20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对20世纪太平洋海温变化的模拟,讨论了自然因子和人为因子对20世纪太平洋海温变化的相对贡献。观测资料表明,20世纪太平洋平均的SST变化主要分为3个时段:20世纪上半叶的增暖,40—70年代的微弱变冷,70年代之后的迅速增暖。20世纪太平洋SST变化的主导模态是全海盆尺度的振荡上升模态,其次为PDO振荡型,在70年代末PDO存在明显的年代际转型。通过全强迫试验、自然强迫试验、控制试验对上述现象进行归因分析,结果表明,人为因子和内部变率都对第一次增暖有贡献,而人类活动(主要是温室气体的增加)是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分区域来看,在两个增暖时段中,影响黑潮延伸体区SST变化的主要是自然因子和内部变率,影响其它海域SST变化的则主要是人为因子。全强迫试验可以较好的模拟出前两个模态的空间分布及时间序列。在没有人为因子的影响下,PDO成为太平洋海温变化的主导模态,其年代际转变发生在60年代中期,意味着人为因子是全海盆振荡增暖的主导原因,并且它使得年代际转型滞后了10a。因此,自然因子是导致SST年代际转型中的主导因子,人为因子有"调谐"作用。     

HYCOM模式中水平分辨率对海温模拟影响的评估

基于HYCOM模式建立两组数值试验:低水平分辨率的全球模型(0.5°)和高分辨率的嵌套试验(嵌套0.1°分辨率的热带太平洋海域),评估水平分辨率对HYCOM模式在热带太平洋海域海温模拟能力的影响。结果表明:(1) HYCOM数值模拟结果除赤道中太平洋的小部分海域误差较大外,基本较好地模拟出热带太平洋海域海表温度的分布特征,并能较好反应西太暖池空间分布的季节变化。(2)提高水平分辨率使得HYCOM对热带太平洋SST的模拟有所改进,有效减少了HYCOM对西太平洋暖池区模拟偏暖的误差,但是提高水平分辨率后使得夏秋季节暖池西缩。(3)通过代表性断面上温度分布的对比分析,两组试验等温线的密集程度均比实测结果稀疏,高分辨率模型对跃层强度的模拟偏弱,这反映模式在提高分辨率的同时要有相应的物理过程(如混合等)与之相匹配。     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(暖)异常的结果表明,热带印度洋SSTA对于热带太平洋SSTA主要起着一种负反馈作用,并且这种负反馈作用在年代际尺度上更为明显.     

ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响

热带太平洋海洋-大气耦合系统对全球变暖的响应是气候变化的热点问题。前人研究发现,气候模式的模拟偏差对于全球变暖响应结果有重要影响。本文利用美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)的地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中的大气模式(Community Atmosphere Model version 5, CAM5)设计数值试验,在相同的SST(Sea Surface Temperature)增暖强迫下,通过改变海洋SST的年际变化振幅,来分析热带海洋年际变化强度的模拟对未来热带海区降水和大气环流场未来变化的影响。试验结果表明,随着SST年际变化强度的增加,全球变暖后热带太平洋降水变化的东西不对称性,以及向暖池区域辐合的风场变化等特征都逐渐减弱。进一步的分析发现,不同年际变化信号导致的大气场变化差异主要发生在冬季,是由于热带太平洋SST年际变化主模态ENSO(El Niňo-Southern Oscillation)的不对称性造成的:在厄尔尼诺年,强(弱)的年际变化信号会造成降水在东太平洋产生较大(小)的变化;而在拉尼娜年和正常年份,年际变化信号的强弱对热带降水变化的影响则不大。当热带海温的年际变化较大时,厄尔尼诺年的海温异常更强,造成的降水和风场的变化特征也会更加显著。     

CMIP5模式对南海SST的模拟和预估

分析了32个CMIP5模式对南海历史海表温度(SST)的模拟能力和不同排放情景下未来SST变化的预估。通过检验各气候模式对南海历史SST增温趋势和均方差的模拟,发现大部分模式都能较好地模拟出南海20世纪历史SST的基本特征和变化规律,但也有部分模式的模拟存在较大偏差。尽管这些模拟偏差较大的模式对SST多模式集合平均的影响不大,但会增加未来情景预估的不确定性。剔除15个模式后,分析了南海SST在RCP26、RCP45和RCP85三种排放情景下的变化趋势,发现在未来百年呈明显的增温趋势,多模式集合平均的增温趋势分别为0.42、1.50和3.30℃/(100a)。这些增温趋势在空间上变化不大,但随时间并不是均匀变化的。在前两种排放情景下,21世纪前期的增温趋势明显强于后期,而在RCP85情景下,21世纪后期的增温趋势强于前期。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

一个简单的印-太海气耦合模式

本文基于一层半海洋模式和SVD(Singular Value Decomposition)大气模式构建了一个简单的海气耦合模式, 引入热通量的作用, 分析ENSO影响热带印度洋地区的动力学和热力学耦合过程。其中, 使用统计大气模式, 由给定的SST(Sea Surface Temperature)异常得到风应力异常, 进而驱动海洋环流反馈给SST, 完成海气的动力耦合; 使用块体经验公式由SST异常和风场异常计算热通量异常, 直接作用于SST, 实现海气的热力学耦合。动力耦合实验揭示, 太平洋第一EOF(Empirical Orthogonal Functions) 模态与观测基本吻合。并且模拟Ni?o 3指数存在两年左右的谱峰周期。这说明, 海气动力学耦合是ENSO生成的主要因素。热力耦合的加入是为了考察ENSO影响热带印度洋的热力学效应。同时考虑动力和热力耦合的实验结果表明, 热带太平洋暖异常中心更加接近观测值, 热带印度洋出现海盆尺度海温正异常。这意味着热带太平洋的ENSO信号通过海气界面的热量交换实现对热带印度洋地区的遥强迫, 导致印度洋海盆尺度增暖。     

北太平洋冬季SST、风场及环流对淡水强迫的响应

通过海气耦合模式CCSM3(The Community Climate System Model version 3),研究在北大西洋高纬度淡水强迫下,北太平洋冬季的海表温度SST、风场及流场的响应及其区域性差异。结果表明:淡水的注入使北太平洋整体变冷,但有部分区域异常增暖;在太平洋东部赤道两侧,SST的变化出现北负南正的偶极子型分布。阿留申低压北移的同时中纬度西风减弱,热带附近东北信风增强。黑潮和南赤道流减弱,北太平洋副热带逆流和北赤道流增强,日本海被南向流控制。风场及流场的改变共同导致了北太平洋SST异常出现复杂的空间差异:北太平洋中高纬度SST的降温主要由大气过程决定,海洋动力过程主要影响黑潮、日本海及副热带逆流区域的SST,太平洋热带地区SST异常由大气与海洋共同主导。     

CMIP5模式对东太平洋ITCZ偶极子模态模拟能力的评估

本研究利用第五次国际间耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 5, CMIP5)中的24个模式的工业革命前控制试验(Pre-industrial Control, picontrol)模拟结果, 结合观测资料, 评估了24个CMIP5 模式对东太平洋热带辐合带偶极子(Eastern Pacific ITCZ dipole, EPID)降水模态的模拟能力, 并建立了其与模式对热带太平洋气候态模拟之间的联系。结果表明: 1) 绝大多数模式在北半球春季(2—4月)对EPID模态模拟能力较差, 主要原因在于CMIP5模式对热带辐合带(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)的模拟偏差, 其中模拟效果较差的模式在2—4月的气候态降水分布在赤道以南, 且降水普遍偏强; 2) 对各模式的EPID模态选取的季节按照技巧评分最高进行调整后, 大部分模式能较好地模拟出EPID模态的空间分布特点, 技巧评分在0.6以上, 其中模拟效果好的模式(技巧评分大于0.7)中EPID模态出现的月份同时在中东太平洋气候态表现出“双ITCZ”特征, 且多模式集合结果的模拟误差小于绝大多数模式。     

CMIP5模式对近30年沃克环流强度变化模拟的不足及成因分析 *

太平洋沃克环流(Pacific Walker Circulation, PWC)是热带太平洋上空至关重要的大气环流系统, 但其在全球变暖背景下的长期变化仍存在争议, 换而言之, 沃克环流增强或减弱仍是有待回答的科学问题之一。观测表明近30年PWC呈增强趋势, 而气候模式无法得出观测的趋势。文章分析了参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5, CMIP5)的18个耦合模式模拟的PWC变化。结果表明, 大部分耦合模式能够较好地再现PWC的气候态分布特征, 但不能给出其加强的趋势。究其原因, 主要取决于模式对海表温度(SST)变化的模拟能力, 能模拟出PWC加强的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布与观测相近[即类拉尼娜(La Niña)型], 但仍存在一定差异; 而模拟出PWC减弱的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布表现为类厄尔尼诺(El Niño)型, 这与观测不符。对于后者, 如果用观测的SST驱动其大气模式却能够模拟出PWC的加强, 从另一方面也说明了SST变化对于PWC长期变化的主导作用。因此, CMIP5模式要想合理地预估PWC在全球变暖背景下的变化, 需要提高对于热带太平洋SST变化的模拟能力。     

20 世纪热带海洋海表面温度年际变化的特征

利用Hadley中心海冰和海表面温度资料集Had ISST和美国国家海洋大气管理局的扩展重建海温(ERSST)海表面温度(sea surface temperature,SST)观测数据,结合政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)中CMIP3(Coupled Model Intercomparison Project 3)的24个耦合模式的模拟结果,通过经验正交函数(EOF)分解等方法,对20世纪热带海洋在的SST年际变化进行了分析。结果表明,20世纪热带海洋年际变化的主要规律是ENSO信号,且有持续增强的趋势;热带海盆间存在显著的SST梯度,其长期变化与热带东太平洋显著相关。本文结论有利于理解在全球变暖背景下,海盆间的相互作用对赤道海域气候改变的影响。     

Decadal variability of the shallow Pacific meridional overturning circulation: Relation to tropical sea surface temperatures in observations and climate change models

In this study, we use existing observational datasets to evaluate 20th century climate simulations of the tropical Pacific. The emphasis of our work is decadal variability of the shallow meridional overturning circulation, which links the tropical and subtropical Pacific Ocean. In observations, this circulation is characterized by equatorward geostrophic volume transport convergence in the interior ocean pycnocline across 9°N and 9°S. Historical hydrographic data indicate that there has been a decreasing trend in this convergence over the period 1953–2001 of about 11 Sverdrup (1 Sv = 10⁶ m³ s⁻¹), with maximum decade-to-decade variations of 7–11 Sv. The transport time series is highly anti-correlated with sea surface temperature (SST) anomalies in the central and eastern tropical Pacific, implying that variations in meridional overturning circulation are directly linked to decadal variability and trends in tropical SST. These relationships are explored in 18 model simulations of 20th century climate from 14 state-of-the-art coupled climate models. Significant correlation exists between meridional volume transport convergence and tropical SST in the majority of the models over the last half century. However, the magnitude of transport variability on decadal time scales in the models is underestimated while at the same time modeled SST variations are more sensitive to that transport variability than in the observations. The effects of the meridional overturning circulation on SST trends in most the models is less clear. Most models show no trend in meridional transport convergence and underestimate the trend in eastern tropical Pacific SST. The eddy permitting MIROCH model is the only model that reasonably reproduces the observed trends in transport convergence, tropical Pacific SST, and SST gradient along the equator over the last half century. If the observed trends and those simulated in the MIROCH model are ultimately related to greenhouse gas forcing, these results suggest that the Bjerknes feedback, by affecting pycnocline transport convergences, may enhance warming that arises from anthropogenic forcing in the eastern tropical Pacific.     

Tropical cyclone genesis over the western North Pacific simulated by Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 models

Threatening millions of people and causing billions of dollars in losses, tropical cyclones(TCs) are among the most severe natural hazards in the world, especially over the western North Pacific. However, the response of TCs to a warming or changing climate has been the subject of considerable research, often with conflicting results. In this study, the abilities of Coupled Model Intercomparison Project(CMIP) Phase 6(CMIP6) models to simulate TC genesis are assessed through historical simulation...     

IPCC AR4模式对热带气旋热力控制因子的模拟评估

海平面温度是影响热带气旋活动重要的大尺度环境热力控制因子,根据1948-1999年热带地区(30°S-30°N)海平面温度(SST)的气候场、线性趋势、年代际变化与年际变化的空间结构特征,分别就24个IPCC AR4模式的模拟性能进行评估.结果表明,虽然24个IPCC AR4模式对SST气候场的模拟性能都比较好,但大部...     

全球气候模式中赤道东太平洋海表温度的季节循环：从CMIP5到CMIP6

The sea surface temperature(SST) seasonal cycle in the eastern equatorial Pacific(EEP) plays an important role in the El Ni?o–Southern Oscillation(ENSO) phenomenon. However, the reasonable simulation of SST seasonal cycle in the EEP is still a challenge for climate models. In this paper, we evaluated the performance of 17 CMIP6 climate models in simulating the seasonal cycle in the EEP and compared them with 43 CMIP5 climate models. In general, only CESM2 and SAM0-UNICON are able to successfully capture the annual mean SST characteristics,and the results showed that CMIP6 models have no fundamental improvement in the model annual mean bias.For the seasonal cycle, 14 out of 17 climate models are able to represent the major characteristics of the observed SST annual evolution. In spring, 12 models capture the 1–2 months leading the eastern equatorial Pacific region 1(EP1; 5°S–5°N, 110°–85°W) against the eastern equatorial Pacific region 2(EP2; 5°S–5°N, 140°–110°W). In autumn,only two models, GISS-E2-G and SAM0-UNICON, correctly show that the EP1 and EP2 SSTs vary in phase. For the CMIP6 MME SST simulation in EP1, both the cold bias along the equator in the warm phase and the warm bias in the cold phase lead to a weaker annual SST cycle in the CGCMs, which is similar to the CMIP5 results. However,both the seasonal cold bias and warm bias are considerably decreased for CMIP6, which leads the annual SST cycle to more closely reflect the observation. For the CMIP6 MME SST simulation in EP2, the amplitude is similar to the observed value due to the quasi-constant cold bias throughout the year, although the cold bias is clearly improved after August compared with CMIP5 models. Overall, although SAM0-UNICON successfully captured the seasonal cycle characteristics in the EEP and the improvement from CMIP5 to CMIP6 in simulating EEP SST is clear, the fundamental climate models simulated biases still exist.     

CMIP5模式对中国近海海表温度的模拟及预估

基于观测和再分析资料;利用多种指标和方法评估了国际耦合模式比较计划（CMIP5）中21个模式对中国近海海温的月、季节和年际变化模拟能力。多模式集合能够再现气候平均意义下近海海温的空间分布特征;但量值上存在一定的低估。在渤海和黄海;集合平均与观测差别比较明显。在年际尺度上;与观测数据对比;模式模拟海温与Niño3指数相关性较小。中国近海海表面温度在1960-2002年有明显的升高趋势;从2003年开始增温趋缓。评估结果表明;ACCESS1.0、BCC-CSM1.1、HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-MR、CMCC-CM、FGOALS-g2、CNRM-CM5-2、INMCM4八个模式对中国近海海温的变化有较好的模拟能力。利用ACCESS1.0、INMCM4、BCC-CSM1.1、IPSL-CM5A-MR、CMCC-CM这5个模式结果对中国近海海温未来的变化进行了预估。在RCP4.5、RCP8.5情景下;未来近100年中国近海海温有明显升高趋势;最优模式多模式集合平均增温分别可达到1.5℃、3.3℃;净热通量变化和平流变化共同促进了东海升温。     

The Indian Ocean’s asymmetric effect on the coupling of the Northwest Pacific SST and anticyclone anomalies during its spring–summer transition after El Niño

By comparing different climatologies in El Niño decaying summer with regard to the presence of Indian Ocean Basin (IOB) warming, we studied the effect of IOB warming on the Northwest Pacific sea surface temperature (SST) anomalies and the coupling process with the surface wind. Zonal asymmetric coupling feedback in the west and east of the Northwest Pacific were caused by the asymmetric spring–summer transition of the background tropical atmospheric circulation. Although the westward wind anomaly caused by the remote effect of IOB warming is found in the whole Northwest Pacific, reversal of the mean background surface winds in the western part leads to negative wind-evaporation SST (WES), whereas sustained trade winds lead to positive WES in the eastern part. The east–west SST gradient resulting from this zonal asymmetric evolution of SST sets off more positive feedback that strengthens the local anticyclone easterly anomalies.     

The atmospheric hinder for intraseasonal sea-air interaction over the Bay of Bengal during Indian summer monsoon in CMIP6

The surroundings of the Bay of Bengal (BoB) suffer a lot from the extreme rainfall events during Indian summer monsoon (ISM). Previous studies have proved that the sea-air interaction is an important factor for the monsoonal precipitation. Using the 6th Coupled Modol Inter-comparison Project (CMIP6) models, this study examined the biases of surface heat flux, which is the main connection between atmosphere and ocean. Results show that although CMIP6 have a better simulation of intraseasonal sea surface temperature (SST) anomalies over BoB than the previous ones, the “atmospheric blockage” still delays the response of latent heat flux to the oceanic forcing. Specifically, during the increment of positive latent heat flux in CMIP6, the negative contribution from wind effects covers most of the positive contribution from humidity effects, due to the underestimate of humidity effects. Further diagnostic analysis denote that the surface air humidity has a quarter of a phase ahead of warm SST in observation, but gets wet along with the warm SST accordingly in most CMIP6 models. As a result, the simulated transfer of intraseasonal moisture flux is hindered between ocean and atmosphere. Therefore, as a bridge between both sides, the atmospheric boundary layer is essential for a better sea-air coupled simulation, especially when the atmospheric and the oceanic variabilities involved in a climate model becomes increasingly sophisticated. The surface air humidity and boundary layer processes require more attention as well as better simulations.