FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

CMIP5模式对西北太平洋SST的模拟偏差及可能成因分析

利用参加第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5,CMIP5)的21个全球耦合气候模式的输出结果,利用海表热收支诊断方法,讨论了CMIP5模式对西北太平洋海表面温度(SST)的模拟偏差及其可能成因.结果表明,大部分CMIP5模式模拟的西北太平洋SST在全年都有持续的冷偏差,且在夏季最大,在冬季最小.CMIP5模式模拟的西北太平洋SST冷偏差是海盆尺度的,并且主要分布在中低纬度海洋内区.混合层热收支诊断分析研究表明,大气过程所致的海表净热通量模拟偏少是造成西北太平洋SST模拟冷偏差的主要原因,其中大气过程导致的潜热通量模拟偏多是造成冬、春、秋三季SST模拟冷偏差的最主要因素,而在夏季海表短波辐射模拟偏少和潜热模拟偏多对SST模拟冷偏差均有重要贡献.进一步分析表明,冬、春季西北太平洋低层风速偏大可能与海洋大陆区域的正降水偏差有关,而夏、秋季风速偏差则可能与热带辐合带的模拟偏差有关.冬、春季海洋大陆区域的正降水异常及夏、秋季ITCZ的模拟偏差使得北太平洋地区产生东北风异常,该东北风异常叠加在气候态风场上,使得北太平洋地区风速增强,造成海表潜热通量模拟偏多,海温模拟偏冷.     

热带太平洋年际尺度和热带不稳定波引起的叶绿素变率对ENSO调制的互补效应

在热带太平洋,观测数据表明海表叶绿素(Chl)表现出年际尺度变率和由热带不稳定波(TIW)引发的中小尺度扰动这两者的共存现象;两者通过海洋生物引发的加热(OBH)反馈对ENSO造成的联合影响尚未得到充分的表征和理解.本文利用一个混合型大气-海洋物理-生物地球化学耦合模式(HCM AOPB)来量化年际和TIW尺度上Chl扰动对ENSO的单独以及联合调制影响. HCM敏感性试验结果证实了两者对ENSO振幅存在相反的作用,其中大尺度Chl年际变率造成的海洋生物-气候反馈效应通过其对上层海洋层结和垂向混合的影响来减弱ENSO,而TIW尺度的Chl扰动则倾向于增强ENSO.气候模式中ENSO的模拟敏感地依赖于对不同尺度上Chl效应的表征方式,因此有必要在气候模式模拟中充分地考虑不同尺度上Chl引发的气候效应.本文揭示了热带太平洋Chl效应是气候模式中ENSO模拟的一个偏差源,可为不同尺度上热带太平洋气候系统与海洋生态系统间相互作用提供新的见解.这些结果也揭示了ENSO调制的复杂性:即热带太平洋海洋生物地球化学过程相关的年际和TIW尺度上的Chl扰动与物理过程间的相互作用可对ENSO产生协同效应.     

耦合条件非线性最优扰动及其在ENSO集合预报研究中的应用

考虑到目前集合预报初始扰动方法未能充分刻画地球系统不同圈层相互作用影响的局限性,本研究提出了能够考虑多圈层耦合初始不确定性的耦合条件非线性最优扰动(C-CNOP)方法.将C-CNOP方法应用于热带太平洋典型的海气耦合现象厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的集合预报研究,表明了C-CNOP方法能够产生ENSO集合预报的更恰当考虑海气耦合不确定性的快速增长初始扰动(CPs);从Ni?o3.4海表温度距平(SSTA)时间变率的预报和ENSO成熟位相SSTA空间变率的预报两方面,揭示了CPs能够有效促进ENSO集合平均预报的水平,尤其从春、夏季开始的预报,即使该季节热带太平洋海气耦合强度最弱, CPs也能够捕捉到该弱海气耦合信息的不确定性,从而大大抑制了ENSO预报误差在该季节由于最强海气耦合不稳定性导致的快速增长,有效延长了ENSO的预报时效.因此, C-CNOP方法是一个能够产生集合预报的更充分考虑初始耦合不确定性的初始扰动的方法,期望未来在继续研究的基础上,使C-CNOP在地球气候系统预测中发挥重要作用.     

外热带大气扰动对ENSO的影响

合成分析了20世纪80年代以来5次主要的ENSO事件，发现外热带大气扰动通过经向风异常不仅对ENSO的发生起到重要的触发作用，而且影响到ENSO的发展和衰减. 因此，尽管ENSO对外热带大气扰动有影响，但同时外热带大气扰动又与ENSO有相互作用. 在ENSO发生前，南印度洋中纬度为反气旋异常，并通过Rossby波的频散作用加强了澳大利亚附近的反气旋异常；同时，澳大利亚东部沿海的南风异常与菲律宾附近的北风异常在赤道辐合，促进了赤道西太平洋西风异常的爆发和其后ENSO的发生. 在ENSO发生之后，东南太平洋上的气旋异常及相关的南风异常进一步增强了赤道中东太平洋的西风异常和ENSO的发展. 当ENSO达到成熟时，澳大利亚东部的反气旋异常东移，使东南太平洋的气旋异常减弱，南方涛动型环流异常亦随之减弱；同时，阿留申气旋异常加强，尤其是副热带北太平洋的风场异常可加强赤道中东太平洋海水的涌升，使该地区海表温度降低，加速ENSO的消亡.     

伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的大气扰动异常及对中纬度大气平均场的影响

中纬度海洋热力状况异常影响大气主要通过两种途径:非绝热加热的直接强迫作用和大气瞬变涡旋反馈的间接强迫作用,而后者的作用并没有被很好地认识.为了进一步理解间接强迫作用的物理机制,本文利用观测资料分析和区域大气模式模拟,研究了伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的中纬度大气场异常,特别是对流层中高层不同频率的涡旋扰动活动的异常.实际观测和数值试验结果均表明,当北太平洋副热带海表面温度锋偏强时,其上空的中纬度大气经向温度梯度增强;对应此时的大气斜压性增强,且中纬度大气西风急流整层加速;然而增强的大气斜压性并不对应一致性增强的大气涡旋扰动活动.中纬度大气的涡旋扰动根据其生命周期,进一步划分为高频(2~7天)和低频(10~90天)涡旋扰动.研究结果表明偏强的北太平洋副热带海洋锋对应着增强的中纬度大气高频涡旋扰动和减弱的低频涡旋扰动;其中,中纬度大气高频扰动活动的增强,将有利于削弱中纬度大气经向温度梯度,从而减弱中纬度大气斜压性;而高频扰动对纬向风倾向项的正贡献,有利于中纬度急流中心北侧及下游区域的西风加速,形成中纬度西风相当正压结构的增强;大气低频扰动的减弱,对中纬度大气纬向风倾向项产生负贡献,不利于急流的纬向均匀化,而其热力强迫异常则有利于维持中纬度对流层中层大气的经向温度梯度.     

北太平洋副热带高压年际变异与ENSO 循环之间的选择性相互作用

利用NCEP/NCAR大气再分析资料以及Hadley中心海表温度资料,针对北太平洋副热带高压(简称副高)的完整系统,通过分析超前于ENSO事件的海平面副高年际异常特征及其对ENSO事件的触发作用以及ENSO事件对500 hPa副高和海平面副高的滞后影响,结果表明了北太平洋副热带高压年际变异和ENSO循环之间存在选择性相互作用.即在大多数情况下,一方面,前期海平面副高减弱会导致热带西太平洋表面西风异常,通过海洋平流过程触发El Nino事件在夏季发生发展,在秋冬季成熟; 而另一方面,El Nino事件在秋冬季发展成熟后,增强了赤道中太平洋的对流性热源,通过对异常热源的动力响应,同期和次年夏季500 hPa副高增强,又通过增强的Hadley环流作用,副热带地区下沉运动增强,从而使得次年夏季海平面副高增强,增强的海平面副高又有利于触发下一个La Nina事件.副高年际变异和ENSO循环之间相互作用的选择性主要取决于副高异常是否接近于赤道以及ENSO事件本身的持续性.这种相互作用有利于在热带太平洋海气系统产生准两年振荡.     

利用回归修正方法改善区域耦合模式中的ENSO模拟

通过对数值实验的比较和分析, 提出了一种旨在改善区域耦合模式中ENSO模拟的回归修正方法. 该方法主要用于修正耦合模式中海气间交换的通量. 具体步骤如下: 首先, 利用多年的观测资料计算得到驱动海洋模式所需的动量及热量通量, 驱动海洋模式进行长期积分; 其次, 用海洋模式模拟的SST作为大气模式的边界条件, 相应积分大气模式; 再利用大气模式模拟变量和相应观测资料建立线性关系, 通过线性拟合得到修正系数; 最后, 利用随时间和空间变化的回归修正系数修正计算动量及热量通量的变量, 并用修正后的变量计算海气交换通量, 进行耦合模式积分. 同时利用一个热带太平洋-全球大气耦合模式对该方案及常用的“距平耦合”方案进行了检验. 结果表明, 该方案优于“距平耦合”方案, 不仅可以更好的控制气候“漂移”现象, 而且, 能够改善区域耦合模式在热带太平洋区域的ENSO模拟.     

一个改进的诊断层积云方案及其对大气环流模式性能的改进

在气候模式中,传统的层积云参数化方案(简称LTS方案)高估了自由大气湿绝热过程所引起的垂直温度梯度的作用.在Wood和Bretherton提出的"估算逆温"(EIS)基础上,本文基于卫星资料构建了一个改良的诊断层积云方案,旨在改进当前广为使用的LTS方案.通过将EIS层积云方案引入大气环流模式GAMIL2.0中,并与传统方案进行对比试验发现,EIS层积云方案能有效地改善GAMIL2.0对东亚-西北太平洋季风区乃至全球云-辐射气候特征的模拟能力,一定程度地纠正了模式原来存在的中高纬度净(短波)云辐射强迫模拟偏弱的现象,而该偏差在当前许多模式中普遍存在.此改进与EIS层积云方案合理处理自由大气的温度层结有关.EIS层积云方案亦显著改进了GAMIL2.0对东亚-西北太平洋季风区云辐射年际变率的模拟能力.加入EIS层积云方案后,模式较好地模拟出了ENSO年冬春季东亚边缘海域的净云辐射正异常、海表入射短波正异常和层云量负异常.究其原因是EIS层积云方案比传统方案对海表温度异常的扰动更敏感.海表温度异常通过EIS层积云方案在对流层低层强迫出更强的云量距平,并通过改变加热率和垂直速度影响整个对流层,最终改进模式对云辐射强迫和地表入射短波通量年际变率的模拟.EIS层积云方案还增强了模式对El Ni?o年冬春季节西北太平洋异常反气旋以及东亚降水异常的模拟效果.     

南印度洋副热带偶极模在ENSO事件中的作用

南印度洋副热带偶极模（Subtropical Dipole Pattern,SDP）是印度洋存在的另一种很明显的偶极型海温差异现象,在年际和年代际尺度上均有十分明显的表现.而目前有关印度洋海气相互作用的研究主要集中在赤道印度洋地区,针对南印度洋地区的工作还比较少,特别是有关南印度洋海温与ENSO（El NiDo-Southern Oscillation）事件关系的研究.本文初步探讨了年际尺度上南印度洋副热带偶极型海温变化差异与ENSO事件的关系,发现SDP与ENSO事件有密切的联系,SDP事件就像连接正负ENSO位相转换的一个中间环节,SDP事件前后期ENSO的位相刚好完全相反.进一步,本文通过分析SDP事件前后期海温、高低层风、低层辐合辐散、高空云量和辐射等的变化特征研究了南印度洋偶极型海温异常在ENSO事件中的作用,结果表明：SDP在ENSO事件中的作用不仅涉及海气相互作用的正负反馈过程,还与热带和副热带大气环流之间的相互作用有关,特别是与东南印度洋海温变化所引起的异常纬向风由赤道印度洋向赤道太平洋传播的过程等有十分直接的关系;同时,SDP对ENSO事件的影响在很大程度上还依赖于大尺度平均气流随季节的变换.     

Improved ENSO simulation in regional coupled GCM using regressive correction method

A regressive correction method is presented with the primary goal of improving ENSO simulation in regional coupled GCM. It focuses on the correction of ocean-atmosphere exchanged fluxes. On the basis of numerical experiments and analysis, the method can be described as follows: first, driving the ocean model with heat and momentum flux computed from a long-term observation data set; the pro-duced SST is then applied to force the AGCM as its boundary condition; after that the AGCM’s simula-tion and the corresponding observation can be correlated by a linear regressive formula. Thus the re-gressive correction coefficients for the simulation with spatial and temporal variation could be obtained by linear fitting. Finally the coefficients are applied to redressing the variables used for the calculation of the exchanged air-sea flux in the coupled model when it starts integration. This method together with the anomaly coupling method is tested in a regional coupled model, which is composed of a global grid-point atmospheric general circulation model and a high-resolution tropical Pacific Ocean model. The comparison of the results shows that it is superior to the anomaly coupling both in reducing the coupled model ‘climate drift’ and in improving the ENSO simulation in the tropical Pacific Ocean.     

ENSO and the natural variability in the flow of tropical rivers

This paper examines the relationship between the annual discharges of the Amazon, Congo, Paran á, and Nile rivers and the sea surface temperature (SST) anomalies of the eastern and central equatorial Pacific Ocean, an index of El Niño-Southern Oscillation (ENSO). Since river systems are comprehensive integrators of rainfall over large areas, accurate characterization of the flow regimes in major rivers will increase our understanding of large-scale global atmospheric dynamics. Results of this study reveal that the annual discharges of two large equatorial tropical rivers, the Amazon and the Congo, are weakly and negatively correlated with the equatorial Pacific SST anomalies with 10% of the variance in annual discharge explained by ENSO. Two smaller subtropical rivers, the Nile and the Paraná, show a correlation that is stronger by about a factor of 2. The Nile discharge is negatively correlated with the SST anomaly, whereas the Paraná river discharge shows a positive relation. The tendency for reduced rainfall/discharge over large tropical convection zones in the ENSO warm phase is attributed to global scale subsidence associated with major upwelling in the eastern Pacific Ocean.     

Conceptual model about the interaction between El Ni(n)o/ Southern Oscillation and Quasi-Biennial Oscillation in far west equatorial Pacific

Interaction between the Quasi-Biennial Oscillation in far west equatorial Pacific (QBOWP) and the El Nino/Southern Oscillation (ENSO) is studied using a new conceptual model. In this conceptual model, the QBOWP effects on ENSO are achieved through two ways: (1) the oceanic Kelvin wave along equatorial Pacific, and (2) the Atmospheric Walker Circulation anomaly, while ENSO effects on QBOWP can be accomplished by the atmospheric Walker Circulation anomaly. Diagnosis analysis of the model results shows that the Atmospheric bridge (Walker circulation) plays a more important role in interaction between the ENSO and QBOWP than the oceanic bridge (oceanic Kelvin wave along equatorial Pacific); It is found that by the interaction of the ENSO and QBOWP, a free ENSO oscillation with 3-5 years period could be substituted by a oscillation with the quasi-biennial period, and the dominant period of SST anomaly and wind anomaly in the far west equatorial Pacific tends to be prolonged with enhanced ENSO forcing. Generally, the multi-period variability in the coupled Atmosphere-Ocean System in the Tropical Pacific can be achieved through the interaction between ENSO and QBOWP.     

Conceptual model about the interaction between El Ni?o/Southern Oscillation and Quasi-Biennial Oscillation in far west equatorial Pacific

Interaction between the Quasi-Biennial Oscillation in far west equatorial Pacific (QBOWP) and the El Ni?o/Southern Oscillation (ENSO) is studied using a new conceptual model. In this conceptual model, the QBOWP effects on ENSO are achieved through two ways: (1) the oceanic Kelvin wave along equatorial Pacific, and (2) the Atmospheric Walker Circulation anomaly, while ENSO effects on QBOWP can be accomplished by the atmospheric Walker Circulation anomaly. Diagnosis analysis of the model results shows that the Atmospheric bridge (Walker circulation) plays a more important role in interaction between the ENSO and QBOWP than the oceanic bridge (oceanic Kelvin wave along equatorial Pacific); It is found that by the interaction of the ENSO and QBOWP, a free ENSO oscillation with 3–5 years period could be substituted by a oscillation with the quasi-biennial period, and the dominant period of SST anomaly and wind anomaly in the far west equatorial Pacific tends to be prolonged with enhanced ENSO forcing. Generally, the multi-period variability in the coupled Atmosphere-Ocean System in the Tropical Pacific can be achieved through the interaction between ENSO and QBOWP.     

Impacts of thermodynamic processes over the Tibetan Plateau on the Northern Hemispheric climate

We here report our recent research results on the climatic features of Tibetan thermodynamic functions and their impacts on the regional climates of the Northern Hemisphere. The results show that the thermodynamic processes over the Tibetan Plateau not only strongly influence the Asian monsoon and precipitation, but also modulate the atmospheric circulation and climate over North America and Europe through stimulating the large-scale teleconnections such as the Asian-Pacific oscillation and affect the atmospheric circulation over the southern Indian Ocean. The Tibetan climate may be affected by sea surface temperatures over the tropical Pacific. On the other hand, the Tibetan climate also affects the atmosphere-ocean interactions in the tropics and mid-latitudes of the Pacific by the atmospheric circulation over the North Pacific. In spring and summer, the thermodynamic anomalies on the plateau affect the subtropical high pressure, the Hadley circulation, and the intertropical convergence zone over the Pacific, and then modulate the development of the El Niño/Southern Oscillation (ENSO). It is necessary to study the forecasting methods for the development of ENSO from the Tibetan climate anomaly. This result also embodies the essence of interactions among land, atmosphere, and ocean over the Northern Hemisphere. Since the previous studies focused on impacts of the plateau on climates in the Asian monsoon regions, it is essential to pay more attention to studying the roles of the plateau in the Northern Hemispheric and even global climates.     

北太平洋海表面高度的年际变化及其机制

利用15年（1993～2007年）月平均的海表面高度（SSH）异常资料,分析了北太平洋海表面高度的年际变化的时空结构,并研究了热通量和风应力两个因子对其的强迫作用.结果表明,北太平洋年际时间尺度SSH变化的大值区在黑潮延伸区和西太平洋暖池区.EOF分解第一模态的空间结构沿纬向呈带状分布,第二模态为沿经向呈带状分布.热通量强迫作用在中纬度的东北太平洋可以解释SSH年际变化40%以上.风应力对SSH的作用包括正压和斜压两个方面.正压Sverdrup平衡模型模拟的SSH年际变化较弱,仅能解释高纬度副极地环流西部的20%~40%.由大尺度风应力强迫的第一阶斜压Rossby波模型可以解释热带地区的20%~60%,中纬度中部的20%~40%,以及阿拉斯加环流东部和副极地环流西部的20%~60%.风应力强迫的一阶斜压Rossby波模型对SSH的强迫机理又可分为局地风应力强迫和西传Rossby波作用.其中,风应力的局地强迫作用（Ekman抽吸）在东北太平洋、白令海以及热带中部有显著的预报技巧,可以解释SSH年际变异的40%以上.Rossby波的传播作用在中纬度海域的副热带环流中西部和夏威夷岛以东起着重要作用,可解释20%~60%.