-海洋模式以及模拟其他星球大气等，都在GFDL有条不紊地开展。特别值得注意的是，第一个飓风三维模拟在过去近20年里被天气局和美国海军气象部门转化为关键业务的进程。
GFDL的学者自从IPCC于1990年进行第一次全球气候评估，就积极参与其中。基于GFDL气候模式的一些发现被IPCC的第一份报告引用。1990年代对非CO2痕量气体和短生命期气体，例如臭氧和气溶胶关注的增加，扩展了GFDL模拟、研究和应用的范围。
2001年IPCC第三次评估以来，国际上气候模拟呈现参与机构大幅度增加，模式之间竞争激烈的局面。在这样的背景下，GFDL没有倚老卖老，而是最早意识到气候模拟研究工作需要从当时的几个相对独立的“单细胞”研究团队，每个团队聚集在第一代主要科学领军人物的大旗下，过渡到“多细胞”的组织方式，后者以更加协同的方式建设整个实验室范围的模拟平台，开展升级的研究和评估工作。这样的发展模式，在1990年代中期开始，在以开发新的软件框架——FMS（the Flexible Modeling System，灵活模拟系统）为中心的活动中进行建构。目前，GFDL的所有模式都基于FMS开发。2009年GFDL在上一次评估之后，开展了战略规划的制定，并在实验室层面上于2011年完成。
GFDL和大学之间的联系，早在1967年就已经和普林斯顿大学建立。半个世纪以后这种联系硕果累累，实现了“双赢”。实验室的科学家投入时间参与研究生教育，正是这一机制，使很多美国国家和全球闻名的气候研究及业务领军人物有了GFDL烙印。普林斯顿大学地球科学系通过推出大气和海洋科学（AOS）项目，极大地扩大了其影响，并在业务实验室培养了新人。 Princeton-GFDL合作关系，在2003年通过气候科学研究所（CICS）的成立得到了极大加强。近年来GFDL在地球系统模拟方面的侧重，也凸显了其与普林斯顿大学合作的重要性。实验室在模式开发过程Ü中，正是通过借力大学里世界级全球碳和氮循环以及陆地植被模拟方面的专家，让关键的研发过程成功完成。此外，实验室还和工程学、计算机科学、化学和应用数学等系和Woodrow Wilson国际事务学院等建立了良好的合作关系，为实验室未来的发展打下坚实基础。
• GFDL的现状
人员 如图1.3所示，最近10年来，GFDL的员工数量稳定在160人左右，其中一半左右为联邦雇员，另外一半左右为合同制以及合作研究所员工。从员工岗位分布来看，高级别（指工资级别在ZP-4及以上）和普通研究人员分别占26.7%和36.4%，供给超过63%。此外，实验室还有超过四分之一的技术服务人员，以保证实验室设备的运行和科研业务工作的开展。
2013年，GFDL的165位员工中，联邦雇员78名，合作所50人，合同制37人。员工中男性125人，占有优势，女性40人。
过去5年里，新雇佣10人。这是因为今后5年内，将近一半联邦雇员到达退休年龄。实验室核心人员的更新换代需要逐步加快步伐。目前，联邦雇员主要集中在50-54岁、55-59岁和60-64岁这三个年龄档，分别有14人、16人和11人。
GFDL在人员培养方面，借助与普林斯顿大学的全面合作，以及2013年10月成立的、列入NOAA合作所机制框架的气候科学合作所（CICS），不仅通过大量研究生培养加强了研究力量，保证了基本研究人员需求，更通过普林斯顿大学大气和海洋科学（AOS）项目，很好地将GFDL的研究与大学科研和研究生教育融为一体。大学通过聘请GFDL众多前沿专家作为导师加强了师资，GFDL借助大学的环境形成了一支更有战斗力的研究团队，实现双方的“互赢”。
GFDL的中国面孔
GFDL最鼎盛时期，员工数量曾经达到大约300人。从最开始，GFDL秉承高级研究所的开放精神，吸纳了很多来自英国、印度、中国、日本和法国等国的科学家参与其中。今天，我们依据GFDL官网上的人员介绍，发现一些中国学者在不同领域工作。这些中国学者，大多在国内完成大学，甚至硕士研究生的基础学习，在海外拿到博士学位后，受聘于GFDL或合作所（表1.1）。这些华裔学者的特点是，高度多元：国内母校、所学专业等都非常分散，而在GFDL从事的工作，大多与数值模拟有关，部分学者还成为领军人物。
预算 如图1.4所示，最近10年来，GFDL的预算来源相对较为简单，且基本保持稳定，总经费在3500万到4000万美元之间波动。其中联邦支持经费稳定在1500万美元以上，并有小幅度的增加。预算中NOAA支持部分相对起伏较大，但是在计算能力保障方面的HPCS（High Performance Computing System，高性能计算系统）项目则相对稳定，表明了NOAA在计算能力的持续投入上，近年来没有中断。
在支出方面，员工薪酬和HPCS各占据两大块，合计超过了支出的73%。其中，人员薪酬，人均大约支出9万元。考虑到合作研究所人员部分报酬来自大学，因此GFDL支付给其员工的年薪，平均应该超过10万美元，高于NOAA的平均水平。
此外，我们从2013财年GFDL分领域的预算支出分布来看，大气过程的支出最多，达到679.1万美元，而在气候相关领域合计支出最多（气候变化：569.7万；气候影响：468.5万；气候变率和预测：426.2万），达1464.4万美元。另外，在地球系统科学上投入548.9万美元，在高分辨率模拟、海洋和冰过程和极端天气气候3个领域，投入在350万美元左右，而在大气成分和空气质量领域，投入162.5万美元。
研究：论文发表及影响 如图1.5所示，最近10年来，GFDL每年的出版物保持在100篇以上，人均年论文达到1.5篇到2篇左右。这些论文大部分由GFDL的联邦雇员完成，而合作所以及合作所与实验室合作完成的论文，在2009年以后，呈现出增加的趋势。
在表1.2中，给出了部分GFDL高H指数1作者论文被引用的情况。表中还分别给出了这些作者在GFDL文献库、Web of Science和Google Scholar三个数据库中发文和/或被引用的情况，GFDL高H指数作者在全开放的Google Scholar中，有多人被引次数在1万次左右，15人在5000次以上，充分说明了GFDL已经成为气象领域很有影响力的团队。而在图1.6中给出了2012财年NOAA各主要研究团队出版物的数量，尽管GFDL人员数量不占优势，但是仍然位于中游偏上位置。
计算能力和模式开发 如图1.7所示，GFDL从建立之初，就立足在气候数值模拟方面作为主要的研究领域，因此，过去60年来计算能力的提供是其预算的主要和不变的主题，伴随着计算能力的提供，GFDL主要模式工具的性能随着更新换代的进程而获得极大的提升。从GFDL计算机更新来看，1950年代中期到1970年代中期呈现快速更新，20年里9次更新，几乎每2年就更新计算机。1970年代中期到1990年代中后期，是计算机更新相对缓慢期，仅3次更新。从上个世纪末开始，GFDL的计算能力又进入一个快速更新时期。这其中既有国际计算机市场和美国国家预算等因素制约，从GFDL方面来看，实验室内统一的软件设计运行平台FMS（the GFDL Flexible Modeling System）在上个世纪末的推出，也极大促进了主办方在计算能力上的投入，从而也加快了实验室模式更快的更新换代以及更加复杂模式的开发。
目前，实验室的所有模式都基于FMS研制，共享代码库和具有共同的基本结构（如平行和I/O）及顶层结果（耦合界面）。此外，FMS运行环境（FRE），对于调配、试验、运行和分析基于FMS的模式，提供容错和可复制环境。FRE还可以方便地向外部服务器发布数据库，方面实验室内外科学家之间的学术交流。
无论是目前，还是未来，GFDL计算能力在很大程度上，需要借力外部合作伙伴，美国能源部的橡树岭国家实验室（DOE/ORNL）将是实验室计算能力上最大的依靠之一，特别是DOE/ORNL的GAEA计算系统2（图1.8），将用于各种产品的计算。另外借助能源部的阿贡国家实验室（DOE/ANL）的Mira（Blue Gene Q）计算机系统150M小时计算，开发极端尺度模式研究。
2 模拟地球系统和打通天气-气候界限
2006年，GFDL基于上世纪90年代以来该机构各种模式，研制成功了2个新的全球耦合气候模式（图2.1），耦合的气候模式包括了大气、海洋、海冰和陆地等分量模式，通过一个通量耦合器被相互联系在一起。这两个模式分别被称为CM2.0和CM2.1，是GFDL多年努力的结果。CM2.0模式中的大气模式（AM2.0）和陆地模式（LM2.0）在2004年开发完成。CM2.0耦合模式没有通量调整，给出多方面的气候真实模拟结果。但是，海气耦合使得CM2.0模式出现中纬度西风带向极地漂移偏差等问题。主要为了改进这一偏差，第二个耦合模式CM2.1诞生，该模式的大气模式采用了FV（finite volume，有限体积）动力核心框架，有效减少了上述漂移误差。
2012年，在CM2.1的基础上，GFDL构架了NOAA的第一个地球系统模式（Earth System Model，ESM），即ESM2.1。ESM2.1的两个版本，分别为ESM2M和ESM2G，均为新的全球耦合碳-气候地球系统模式（图2.2）。ESM2M和ESM2G的气候部分与CM2.1相同，但是分别并入了显性和相容的碳动力。此外，它们的海洋模式也完全不同，ESM2M用MOM（Modular Ocean Model，模块化海洋模式）4p1版，而ESM2G用的是普通海洋层动力（Generalized Ocean Layer Dynamics）。目前，在GFDL官方网站，两个模式的编码均向公众开放，任何人都可以下载，按照网页上的详尽说明自行运转模式。
4个GFDL模式参与了CMIP5（气候模式相互比较项目，版本5）并作为IPCCAR5的支持模式，其中就包括了ESM2M和ESM2G。
ESM2M和ESM2G采用的不同海洋模式，已经耦合进一个新的模式，即MOM6，后者的分辨率达到1/4经纬度。其中尺度敏感的海洋涡旋参数化和海洋混合参数化在不断地改进之中。GFDL还在开发一个新的海冰模式，将用于和MOM6的耦合。地球系统模式中的陆地模式，即LM3，是与目前系统中所有模式耦合的部分，能够模拟影响有关的量，如湖水水位、河流径流和地下水，该模式还在水文和生态/碳循环方面继续改进。在耦合模式模拟中，一些复杂程度不同的海洋生物地球化学模式已经陆续加入。
目前，GFDL按照其战略规划，计划用4年时间（2014年是第2年）开发新的模式，即CM4/ESM4。该模式动员实验室整体优势和力量，其最初的分辨率目标是大气50km，海洋1/4经纬度。先期开发较低分辨率模式。大气部分开发的重点是对流参数化和微物理，海洋则着重于新的MOM6模式。
虽然GFDL在模式研发上，沿着气候模式向地球系统模式过度的路在走，但是，如果就此认为该实验室的研究仅仅限于气候，那是不正确的。不仅是GFDL，当前整个NOAA都在倡导天气和气候的不可分，其中，“无缝隙天气-气候模拟”（Seamless Weather-Climate Modeling）的理念，被GFDL提出并通过“大气动力核心”（Atmospheric Dynamical Core）落实无缝隙，从而真正在模式模拟实践中嫁接天气与气候。
所谓“动力核心”是指3D欧拉方程组在球面上有限自由度的数值表示（a numerical representation of the 3D Euler equations on the sphere with a finite degree of freedom）。在GFDL，这样的动力核心，是通过非静力立体球上的有限体积核心（non-hydrostatic Finite-Volume coreoncubed-sphere（FV3））实现的。借助该系统，能够模拟和预测各种时空尺度的高影响事件，包括龙卷风、雷暴、飓风、MJO、QBO和ENSO等，这一点使得“动力核心”有别于大多数气候模式并不包括准确的千米尺度变量流的动力和物理机制，从而实现了一个新的无缝隙天气-气候模式的开发。
应该说，GFDL开展这样的跨越了天气和气候界限的模式开发，取得了“开门红”的令人瞩目的成绩。如图2.3所示，2012年10月22日生成，30日登陆美国东海岸并造成极大灾害的“桑迪”飓风，早在10月上旬，动力核心系统就已经对其生成有所“感觉”，对其生成地点的预测在17日，即提前5天已经基本预测出来，而在登陆前9天，生成前1天就已经预测出飓风将掉头向西的趋势，而在飓风生成的当天较为准确预测出了登陆地点。
GFDL的动力核心系统针对桑迪飓风的预测，各种指标都远远好于美国气象部门的业务预报，甚至也优于，至少与欧洲对“桑迪”的预测结果持平。如果在气候模拟上最具特色的GFDL未来向NWS提供天气方面的预报产品，我们有理由相信，至少在预报提前时间的挖掘上，其“先天”优势肯定会发扬光大。特别是，目前GFDL的动力核心还仅限于大气，海洋等模拟的优势，今后会更加充分体现出来。即使是大气动力核心，一个基于快速黎曼解算器的可能更加有效的动力核心正在试验中。
包括动力核心在内的GFDL模式正在接受全面地评估，鉴定其开展季节、季节内高影响天气事件的预报能力，这些事件包括，例如飓风登陆、龙卷爆发的可能性等，评估的指标还可以用来作为气候模式评估的新衡量。
GFDL与美国“天气有序”国策相一致，利用其在气候乃至地球系统模式模拟方面的优势，试图构造高分辨率气候模式，可以用于模拟激烈天气事件，这一想法和实践，在之前被认为是不可能的，GFDL取得的初步成功，打通了天气和气候之间的人为界限，具有很好的示范和标志性意义。大约在10年内，几乎所有气候模式都将转化为非静力，气候模式的“百万核心延展性”（million core scalability）时代将到来。在这样的背景下，GFDL已经为开发“千米尺度”全球模式做好了准备，当这样的模式推出时，无论是超级单体风暴还是龙卷都能够模拟出来，真正实现无缝隙天气-气候模拟应用。
3 气候变率和变化
GFDL科学家开发和利用全球海气耦合模式，提高从季节到百年时间尺度气候变率和变化的认识，评估气候系统可预测性，并推进气候预测技术发展。GFDL在气候变率和变化方面的研究主要集中于：了解气候变化的机制和影响；建立和改进数据同化方法；努力提高模式模拟能力；建立新的预测方法；利用这些方法评估模式质量、改进预报技术并研究过去气候变化的原因。
• 更高空间分辨率模式
GFDL投入大量精力发展高分辨率模式，因为高分辨率模式能更好代表区域尺度变量，为区域尺度气候变量预估、预测和归因提供潜在可能（图3.1）。利用更高空间分辨率的模式能更好的代表重要的小尺度过程，从而更好的模拟区域气候和极端气候事件。GFDL已初步建立了新的耦合气候模式（GFDLCM2.5），大气格点50km，海洋格点10-27km，提高了不同区域尺度气候系统特征的模拟。同时，模式空间分辨率提高后，模拟气候系统扰动发生显著变化。未来的工作中，GDFL要在高分辨率海洋-大气耦合模式中更准确的模拟自然变率和人类强迫改变后的热带风暴响应。
• 季节和年际尺度气候预测
GFDL在不同时间尺度的模式中，利用统计最优化方法提取最可预测的信息；研究可预测性的机制。GFDL传统的季节尺度预测产品有：季节平均降水、地面温度、陆面温度和降水的可预测性分析。今后GFDL高阶（二矩阶）产品包括：中纬度风暴轴预测、极端天气和气候事件发生的原因分析、提取季节预测中的有用信息、以及分析可预测性。
• 降尺度方法
目前研究气候变化主要依赖于全球气候模式（GCM），然而当GCM分辨率较低时，难以对区域尺度的气候信息做出正确预测。GFDL目前开展了动力学和统计学降尺度方法的研究。图3.2给出了动力降尺度方法的应用实例，GFDL利用该方法研究全球气候变化对飓风发生频率、强度和与之相联系的北大西洋降水的影响。GFDL还开展了经验统计降尺度（Empirical Statistical Downscaling,ESD）研究，通过降尺度技术将GCMs大气尺度或全球尺度信息转变为区域尺度，以提高GCMs输出的气候信息的分辨率。下一步GFDL将结合观测数据建立框架测试ESD敏感性，模式中评估ESD可行性，未来将ESD将应用到季节到年际尺度气候预测中。
• 大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）
AMOC年际尺度变率以及其对大西洋温度和大尺度气候的影响，进行的工作发现：AMOC可影响印度-非洲和北美地区的季风降水，还可影响热带气旋，尤其是热带气旋生成（图3.3）。
• ENSO
GFDL预测ENSO能力处于世界前列，并且在不断改进和完善（图3.4）。GFDL采用分层模式——从简单的概念模式到高分辨率全耦合大气环流模式——分离研究对ENSO起关键作用的过程及其对气候的敏感性。GFDL努力研究和模拟ENSO，预报其对季节到年际尺度上的影响，并预测ENSO对未来几十年的影响。未来，GFDL将在ENSO多样性、动力学、敏感性和可预测性方面继续加强研究。
• 气候预测服务
GFDL为NOAA等众多机构提供气候预测服务，其中之一就是通过北美多模式集合。GFDL的飓风模式被美国国家气象局（NWS）和其他业务机构广泛应用于业务研究，GFDL将试验性的实时预测热带气旋活动结果以“NOAA季节飓风展望”形式提供给NWS（图3.5）。GFDL通过SEARCH海冰展望项目提供试验性的北冰洋海冰季节预测结果。
4 化学、碳、生态系统和气候
地球气候受到温室气体和气溶胶的强烈影响，进而受大气中的化学反应以及与生态系统的相互作用影响。为了完成NOAA理解和预测气候变化、保护和管理沿海和海洋生态系统和资源的使命，需要了解整个地球系统复杂的相互作用。基于对不断变化的气候系统和影响科学认识的增强，GFDL凭借其在全球物理气候模拟方面的漫长历史，努力全面的了解地球系统的复杂性及其与人类健康和繁荣的相互依存性。为了提高对综合地球系统的认识，GFDL正在发展化学、生态系统以及纳入物理组件模式（大气、陆地、海-冰、海洋）的相关气候反馈的自洽表达，这些模式将被耦合到地球系统模式（ESMs）中。这种高度跨学科的工作远远超出GFDL在物理气候和天气方面的传统核心竞争力，使其必须借助普林斯顿大学以及NOAA和整个科学界专家的强大力量。
通过利用CM3耦合模式参与大气化学-气候模式比较计划（ACCMIP）和CMIP5，GFDL展示了其在大气化学-气候相互作用领域的持续领导地位。CM3在气候和空气污染方面的适用性促进了对短寿命污染物排放对气候变率和变化以及控制大气中气相和颗粒物污染物浓度的气象机制的认识。通过将沙尘和其他气溶胶的源汇与陆地过程相联系，GFDL在表征陆地-大气相互作用方面也取得了长足的进步。
碳循环方面的工作主要致力于发展陆地和海洋生态系统与生物地球化学及其与气候的相互作用的最先进表达方式。基于两个不同的海洋组成模式，GFDL通过发展的ESMs模式研究了历史和预测的海洋碳及热吸收的结构性模式不确定性。此外，普林斯顿/GFDL还关注了气候与土地利用/覆盖变化对陆地碳源和碳汇的联合影响。GFDL利用新的ESMs研究有助于提高对耦合碳-气候反馈的理解。除此之外，通过从ESMs到CMIP5的贡献成果，GFDL还为碳循环、气候变化和影响机构提供了一个至关重要的机构服务（图4.1）。
ESMs的初始设置已经成功到位，GFDL计划解决目前研究中四个方面的空白：
1.将当前模式应用于与观测进行比较（例如SENEX、PPAR5、MAREMIP等）、气候变化检测与归因的多成员集合、影响评估和理想化敏感性模拟。
2.推进模式真实性，涵盖沙尘/铁、甲烷、氮、磷、生物气溶胶等地球系统成分的生物地球化学循环的充分全面和自洽的表达，提高对目前化学和生态系统的表征。
3.设计具有超高分辨率的用于提高区域大气-陆地相互作用和海洋中尺度用于提高基本状态和变化的模式，以解决重要的气候、空气质量和海洋资源应用。
4.通过提高与GFDL季节尺度气候预测工作的整合，预测地球系统化学和生态过程。通过这些努力，GFDL将继续挑战综合性和分辨率的极限，优化利用可用的计算机资源，执行NOAA的战略计划，在推动地球系统建模的前沿中发挥重要的综合性和协同作用。
GFDL耦合碳-气候和耦合化学-气候的地球系统模式集合了广泛的跨学科间的努力，将GFDL的适用性扩展超出了物理气候的范围，并借助了普林斯顿、NOAA等更大的机构的力量以及邀请不同的有影响力的机构参与合作。该模式的全面性和逼真性处于领先水平，提高了对决定生物地球化学分布和变化过程的认识。同时它还是CMIP5的主要贡献者，既有基本的发展成果又有提高了科学认识的多产的贡献。从长远来看，将致力于实现NOAA的愿景—一个了解气候-人类-生态系统相互作用和影响的地球系统。总的成果如下：
• 提高了对决定生物地球化学分布、变化和影响过程的认识
——自2009年以来，作为主要或是共同作者发表了超过200篇科学论文，其中大气化学领域大于100篇；海洋生物地球化学领域超过40篇；生态系统领域超过40篇；陆地生态系统领域超过20篇。
• CMIP5的主要贡献者
——减少了过去和未来化学-气候、海洋和陆地碳吸收以及生物地球化学反馈中的不确定性。
此外，在IPCC第五次评估报告中（AR5），GFDL也做出了巨大的贡献（图4.2）。其中，有来自GFDL的合著者1名，主要作者3人，编审2人，贡献作者12人，专家评审24人，另有4人作为AR5的模式发展与气候实验监督。AR5第一工作组的报告中，来自GFDL的引文共191篇。GFDL应用于AR5的模式有CM2.1、ESM2M、ESM2G、CM3、HiRAM-C180、HiRAM-C360。CMPI5用于对AR5的支持，GFDL对CMPI5总的数据贡献为188TB。
• 耦合碳-气候地球系统模拟
CMIP5中的ESMs能够通过排放模拟大气中的二氧化碳，从C4MIP到CMIP5大大降低了海洋碳（和热）吸收的不确定性，ESMs支持使用累积碳排放的瞬态气候响应度量，陆地碳系统不确定性是主要的驱动力以及广泛研究的重点（图4.3）。
• 化学-气候相互作用
大气化学在气候系统中起着关键的作用。GFDL的全球气候模式（CM3）对大气化学进行了全面综合的处理，使其能够促进对短寿命污染物对气候影响的认识（图4.4）。GFDL还协助领导了对全球平均OH历史趋势的多模式调查研究。整合了大气化学的地球系统模式为解决更广泛的地球系统科学的一系列新问题提供了可能。
• 空气质量和化学
大气模式AM3中化学机制的非均相过程和异戊二烯氧化机制得到了改进，这对AM3等模式中的臭氧、OH、CO模拟是极大的提升（图4.5）。AM3的高分辨率版本被应用于SENEX计划，模式能够很好的再现臭氧及其前体物的观测结果。
• 陆地-大气相互作用：沙尘
卫星观测结果表明土地利用贡献的沙尘占全球排放的20-25%，大陆间变化较大。NOAA的国家天气局、NASA的戈达德航天飞行中心和空间研究所、美国海军和空军以及其他的美国国内外实验室都共享了GFDL的沙尘源排放清单。土地利用和植被是沙尘年际变化的两大主要驱动因素，GFDL的陆地模式组件（LM3）通过实施沙尘排放和沉降对此进行了更好的处理。
• 陆地生态系统-气候相互作用
2009-2014年间，GFDL发展了LM3生态系统和水文分支，将LM3代入全新的GCMs和ESMs；发展了耦合C-N的陆地模式（图4.6），LM3-N；参与了CMIP5ESM分析；着手发展新的LM4模式，其中将包含：
——ESM中全面的生物地球化学：N、P、CH4……
——预测气溶胶：沙尘、生物质燃烧……
——水文次格点非均相
——新的年代-高度植被演替模式LM3-PPA
——土地利用管理：施肥、水质量……
• 气候与海洋生态系统的联系
GFDL领导使用IPCC气候模式全面综合的评估气候对海洋生物资源的影响，作为首要或合作机构发表了30篇评估气候对海洋生物资源影响研究论文。改进了ESMs中的海洋生态系统模式，为海洋资源对气候变化的敏感性提供了新的视角。为GFDL新的气候预测和预估发展创新的海洋生态系统应用（图4.7）。
5 GFDL数据产品
GFDL在其官方网站上提供模式、试验和项目的相关数据。用户注册后，可以方便地在GFDL下载数据使用。GFDL数据产品包括：CMIP3数据、CMIP5数据、海洋数据同化试验数据（Ocean Data Assimilation Experiments，ODA）、北美区域气候变化评估项目数据（North American Regional Climate Change Assessment Program，NARCCAP）和协同海洋-海冰参考试验数据（Coordination Ocean-ice Reference Experiments，CORE）。
• CMIP3数据
针对世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）的耦合模式工作组（Working Groupon Coupled Modelling，WGCM），气候模式诊断和比较项目（Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison，PCMDI）志愿收集了全球各模式中心的模式结果，模式结果包括了2005～2006年过去、现在和未来气候的模拟结果，并将这些结果进行归档整理，形成了耦合模式比较计划第3阶段（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP3）。WCRP组织这个项目的目的是为编写IPCC第4次评估报告，方便模式中心以外的学者进行与气候变化相关的研究。这一前所未有的数据收集被正式称为“WCRPCMIP3多模式数据集”，该数据集为IPCC第一工作组服务。经过参与气候模式机构的同意，WGCM宣布CMIP3多模式数据集对外开放，对非商业目的活动免费（图5.1）。用户进行注册和同意后，可以通过ESG数据端口、FTP或OPeNDAP服务器获得模式输出结果。截止2007年1月，已存档数据超过35TB，超过1200名注册用户下载了超过337TB的数据。超过250篇已发表或被接受为同行评议的期刊文章，是基于该数据集进行的研究。
• CMIP5数据
CMIP通过多个模式与观测结果比较和模式之间相互比较，帮助人们认识过去和未来的气候变化，同时改进模式发展。CMIP协调了4个大型气候模式比较项目，大多数被IPCC评估报告广泛应用。为了支持IPCC第5次评估报告，开展了第五个耦合模式比较计划（CMIP5）。《美国气象学会通讯》（Bulletin of the American Meteorological Society）中的An Overview of CMIP5 and the Experiment Design一文，详细阐述了CMIP5的细节。对于CMIP5，GFDL继续巩固和加强其过去成功的气候模式工作。把所有重要途径均放入一个复杂的气候模式中是不可行的，CMIP5的策略是根据CMIP5和IPCC第五次评估的时间表，发展几条明确的模式方向，推迟将其综合成一个复杂模式的时间。CMIP5的主要包括有：
CM3：利用耦合模式CM3进行的CMIP5试验，这种物理气候模式的研究重点是气候变率和变化中的气溶胶、气溶胶—云相互作用和大气化学。
两个地球系统模式（ESM）：ESM可以设计、关闭碳循环，用于研究气候变化对生态系统的影响以及生态系统变化对气候和人类活动的影响。
HiRAM：HiRAM用于研究“时间片”（time slice）试验，是CMIP5近期和长期的试验部分。HiRAm是设定海洋表面条件的大气和陆地表面的高分辨率模式，用来研究气候变化、及其对飓风活动和其他极端天气事件的影响。
年代际预测：年代际试验的目的是评估扩展至10年尺度的（自然的和强迫的）气候变化可预测性。GFDL利用CM2.1进行这些试验，这是短期CMIP5的一部分。GFDL数据产品网站给出了CMIP5试验的列表（http://nomads.gfdl.noaa.gov:8080/DataPortal/getCMIP5ExperInfo.jsp），有各试验名称和描述的简要说明（表5.1）。
• 海洋数据同化试验（ODA）数据
为了最先进的资料同化系统，GFDL开展了海洋数据同化试验，结合近实时数据（near real-time data），提供高质量的海洋数据产品。该同化系统由应用在GFDL第二代完全耦合气候模式（CM2.1）的集合滤波器组成。耦合数据同化的海洋部分是模块化海洋模式（Modular Ocean Model，MOM4）的第四个版本。用户进入该数据端口后，可以进行选择数据，通过FTP或LAS方式下载所需数据。GFDL提供的ODA数据包括：
1961-2012月集合平均数据（Monthly Ensemble Means ECDAv3.1）：这些数据主要用于为IPCC/AR5近期预测提供初始场。
1979-2008月集合平均数据（Monthly Ensemble Means ECDAv2.0）：可用的数据是耦合模式中将1年、5年和10年数据计算成的月平均值。
月平均数据（Monthly Means WOA21c）：该数据是基于2003年1月～2011年12月GTSPP和Argo数据汇编而成。关于该数据的详细分析和描述可以参考Objective analysis of monthly temperature and salinity for the world ocean in the 21st century: Comparison with World Ocean Atlas and application to assimilation validation一文。
• 北美区域气候变化评估项目（NARCCAP）数据
NARCCAP是一个国际项目，通过进行高分辨率气候变化模拟，研究区域尺度未来气候预测的不确定性，生成气候变化情景供研究影响使用。NARCCAP是由大气-海洋环流模式（AOGCMs）驱动的区域气候模式（RCMs）。NARCCAP的数据集包含不同大气-海洋环流模式嵌套的不同区域气候模式的高分辨率模拟结果（表5.2）。RCMs的模拟区域是美国和加拿大大部分地区，每三小时一个结果，AOGSMs由未来A2SRES排放情景驱动。数据集包括两个“时间片”试验的输出结果和NCEP-2再分析资料驱动的25年区域气候模拟结果。这些结果可以用于气候变化影响分析、未来降尺度分析、模式性能评估和区域尺度未来气候预测不确定性研究。
• 协同海洋-海冰参考试验（CORE）数据
协同海洋-海冰参考试验数据集主要提供海洋-海冰强迫（Ocean-ice forcing）数据，共有两个版本。数据由NCAR的Bill Large和Steve Yeagar两位学者运行耦合海洋/海冰模式的输出结果，其中包括了协同海洋-海冰参考试验的数据。第一版数据在2004年发布，是海洋模式发展团队（Clivar Working Group for Ocean Model Development，WGOMD）进行海洋-海冰参考试验时的数据，数据包括正常年份数据和年际数据。第二版数据在2008年发布，这版数据仅支持年际变化强迫（Interannually Varying Forcing，IAF）。数据集由GFDL和NCAR的学者共同维护。
• 数据可视化
为了直观的描述科研成果，GFDL在其网站上利用图形和动画等形式，传达复杂的科研信息（图5.2）。在GFDL数据可视化网页，提供6大类数据可视化产品，分别是：气溶胶和云、气候诊断、气候预测、飓风、中尺度动力学和海洋。
6 结果讨论
GFDL这个字面上似乎和气象没有什么联系的机构，实际上近60年来，在很多重要的领域引领着美国气象事业前行。GFDL定期大规模的评估活动，似乎给了我们一个很好的“解剖”该机构的机会：起底GFDL，能够让我们更好地认识美国气象的主流研究。
传承和敬畏历史是为了更好地发展。2015年GFDL将迎来实验室成立第一个甲子——60年。然而，目前的GFDL主任仅仅是第4任，或者是GFDL在其负责人手中的传承并不厚重。然而，GFDL的重大学术活动，前任负责人都是被很多人谈起和获得不一般的礼遇。其中，GFDL对其最初建室初衷的坚守，即十分难得，又让人感动和称赞。
在GFDL的网站，可以容易地找到该实验室与普林斯顿大学最重要的联系——AOS（大气和海洋科学）项目，该项目的网页里（图6.1），包括了近年来在GFDL毕业生信息，包括毕业论文、导师以及目前从事的工作等信息。在这里，人们不仅能看到一个机构的孵化和进展，更能感觉到一项事业的放大和传递。
模式设计中打破天气-气候界限或许是在引领一个新方向。应该说GFDL最让人印象深刻的工作是持续性的气候模式开发。但是，本文的分析表明，GFDL人已经开始动摇我们以往气候模式的理念，即未来天气极端事件的发生和发展，已经成为所谓气候模式预测的重要内容。特别是人们寄予更多期待的地球系统模拟和“动力核心”的理念，能够借助计算能力的提升，将天气-气候中最为困难的问题，用新理念下的模式探索求解的可能。GFDL领先提出来的“无缝隙天气-气候模拟（Seamless Weather-Climate Modeling）”理念，其完整性和科学性虽然还有待科学界的检验，但是这样一个方向在事实上打通了以往天气和气候传统概念，或者说把二者联系了起来。本文的介绍表明，在美国引发很多争议的2012年“桑迪”飓风的预报，25-km非静力的HiRAM系统，已经显示出很好的能力。
模式和方法研究的加强共同提高了气候变率研究。GFDL强调了提高模式空间分辨率对气候变率研究的重要性，通过提高模式分辨率，加强了对气候变率有重要作用的小尺度过程的研究。同时GDFL发展了降尺度方法，其中动力学降尺度方法已经应用到飓风的研究中，未来GFDL将统计降尺度方法将应用到季节到年际尺度气候预测中。
超越物理气候范围跨学科广泛合作。除了传统的物理气候和天气范畴，GFDL凭借其在全球物理气候模拟方面的漫长历史，努力全面的了解地球系统的复杂性及其与人类健康和繁荣的相互依存性，关注了与气候相互影响的化学和生态过程多样性的研究。通过ESMs到CMIP5的贡献成果，GFDL展示了它在大气化学-气候相互作用领域的持续领导地位，在表征陆地-大气相互作用方面也取得了长足的进步，还为碳循环、气候变化和影响机构提供了至关重要的服务，并将新的见解带入了气候与化学/生态系统的相互作用的研究中。
高度开放的数据产品。GFDL提供的数据产品来自于模式、试验和项目资源，对普通用户均高度自由开放。GFDL的数据产品分类明确，对数据名称、来源等均有详细描述，用户可以便捷有效地使用数据。GFDL数据产品资源丰富，涵盖了GFDL科研和业务的方方面面，方便世界各地研究学者资源共享、科研交流。GFDL围绕其科研数据开放获取开展的广泛服务与实践，很值得我国科研机构学习和借鉴。我们应努力提高科研机构和研究人员应“开放数据”意识，鼓励和资助科研机构建立合作联盟，有计划、分阶段地执行科学数据开放获取策略，为支持科研人员和公众开展科学研究，提供便利可靠的科学数据获取、共享、分析和利用服务。
链接-1.1 GFDL与全球气候模式
1956年诺曼·菲利普斯（Norman Phillips）发展了一个可以真实描述对流层的月和季度天气模式的数学模型，该模型成为第一个成功的气候模式。之后，几个研究团队开始了构建大气环流模式的研究。第一个包含有海洋和大气过程的大气环流模式，是在20世纪60年代由NOAA的GFDL建立。GFDL最早是由真锅淑郎（Syukuro Manabe）和科克·布莱恩（Kirk Bryan）用于研究十年到百年时间尺度的气候模式，在位于普林斯顿的地球物理流体动力学实验室里创造的。这些需要大量计算的数值模式集成了流体力学、化学、有时还有生物学的各类方程。到了20世纪80年代早期，美国国家大气研究中心已经发展出社群大气模式，其后还得到不断的完善，直到21世纪还在使用。在1996年，模式中开始考虑和模拟土壤和植被类型，从而得到跟接近真实的预报。目前，海洋-大气相互耦合的气候模式被用来研究气候变化，比如哈德利气候预测与研究中心开发的HadCM3模式。直到20世纪80年代中期，重力波的重要性才被意识到并在模式中考虑。如今，为了正确的模拟区域和全球尺度的大气环流，全球气候模式必须包括重力波，即使结合重力波的宽谱很复杂。
链接-1.2 GFDL与Manabe
如果说真锅淑郎，很多人不知所云，但一提到Syukuro Manabe，可以说中国气象圈子里的人无人不晓。曾几何时，Manabe几乎就是大气环流模式的代名词！
Syukuro Manabe(朋友叫他"Suki"，真锅淑郎)，1931年9月21日出生于日本爱媛县，1958年获得日本东京大学博士学位后，1958年8月他来到美国，在天气局的大气环流研究室工作，该室很快并入1955年成立的GFDL。Manabe在GFDL工作到1997年。1997到2001年，他回到日本，开展全球变化前沿研究。2002年他返回美国，继续在普林斯顿大学以访问学者的身份加入大气和海洋科学项目的研究。
发表了大量经典大气环流模式研究论文的Manabe，在GFDL位于华盛顿时就加入其中，Manabe与GFDL首任主任Joseph Smagorinsky一道开发三维大气模式。1967年，他和Richard Wetherald的研究显示，大气二氧化碳浓度的增加会提高地球辐射热向外空间逃逸的高度。1969年Manabe和Kirk Bryan发表了第一个海气耦合模式地球气候的模拟结果，从而确立了海洋加入传输在决定全球气候中的作用。整个1970和1980年代，Manabe率领的研究团队发表了具有启发意义的利用模式研究地球气候对温室气体浓度变化敏感性研究的论文。正是这些论文，形成了IPCC首次气候变化评估的主要部分。
Manabe还指出，气候可能有不止1个稳定态，而气候在这些状态之间的转变，可以通过相对真实的冰盖融化模式推断获得。
1998年3月，为了向即将退休的Manabe表示敬意，GFDL召开了连续3天学术会议，会议的主题"Understanding Climate Change:A Symposium in honor of Syukuro Manabe"也诠释了他事业生涯的主要贡献。
链接-1.3 GFDL大事记
1955年开始运作的GFDL，创造了美国和世界气象界多个第一，其突出的贡献，也包含在其历史之中。
• 1955年:在普林斯顿高级研究所、天气局、空军和海军之间建立了合作，建立大气环流计算模式
• 1967年:第一个二氧化碳对全球温度影响的模式估计
• 1969年:第一个耦合了海洋和大气的模式完成（2006年被Nature指为“科学计算的里程碑”）
• 1985年:第一次诊断出变暖的世界里弱化的海洋环流
• 1990年:第一次模拟南极臭氧洞
• 1991年:第一个通用全球海洋模式（MOM1）完成
• 1995年:GFDL飓风预报系统业务化
• 2002年:第一次开展基于模式的全球变暖对飓风强度影响的实际研究
• 2005年:CM2.0和CM2.1开发完成，两个模式成为世界上应用于2007 IPCC-AR4的领先气候模式