地球系统模式开发 100 年

　　作者： David A. Randall（科罗拉多州立大学）； Cecilia M. Bitz（华盛顿大学）； GokhanDanabasoglu（NCAR）； A. Scott Denning（科罗拉多州立大学）； Peter R. Gent（NCAR）；Andrew Gettelman（NCAR）； Stephen M. Griffies（地球物理流体动力学实验室）； Peter Lynch（都柏林大学）； Hugh Morrison（NCAR）； Robert Pincus（科罗拉多大学博尔德分校）； JohnThuburn（埃克塞特大学）

　　编译： 田晓阳 贾朋群

　　摘要：今天的全球地球系统模式起源于对流层天气系统的简单区域模式。过去的一个世纪，模式的物理现实性稳步增加，而模式的范围已扩大到包括全球对流层和平流层、海洋、含植被陆面和陆地冰盖。本章大致按时间顺序概述了成就今天的模式的许多概念和技术的深远进步。为简洁起见，我们省略了对化学和生物地球化学，以及陆地冰盖作用的讨论。

　　1 引言

　　大气和海洋数值模拟模式的发展是二十世纪的伟大科学成就之一。这些模式极大地增强了我们对地球系统中各种复杂过程的理解，以及对近期天气和长期气候系统的现实模拟能力。理解和模拟是模式开发的两大目标。

　　今天的全球大气模式通常与海洋模式、海冰模式以及包括陆地植被和碳循环的陆面模式相结合。由于这些大型耦合模式所表示过程的多样性，越来越经常将其称为“地球系统模式”，特别是当碳循环在内时。ESM中，大气、海洋、海冰和地表模式作为子模式存在，可以将其视为较大耦合模式的组成部分。一些ESM还包括代表大气和海洋化学、陆地冰盖、海洋生物学和生物地球化学的模块，但在本章我们不讨论这些主题。ESM的大气和海洋子模式通常被称为全球循环模式，或“GCM”。

　　ESM 每个模块包括与一个或多个其他模块的质量、动量和能量的交换。大气模式是ESM中唯一可与所有其他模块进行交换的模块。

　　在ESM的大气模块中，运动方程的绝热项、热力学方程以及干燥空气、水分和化学量的连续性方程使用所谓的“动力核心 1”在三维网格上求解2。水平和垂直网格间距决定了模式的空间“分辨率”。本章给出了全球大气和海洋模式的动力核心演变的一个概述。

　　大气模式包括参数化表达。本章对全球大气模式中使用的参数化的演变给出选择性概述。所有参数化过程根据模式动力核心解析的场形成。参数化开发的一个基本问题是大气和海洋在所有尺度上都包含涡旋。早期的研究试图找出与气象非活动尺度重合的网格间距（例如，Fiedler and Panofsky 1970），但很快就发现这种“谱间隙”不存在，所有尺度上都存在涡旋（例如，Nastrom et al. 1984），当然，关键程度各有不同。

　　海洋模式的动力核心旨在应对洋盆的复杂几何形状。海洋的数值模拟比大气的数值模拟开始得晚，但今天的智能成熟度已经相当。本章讨论了用作ESM模块的静水原始方程海洋模式的历史。海洋模式包括与未解析的水运动相关的通量的参数化。我们专注动力学和数值方面，不讨论区域和沿海海洋应用、生物地球化学或过程模拟。Carl Wunsch及合作者在本书中对海洋物理和动力学进行了进一步的讨论（Wunsch and Ferrari 2019；见本刊 2019年4期-编译者注）。

　　海冰和陆地冰盖模式从某种程度上说也具有动力核心，因为它们包括决定冰运动的动力学方程。在1950年之前，英语中没有关于海冰模式的出版物——可能所有语言中都没有，也很少有科学家见过海冰。然而，早在天气和气候模式模拟海冰的质量或动量平衡之前，科学家就已经认识到海冰高反照率对气候系统的重要性。早期气候模拟者使用能量平衡模式，通过在地表温度跌落临界值时提高地表反照率来参数化冰反照率反馈（Budyko 1969; Sellers1969）。当受到气候强迫，例如太阳辐射减少时，能量平衡模式会冷却响应， 其中高纬度地区最强烈——这种现象现在被广泛称为极地放大效应。

　　陆面模式没有动力核心，从这个意义上说，属于“全参数化”。从大气层的角度来看，土地只是一个较低的边界条件，但它也是我们种植大部分食物、建设城市和生活的地方。陆面过程的定量模拟可以追溯到100多年前，主要是农业和水资源的应用。陆面是能量、水、碳和动量流动的重要中介。陆面的反照率变化很大。通常，陆面吸收的大部分净辐射能量作为显热和潜热的湍流通量传递到大气中，只有很小的残余驱动土壤中的蓄热变化。这些湍流能量通量是大气能量学和循环的重要驱动。来自降水的水渗透，或者成为径流，渗透的水被储存，稍后可以作为蒸汽释放。陆面是很强的大气动量汇，陆面产生的摩擦在整个大气边界层中都能探测到，有时甚至远远超出边界层。地表的地形对大气环流产生巨大影响。至关重要的是，大部分地表是有生命的。植被和土壤中的微生物居住于此，其生物过程介导了显热和潜热的湍流通量之间的分配，并调节了大气从地下提取水的能力。植被是地表反照率和表面摩擦力的重要决定因素。植物和土壤微生物对大气条件变化的响应可以显著影响陆面通量。

　　本章的目的是介绍大约一个世纪ESM的开发。模式开发涉及对自然运作的科学分析，还涉及一些工程，尤其是在现有计算机上实现最佳性能。

　　本章尽可能按时间顺序组织。第一部分涉及从1900到1950的孕育期。从50年代开始，按十年组织小节，但有一些例外。其中一些小节专注于特定的ESM模块。我们试图对数值方法、辐射传递、湍流和云参数化、海洋和海冰建模以及地表模拟的发展进行交汇描述，因为这是真实的情况。这一章与数值天气预报的主题不可避免出现重合（ Benjamin et al.2019;本刊2019年6期-编译者注）。

　　2 开始之前

　　a. 动力核心的早期工作

　　20 世纪初，地球系统模拟的概念基础开始建立。图1中给出其中起到重要核心作用的3位有远见的科学家。

　　受美国军方委托研制的电子计算机——ENIAC于1945年完成。它是所有计算机中第一台可编程电子数字计算机。庞大的机器使用了 1.8 万个电子管，装满了整个大房间，耗电达到140kW (图2)。

　　b.辐射传输的早期工作

　　可用于计算地球大气中辐射加热速率和通量的方法出现在二十世纪上半叶。天文学家开发了用于计算辐射通量的双流方法（Schuster 1905; Eddington 1916）。将类似吸收量的部分光谱聚集在一起的想法最初由 Ambartsumian（1936） 提出，成为现在用于 ESM的k分布技术的基础。描述云滴等圆形粒子散射光的理论通常归功于 Mie（1908）。

　　辐射传输对ESM来说至关重要，因为辐射（几乎）是地球与宇宙其他部分交换能量的唯一机制，也因为大气的运动基本上是由地球、 大气和太阳发射的电磁辐射的空间梯度驱动的。同样的梯度也在决定大气的热结构中起关键作用。大气运动模式因而需要表现通过大气的辐射流，特别是大气中产生加热和冷却的辐射通量散度，以及由地面吸收（和发射）的辐射通量。用于了解气候（与天气相对）的模式必须准确计算大气顶部的净能量输入。

　　即使在今天，改进大气模式所需的实际计算仍然令人生畏。根本原因是辐射传递方程中的参数在方程中的解是非线性的（光学深度τ，单次散射反照率ω0，在某种程度上散射相函数也如此，通常是不对称因子g）。这些参数在地球大气层中变化很大。对于晴空，主要问题是气体衰减（τ的微分值）在与每种气体相关的数千到数百万吸收线周围，非常小的光谱区域中都相差许多数量级。云造成不同类型的问题。与气体的光学深度相比，云的光学深度随波长变化更加平滑，总体上仅相差三到四个数量级，但在时间和空间上变得更快。

　　ESM辐射传输参数化的历史，就是通过将我们的科学思维集中在具体、激励性的问题上，以将有限的计算能力最大化。从中出现的一个主题是，在整个世纪，计算上的挑战引发了有益的见解和新方法。第二个主题是，存在一种共同努力，通过与参考逐线积分模式比较，来理解参数化误差，这有助于识别误差的来源和大小，并指出可能的解决方案。

　　c. 1950年情况

　　到40年代末，新的数据源用于全球大气环流开创性的观测研究，其中值得关注的是MITVictor Starr团队（Starr 1948; Starr and White 1951）、芬兰的Eric Palmen和同事以及芝加哥大学（Palmén 1948; Palmén and Riehl 1957）以及Jacob Bjerknes（Vilhelm Bjerknes 之子），加州大学的Yale Mintz等。这些观测对后来开展的全球大气模式评估带来了动力并成为评估的基础。

　　3. 20世纪50年代

　　20世纪50年代，麻省理工学院的 Edward Lorenz（1955）发表了他最具影响力的论文中的第一篇，定义和分析了有效位能，并提供了对大气能量循环的重要见解。在芝加哥大学，David Fultz进行了转环模拟实验，重现了观察到的大气全球环流的一些特征（Fultzet al.1959）。两个研究（以及许多其他研究）都影响20世纪50年代大气数值模式的发展。

　　a. 动力核心进展

　　Charneyet al.（1950）的NWP标志性成功很快在世界其他几个地方得到效仿（例如,Persson 2005b）。在1950年代，业务数值天气预报在瑞典（1954；Bolin1955)、美国（1955）和日本（1959；Lynch 2006;ersson2005a,b）相继开展，但这些业务模式都不是全球性甚至半球的。

　　在此期间，开始实验可以取代正压涡度方程的三维模式。

　　早期的模式构建者必须做出一些非常基本的选择，这些选择至今仍不乏讨论。一个例子是选择如何在垂直方向中安 排模式的不同变 量 。Charneyand Phillips（1953）相对水平风分量u和v给出热力学变量位温θ偏移，这种安排可自然捕获静水和热风平衡。另一方面，Lorenz（1960）将θ置于与u和v相同层（图3），这样有利于总能量平衡。

　　使用数值模式对气候进行动态模拟可以说是始于1956年，NormanPhillips进行了大气全球环流的第一次加长模拟（ Phillips 1956; Lewis1998 ）。模式基于Charney-Phillips 垂直格点预测两个垂直层的风，这意味着只有一个预测温度，在对流层中部。该模式是准地转的，在β平面通道上，只有16x17网格列。由特定的经向变化的加热和冷却分布驱动。因为只预测一个层的温度，所以必须规定静态稳定性；使用小于观测值的值来模拟湿对流的影响。从具有小随机扰动的纬向流开始，产生了波长为 6000km 的干扰。它具有向西倾斜的特征，具有发展的斜压波的高度。 Phillips 研究了与发展的波相关的能量转换，发现与大气斜压系统的观测具有良好的定性一致性。

　　由于之前未知的一种数值不稳定形式，他的模拟经过几个模拟周后就崩溃了（Phillips1959）。并非违反CFL（Courant-Friedrichs-Lewey）条件导致的不稳定性；实际上，是一种固有的非线性不稳定性，其中非线性项的空间尺度被有限分辨率网格误表示（“混叠”），导致反馈和小规模噪声的增长（Phillips1959）。原则上，这种不稳定性甚至可以在时间连续模式中发生。Arakawa（1966）由此发展出了能量和坍缩守恒的有限差分雅可比。重要物理量守恒的数值方法的价值成为后期工作的主题（例如，Thuburn 2008）。

　　冯·诺伊曼对 Phillips 的工作印象深刻，1955 年 10 月在普林斯顿大学安排了一次关于“数值整合技术在大气环流问题中的应用”的会议。十年内出现了好几个主要大气全球环流模拟的研究小组。其中包括Smagorinsky的两层模式，基于球体上的纬向通道（Smagorinsky 1958）。

　　在另一项重要进展中， Norman Phillips提出使用追随地形的σ坐标（Phillips1957a），这大大简化了大气模式的下边界条件。今天，σ坐标的变化仍然被广泛使用。 Phillips发明的σ坐标标志着几十年来寻找大气和海洋模式最佳垂直坐标系的开始。

　　b. 关于边界层、陆面、云和积云对流参数化的早期工作

　　俄罗斯科学家Monin和Obukhov在20世纪50年代取得一个关键发展，他们展示了显热和动量的地表通量如何与温度和风的近地表剖面相关（Monin and Obukhov1954;Foken 2006）。后来他们的思路被扩展到包括海洋和其他水面上的表面湿度通量。二十年后， Monin 和 Obukhov描述的相似函数在著名的堪萨斯州（Businger et al.1971;Haugen et al.1971）和明尼苏达（Izumi and Caughey 1976）野外试验中得到了测量。今天， Monin-Obukhov 相似性理论用于确定几乎所有大气模式中的显热、动量和湿度的表面通量。

　　20世纪50年代在理解大气边界层和积云方面取得了重大进展。 Joanne Starr MalkusSimpson 及合作者对热带和亚热带海洋的湍流和积云对流进行了开创性观测，并发展了关于积云上升气流和下降气流的简单而富有洞察力的理论（Bunker et al. 1949;Malkus 1952; StarrMalkus 1954, 1955; Simpson et al. 1965; Simpson and Wiggert 1969）。边界层和积云对流参数化中重要的积云夹卷概念由海洋学家Henry Stommel（1951）首先进行了讨论。

　　Riehl and Malkus（1958）使用当时（相对稀疏）的观测来分析通过我们现在称为热带辐合带（ITCZ）的能量流，得出了一个关键性结论，即雷暴将能量强力向上输送到热带对流层的深处，并且，在某些层上，向上的能量通量与梯度相反。他们的研究推动了积云上升气流作为穿透式的“热塔”的表示，作用类似于高速电梯，在一小时或更短的时间内穿过对流层向上传递能量和其他数量。正如我们将要看到的，这些思路在20世纪60年代及以后被广泛用于积云参数化。

　　云微物理处理云和降水粒子，包括它们的形成和控制其演变的过程，如冷凝、蒸发、融化和冻结。由于这些过程在微观尺度内起作用，因此无法解析，现在和可预见的未来必须在所有天气和气候模式中进行参数化。云微物理学直到最近才建立定量理解。微观物理学研究的快速加速始于1940年左右，与对云过程的军事兴趣不断增长、新的观测技术（包括雷达）的发展、人工手段改变降水量的希望（Pruppacher and Klett 1997）重合。云微物理学和水汽物理学在天气和气候模式的早期发展中作用有限。

　　现代陆面模式也借鉴了20世纪50年代的重要思想。土壤温度随深度的变化可以模拟为给定热容量和热扩散率的估算情况下热量的垂直热扩散（Lettau 1954）。通过土壤柱的垂直热通量由空气和土壤表面之间的温差决定。 Penman（1948） 基于水汽压、风速和净辐射对湿表面的蒸发速率进行了简单的参数化。