1. 探讨集合资料同化算法对GFDL CM2.1模式中的对流参数的估计研究

　　对流参数化中的参数不确定性是引起模式气候漂移误差的主要原因之一。在大气模式中，基于对流参数调整的众多研究可有助于缓解这一问题。但是，在完全耦合的大气环流模式（CGCM）中，影响海洋和气候模拟的对流参数可能有不同的最优值。基于此，本研究探讨了在CGCM中使用集合耦合模式同化方法对对流参数进行估计的可能性，并分析了对流参数估计对气候分析和预测的影响（图1）。研究方法是在孪生实验框架下，对完全模式和非完全模式状况下的GFDL耦合模式CM2.1中的五个对流参数分别进行了独立和集合估计研究。结果表明，集合资料同化方法可以减少对流参数的偏差。通过对对流参数的估计，大气和海洋的分析和预报都得到了普遍的改善。研究还发现，低纬度地区的信息对对流参数的估计更为重要。当在合适的物理过程参数化中识别到重要参数时，将这些参数的估计耦合至传统的集合同化过程可以改善最终分析和气候预测。该成果发表在Advances in Meteorology上。

1：a-e：6 h 大气温度（单位:K）和图f-j：6h比湿度（单位:g/kg）的全球垂直平均分布，图g-o全球平均集合分布的温度垂直变化，图p-t表示比湿度。

2. 提出一种解决赤道不稳定性的实用方法

对生物地球化学的过去和现在的可靠估计对于了解过去生态系统的变化和预测未来的变化至关重要。然而，将改进的物理海洋状态估计转化为改进的生物地球化学估计的过程受到物理资料同化过程中出现的瞬态动量不平衡的高生物地球化学敏感性的阻碍。最值得注意的是，赤道地区的地球旋转约束条件的打破可能导致虚假的上升流，导致赤道生产力过剩和生物地球化学通量，这阻碍了人们对厄尔尼诺和拉尼娜现象的生物地球化学后果的理解和预测。

基于此，本研究提出了一项策略，将海洋生物地球化学模式与用于季节性到年代际间全球气候预测的集合气候资料同化系统集成起来。处理虚假的垂直速度需要两个步骤。首先，通过收紧对大气资料同化的约束可以保持较好的赤道风应力和压力梯度平衡，这减弱了虚假的垂直速度，但剩余的速度仍然产生了大量的生物地球化学偏差。然后，通过在赤道附近的资料约束上对动力学模型施加更严格的逼真度来解决剩下的问题，确定了模式数据权重的最佳选择，该权重去除了虚假的生物地球化学信号，同时受益于离赤道的约束条件，这仍然大大改善了赤道物理海洋模拟。与无约束控制相比，最优约束模式减少了赤道生物地球化学偏差，明显提高了赤道亚表面硝酸盐浓度和缺氧面积（图2）。该成果发表在Journal of Advances in Modeling Earth Systems上。

图2：在0.5到106°C温度范围内，使用不同观测标准误差的资料同化模拟出的赤道部分年度平均垂直速度（左）和硝酸盐的平均偏差（右）。

结果表明，海洋观测误差越大，海洋资料约束越弱。观测误差的膨胀率同样适用于盐度。

３. 采用GFDL耦合资料同化系统开展对深海Argo观测的OSSE研究

本研究采用GFDL集合资料同化系统进行观测系统模拟试验，以研究深海领域Argo资料同化对数值气候系统的重大影响。基于现代Argo观测数组和全深度的人工扩展基础，本研究从大气耦合环流模式（CM2.0）中提取的“观测资料”同化到另一个模式（CM2.1）中。结果表明，受大气和海洋同时约束的耦合资料同化系统对防止深海漂移具有重要作用（图3）。但是，Argo的全深度扩展并没有显著提高双实验偏差范围内海洋气候估计的质量。即使在同一模式（CM2.1）与同化模式的Argo观测数组的“完全相同”双实验中，深海也没有出现明显的特征变化，如大西洋经向翻转环流等。该科研成果发表在Ocean Science Journal上。

图3：温度和盐度的校正