中高层大气通过平流层-对流层相互作用（如动量与能量的传输、质量交换等），在调节对流层的天气气候方面发挥重要作用。然而，许多大气环流模式无法准确再现平流层过程及其对对流层的影响，其重要原因之一是模式层顶高度不足且垂直分辨率较粗。另一方面，受限于模式物理过程表征的不足或缺陷，即便提升了模式顶高度和垂直分辨率，仍难以准确刻画准两年振荡（QBO）、半年振荡（SAO）、爆发性增温（SSW）等平流层关键现象。这些现象的模拟偏差还会通过平流层-对流层相互作用向下传递，进一步影响对流层的天气气候模拟。因此，研发全大气层环流模式对于深入开展中高层大气机理研究、提高对流层大气的模拟和预报水平都具有重要意义。

中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室模式团队成员基于格点大气环流模式GAMIL3，通过提高模式顶高度（约0.01hPa/80 km）和垂直分层（137层），改进标准层结廓线与插值方法，引入并更新多个物理过程（引入非地形重力波参数化方案、调整对流过程、调整垂直扩散系数等），发展了第一代GAMIL模式的全大气层版本——W-GAMIL1.0。

研究发现，提高模式顶高度和加密垂直分辨率使W-GAMIL1.0对平流层动力学变量的模拟能力得到显著提升，热带地区的冷偏差与干偏差均明显降低。通过调整对流方案提高对流降水的发生频率与累积量后，MJO对流、QBO西风及其向下传播均大幅增强（图1），QBO的平均周期、最大振幅高度以及QBO信号能到达的最低高度也都得到了较好地再现（图2）。进一步研究发现，对流过程和重力波强迫在大气振荡模拟中起到重要作用，即增强的对流过程是QBO强西风形成的关键，而重力波强迫则是热带强西风产生的主要因素。此外，W-GAMIL1.0模式对MJO对流的东传、QBO的空间范围、振幅及下传速率、以及SAO东风强度仍存在一定程度的低估。这些研究结果表明，在发展全大气模式时，垂直与水平分辨率的匹配、对流过程与对流性非地形重力波的协调至关重要。

全大气模式W-GAMIL1.0的成功研发，不仅提升了自主模式对中高层大气过程及其与对流层相互作用的模拟能力，更为我国未来开展深空探测与临近空间应用提供了坚实的技术支撑。W-GAMIL1.0的评估结果也清晰揭示了当前中高层大气振荡/变率模拟的偏差来源，为后续参数化改进与分辨率协同设计指明了重要方向。

该研究成果近期发表于《Journal of Geophysical Research-Atmospheres》上，论文第一作者为中国科学院大气物理研究所博士后王贺，通讯作者为李立娟研究员，合作者还包括王斌研究员、普业高级工程师等。本研究得到国家重点研发计划（2022YFC3104804和2022YFC3104803）等项目的资助和国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”的支持。

论文信息

Wang, H., Li, L., Wang, B., Pu, Y., Bian, Y., Liao, W., Cui, Q., Zhang, W., Zuo, L., and Wang, X., et al. (2026). Whole-atmospheric version 1.0 of GAMIL (W-GAMIL1.0): Description and evaluation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 131, e2025JD045495. https://doi.org/10.1029/2025JD045495

图1 （a）探空观测资料、（b）MERRA2再分析资料、（c）GAMIL3以及（d）W-GAMIL1.0在5°S~5°N范围内的纬向平均纬向风时空-气压剖面（单位：m/s）；横坐标为始于1990年1月1日的逐月时间序列；等值线间隔为4 m/s。10 hPa处白色曲线大致分离了SAO与QBO纬向风的特征信号高度。

图2 赤道区域（5°S~5°N）多年平均（1980-2005年）的纬向风（a、b；单位：m/s）与气温（c、d；单位：K）的准两年振荡（QBO）傅里叶振幅纬度-气压分布，纬向风（蓝色；单位：m/s）与气温（橙色；单位：K×10^-1）的QBO傅里叶振幅-气压剖面（e、f），以及QBO振幅最大值处的纬度-振幅剖面（g、h）。图e、f中：蓝点为QBO振幅最下层，红点为振幅最大所在高度；图g、h中：蓝点与红点分别表征纬向风与气温QBO振幅的纬度分布范围。