地球气候系统模型是预测气候和预估气候变化的重要工具，建立和发展地球气候系统模型是国内外地球科学研究的前沿领域。大气化学和气候变化之间存在重要且复杂的相互作用，正确模拟大气化学过程及其与气候的相互作用是当前气候系统模型发展的重点方向之一。然而，在气候模型中加入上百个生命时间尺度跨度很大且物理化学特性不一的物种，并在线模拟其化学、沉降、和传输过程，对气候模型的复杂度和计算量都提出了巨大挑战。国际上已经陆续开发出实现全球大气化学和气候模块在线耦合的模型，如美国的CESM模型，英国的HadGEM模型，日本的MIROC-ESM-CHEM模型等。我国在气候系统模型的建立和发展上也取得了一些重要成果，在之前参与第五次国际模型比较计划（CMIP5）的39个全球气候系统模型中有5个来自于我国，旨在气候变化等国际议题中争取更多话语权。这些进入CMIP5的模型都没有实现对大气化学过程的在线模拟，这也是当前我国气候系统模型研发中较为薄弱的环节。
我系张霖长聘副教授团队与国家气候中心和美国哈佛大学有长期紧密的科研合作，一直在推动哈佛大学发展的大气化学模型GEOS-Chem与国家气候中心开发的BCC-CSM气候系统模型的在线耦合。研究团队历时近5年，于近期完成了全球大气环流-化学模型BCC-GEOS-Chem v1.0模型的开发，标记着在我国气候系统模型实现在线模拟全球复杂大气化学过程的一个重要进展。
BCC-GEOS-Chem v1.0模型框架如图1所示。模型具有交互的大气模型和陆面模型，海洋和海冰则作为边界条件输入。大气化学和沉降过程耦合GEOS-Chem模型的算法，大气模型和陆面模型为GEOS-Chem模块提供需要使用的变量（如温度、降水等气象变量），传输过程则在大气动力模块中实现。这样的耦合框架最大程度地保留了GEOS-Chem模型中先进的气相和气溶胶化学沉降机制，也让未来GEOS-Chem模型的科学更新和改进可以便捷地耦合到BCC大气模型中，从而使BCC-CSM气候系统模型保持具有国际前沿水平的大气化学表征。
图1 BCC-GEOS-Chem v1.0模型框架示意图
研究团队克服了模型耦合模块编写、模型陆面类型的匹配、对流湿清除过程的表达等一系列难点，并对新发展的BCC-GEOS-Chem v1.0模型进行了3年（2012-2014）的数值模拟验证。与多套地面、探空、卫星观测的气态污染物和气溶胶组分数据的对比结果显示，BCC-GEOS-Chem模型能很好地模拟对流层臭氧的时空分布特征（图2），且大气氧化性的主要诊断量（对流层臭氧总量，氢氧自由基总量，对流层甲烷生命时等）与观测估计值及其他全球气候-化学耦合模型结果一致。模型模拟的对流层一氧化碳、二氧化氮、甲醛、二氧化硫、气溶胶光学厚度也与观测结果有较好的吻合，体现了BCC-GEOS-Chem v1.0模型对大气动力和化学均具有良好的模拟能力。
图2 2012-2014年全球700-400 hPa对流层臭氧浓度的空间分布。图（a）为OMI卫星观测的对流层臭氧浓度，
图（b）为BCC-GEOS-Chem模拟结果，图（c）为模型模拟与观测值之差。
该研究成果已于近期发表于Geoscientific Model Development期刊。我系博士毕业生卢骁（现哈佛大学博士后）为论文的第一作者，承担了主要代码开发和数值模拟验证工作。张霖副教授和国家气候中心吴统文研究员（BCC-CSM模型首席科学家）为论文共同通讯作者。合作者包括哈佛大学Daniel J. Jacob教授（GEOS-Chem模型首席科学家），爱荷华大学王俊教授等来自多个国内外科研单位的科研人员。模型的源代码和模拟数据已公开发表。该研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、国家留学基金委、及哈佛大学中国计划（Harvard China Project）的资助或支持。
BCC-GEOS-Chem大气环流-化学模型的成功开发是气候-化学耦合模型建立的关键性一步。BCC-GEOS-Chem有广泛的应用前景，如应用于未来尤其是长时间尺度大气化学情景和空气质量预测等。研究团队还将进一步改进现有模型，着重提高平流层化学模拟能力及完善、验证气溶胶与温室气体对气候的反馈过程，使得模型可以更好地服务于预估气候变化及气候-化学相互作用的科学认识。
原文链接：https://doi.org/10.5194/gmd-13-3817-2020
