全球海洋模式中不同海表热力与动力强迫对海温模拟的影响

对比了两套不同空间分辨率的海表热通量和风应力资料的差异,并将这两套外强迫数据作为全球海洋环流模式MOM4的上边界,研究不同的外强迫对全球海温模拟的影响。通过将两组试验的全球海温的气候态SST、经向平均的垂直海温、海温的季节及年际变化特征与SODA数据进行对比分析。结果表明:不同的外强迫对全球海温的模拟具有重要的影响,虽然采用这两套外强迫数据模拟的海温在大尺度的空间分布上与观测较为一致,但同时也存在一定的差异。这些差异总体表现为:采用CFSR数据作为模式外强迫时,模拟的海温表现为印度洋及大西洋区域的海温误差相对较小,而采用NCEP数据作为模式外强迫时,模拟的海温表现为太平洋区域的海温误差相对较小。两组试验模拟的海温差异的分布及特征与这两套数据净热通量差异的分布及风应力差异的分布相一致。未来建立海洋气候预测系统时,应该根据业务需求更加合理的选择外强迫数据。     

两种热通量边界条件对热带太平洋海温模拟的影响

利用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发展的气候海洋模式(LICOM),考察了两种热通量边界条件(牛顿冷却型边界条件和总体公式型边界条件)对热带太平洋海温平均态和年际变率模拟效果的影响。结果显示,在两种边界条件下,模式均能较好的再现海温的年平均空间分布特征和季节循环特征。对比分析发现,在牛顿冷却条件下,模拟结果与观测更加接近,这是因为该条件会通过调整净海表热通量使模拟海温向观测的气候态海温逼近。就年际变率而言,牛顿冷却条件下模式模拟的净海表热通量负反馈作用偏强,从而使ENSO模拟偏弱,进而使中东太平洋的异常经向温度平流模拟偏弱,造成海温异常的经向尺度偏窄。负反馈的强度与耦合系数的选取有关。而总体公式条件下模式能够合理地模拟出ENSO相关的热通量负反馈过程,从而能正确的模拟出ENSO振幅以及ENSO空间型。因此,当利用海洋模式对气候平均态海温进行模拟时,两种条件均可采用,但以牛顿冷却条件为佳;而当对海温的年际变率进行模拟时,应该采用总体公式型边界条件。     

全球海温变化的方差及其相关性分析

为了研究全球变暖背景下不同海域海温的变化特征,利用1854-2008年共155 a的全球海温数据资料——ERSST V2,通过对全球年平均海温方差的空间分布进行分析,发现全球海温变化较大的海域主要分布在赤道东太平洋海域,北半球太平洋中纬度海域,北半球大西洋中纬度海域,非洲西南端海域;赤道与中纬度地区海温变化较剧烈,太平洋较大西洋和印度洋海温变化更剧烈.海温变化方差值较大的区域多为具有较明显海温变化模态的区域.在不同的时期,全球海温方差的空间分布也是不同的.随着全球气候变暖,海温方差值较大的区域越来越多,而且海温的振荡模式也发生了改变,其高频振荡部分有所增强.通过观察方差值较大区域其海温振荡模式在全球的分布情况,可以发现:在低纬度地区高频振荡模式占主要地位,而在中高纬度地区则主要是低频振荡模式.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅱ.年代际变率

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,分析了北太平洋海温和环流场的年代际变化特征,同时诊断了1976-77年代际跃变过程中海温场变化的机制.模式模拟出了北太平洋海温年代际异常的主要模态以及1976-77年跃变前后的演变特征,模拟的北太平洋中部、加州沿岸和KOE区的海温异常的强度和演变趋势均和观测比较一致;同时,模式重现了分别始于20世纪70和80年代的中纬度海温异常信号沿等密度面向低纬地区的两次潜沉过程.在表层,流场的异常主要表现为与风应力异常基本符合Ekman关系的一个异常海洋涡旋,而整个上层海洋平均的流场异常则表现为两个海洋涡旋的异常,其中副热带海洋涡旋的异常的强度要显著于副极地海洋涡旋的异常,而副极地海洋涡旋异常出现的时间比副热带海洋涡旋晚3a左右的时间.对1976-77年前后3个区域上层海温各贡献项的诊断结果表明,北太平洋中部变冷主要是水平平流和热通量异常贡献的结果;而加州沿岸变暖主要归因于热通量的贡献;在KOE区,垂直平流、热通量和水平平流三者都起了重要作用,其中水平平流异常对这一区域海温年代际跃变出现的时间起了至关重要的作用.     

垂直混合方案对全球海洋环流模式模拟结果的影响对比研究

利用Modular Ocean Model version4(MOM4)海洋环流模式设计了2个全球海洋-海冰耦合的数值实验,以分析比较Pacanowski and Philander(PP)和K-Profile Parameterization(KPP)两种不同垂直混合方案在全球海洋上层模拟中的表现。实验结果表明,PP和KPP方案在中纬和高纬海域模拟海温差别较大,后者模拟结果好于前者;在低纬海域差别较小,但赤道断面PP方案模拟结果较好;KPP方案能很好地模拟太平洋赤道潜流,而PP方案模拟的赤道潜流位置偏浅。     

气象强迫场时间频率对ROMS模式高分辨率数值模拟的影响分析

利用海洋数值模式对海洋环流、潮汐、温盐场等进行模拟,是目前海洋科学研究中的重点方向。覆盖渤海、黄海、东海的中国近海广阔海域是海-气相互作用的显著作用区,气象场对数值模式的驱动对该海域模拟的效果具有显著的影响。通过设计对比实验,在不同时间频率气象强迫场条件下,利用ROMS模式对中国近海海域的数值模拟研究进行对比分析,为中国近海海域高分辨率海洋再分析和数值预报提供理论支持。     

IPCC耦合模式对北太平洋海-气系统冬季重现的模拟

冬季重现(再现)是中高纬度大尺度海表温度重要的持续性特征,是热带外海洋特有的现象。北太平洋大气环流也存在这一现象,它可能会强迫产生这一海域海温的冬季重现。本文利用IPCC 20C3M耦合模式资料,评估了耦合模式模拟北太平洋海–气系统冬季重现的能力。北太平洋海温冬季重现的空间范围是海盆尺度的,中部重现时间比其周围晚。大气环流场的冬季重现主要是在北太平洋中部,它与海温冬季重现关系密切。大多数IPCC耦合模式基本上可以模拟出太平洋海温大范围的冬季重现现象。与重现范围的模拟相比,耦合模式对重现时间地理差异的模拟都比较差。各模式对大气环流冬季重现时空分布特征的模拟较差,大部分模式未能模拟出大气环流场中主要的重现区域。而且,大气环流冬季重现对海温重现的可能影响并没有体现在这些耦合模式中。耦合模式对北太平洋大气冬季重现的模拟还有待改善。     

基于DINEOF的风云极轨气象卫星海表温度重构方法研究

海表温度是表征海洋表层热力状况的重要海洋参数,日均全天候覆盖的海温观测数据可为服务台风监测及其他海洋灾害时空演变的精细化预报提供数据支撑。可见光红外扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪反演的海温产品具有较高的空间分辨率,但是红外遥感反演的海温产品受到云、雾和霾的影响,在云下存在大面积、无规律的缺值;微波辐射计反演的海温产品空间分辨率低,但可穿透云层,实现全天候海温观测。本文基于风云三号B、C、D三颗极轨气象卫星红外和微波遥感仪器反演的海温资料,利用经验正交函数插值法(DINEOF)重构得到全球海表温度产品。与全球分析场日平均海温OISST数据进行比较可知：原始海温资料的均方根误差为0.59~0.70℃,DINEOF重构后海温资料均方根误差降至0.10~0.34℃;相关系数从0.33~0.48提升到0.78~0.98。多传感器重构海温数据空间分布上连续可信,能够监测不同季节的海温变化特征及暖池空间模态。风云三号气象卫星微波遥感的加入显著提升了重构海温的空间连续覆盖率和时间分辨率。     

大气模式中季节内振荡特征对不同海温强迫场的响应

利用美国国家大气研究中心 (NCAR)的全球大气模式 (CCM3) ,分别以月平均和周平均海表温度 (SST)为强迫场进行 2个积分试验 (称为 CCMM和 CCMW试验 )。积分结果与观测资料的对比分析发现 ,CCM3模拟大气季节内振荡 (MJO)信号的强度均较观测资料偏弱 ,而其中以CCMW模拟的强度略大而较接近真实。表明 SST强迫场包含更真实的季节内变化信息对提高模拟 MJO强度有作用。 CCMM与 CCMW模拟 MJO活动的时间位相均与观测差别较大 ,直接原因在于 CCM3中降水季节内振荡与 SST变化的相关关系不正确 ,而更根本的问题在于大气模式无法反映资料分析发现的季节内时间尺度的 SST与大气的相互作用。     

阿拉伯海上层海温的双峰特征

利用全球海洋Argo网格数据集、SODA月平均海洋数据集和CCMP风场数据,通过EOF分析,揭示了阿拉伯海5、50、100、200 m层海温全年2次增温、2次降温的双峰变化特征.结果表明,5 m层温度变化双峰信号出现在第一模态,其方差贡献率为75.79%,该信号主要受风场、太阳辐射及风生环流影响;50 m层温度变化双峰信号出现在第三模态,其方差贡献率为11.95%,该信号主要受风生环流影响;100 m层温度变化双峰信号出现在第一模态和第三模态,其中第一模态方差贡献率为52.03%,第三模态方差贡献率为9.55%.由100 m层第一模态可知,100 m层温度变化幅度最大、变化范围最广,是由于100 m层处于海洋温度变化最为剧烈的温跃层中.100 m层海温变化主要受风应力旋度(方向:向上为正)影响,风应力旋度为负时,大气对海洋的强迫导致局地海水辐合,温跃层加深,100 m层部分海域温度升高;风应力旋度为正时,大气对海洋的抽吸导致局地海水辐散,海洋深处的冷水上升,100 m层部分海域温度降低.     

大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响

大气强迫的日变化可以减弱海表温度的水平梯度加强表层与次表层间的垂向混合,从而影响海温的模拟。本文基于区域海洋模式ROMS,利用NCEP/NCAR发布的6h1次的10m风速、短波辐射、海表气压等再分析资料,研究了大气强迫的日变化对东中国海温度模拟的影响。通过与观测资料比对发现,相比于日均大气强迫下的模拟,日变化大气强迫下的模拟与观测更为接近。大气强迫的日变化对东中国海的海-气热通量具有显著影响,能够使东中国海年均海气热通量增加1.4W/m~2,夏季增加13W/m~2,冬季减小10W/m~2。大气强迫的日变化通过海-气界面的热力和动力过程影响水温的垂直结构,加强东中国海的上层混合,使东中国海混合层厚度(MLD)增加约10%;夏季黄海冷水团的平均温度升高0.5℃,体积减少约1/3。     

CMIP5地球系统模式溶解氧模拟结果分析

本文基于常用的统计方法,通过与WOA09观测的海洋溶解氧浓度数据进行比较,定量地评估了9个CMIP5地球系统模式在历史排放试验中海洋溶解氧气候态特征的模拟能力。在海表,由于地球系统模式均能很好地模拟海表温度（SST）,模式模拟的海表溶解氧浓度分布与观测一致,模拟结果无论是全球平均浓度偏差还是均方根误差均接近0,空间相关系数与标准偏差接近1。在海洋中层以及深层这些重要水团所在的区域,各模式的模拟能力则差异较大,尤其在溶解氧低值区（OMZs）所在的500m到1000m,各模式均出现全球平均偏差、均方根误差的极大值以及空间相关系数的极小值。在海洋内部,模式偏差的原因比较复杂。经向翻转环流和颗粒有机碳通量均对模式的偏差有贡献。分析结果表明物理场偏差对溶解氧偏差的贡献较大。一些重要水团,比如北大西洋深水,南极底层水以及北太平洋中层水在极大程度上影响了溶解氧在这些海区的分布。需要指出的是,虽然在海洋内部各模式模拟的溶解氧浓度偏差较大,但是多模式平均结果却能表现出与观测较好的一致性。     

基于CMIP5资料的热带大洋非均匀增暖及其成因的分析

利用第五次耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project phase 5,简称CMIP5)中的月平均资料,基于合成分析、相关分析等现代气象统计方法,对热带太平洋、印度洋和大西洋年平均海温增暖不均匀特征及其成因进行分析。9个海洋模式集合的平均结果表明:在全球增暖背景下,3个热带大洋的海温增暖均表现出不均匀性,且增暖原因存在较大差异。热带太平洋赤道及其以北地区以海洋动力作用为主,赤道以南地区则以大气热力作用为主,而且海水上翻/下沉运动对海温增暖的作用在东、西太平洋之间存在明显差异;热带印度洋大面积海域的海温变化难以通过海气热通量交换来解释,海水上翻/下沉运动与温度平流对海温增暖的作用比较一致(二者同时利于海温增暖);热带大西洋赤道附近地区的海温增暖是表层温度平流和上翻/下沉运动共同作用的结果,赤道以北的大西洋海温变化则以温度平流的作用为主,而赤道以南的大西洋海温的变化主要是海水上翻/下沉作用引起的。     

西太平洋暖池研究综述

西太平洋暖池(Western Pacific warm pool)是全球海温最高的海域,汇聚了巨大的热能,在地球气候系统中具有非常重要的作用。本文综述了近30年来有关西太平洋暖池的研究进展,包括西太平洋暖池的维持机制、不同时间尺度下西太平洋暖池的变异特征和物理机制,以及西太平洋暖池的观测和数值模拟等领域的研究进展。西太平洋暖池的维持是现有地形下大气过程和海洋过程相互作用导致的,在季节内到世纪尺度均存在很强的变化。其中,季节内变化的驱动机制主要包括与大气季节内振荡(Madden-Julian oscillation)相关的对流和海表面热通量变化,以及海洋波动等海洋动力过程;季节变化主要是由太阳辐射的季节变化所导致的;在年际尺度上,西太平洋暖池作为厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的一部分,其振荡具有显著的年际变化;太平洋代际振荡(Pacific decadal oscillation,PDO)和大西洋代际振荡(Atlantic multi-decadal oscillation,AMO)驱动着西太平洋暖池的年代际变化;世纪尺度的变化显示全球变暖背景下西太平洋暖池存在扩张趋势。人类对西太平洋暖池的系统观测始于海洋观测卫星的使用,随后历经TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多个观测计划,极大地促进了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比对计划(Coupled Model Intercomparison Project 5),多数气候模式仍未能克服热带模拟偏差,对西太平洋暖池的模拟效果较差,表明在西太平洋暖池动力学的理解和模拟方面仍有较大的进步空间。     

风场对全球海洋CFC-11 吸收的影响

为了在中国科学院大气物理研究所的全球海洋模式(LASG/IAP Climate Ocean Model,LICOM)中研究不同的风场引起的海气传输速度对三氯一氟甲烷(CFC-11)在海洋中的分布和吸收产生的影响,同时选出更适用于LICOM模式模拟海洋对气体吸收的风场,本文做了4组对比实验,即传输速度为常数(实验-C)以及依赖3个不同风场(Esbensen and Kushnir观测风场(实验-EK)、National Centers for Environmental Prediction(NCEP)再分析风场(实验-NP)、QuikSCAT卫星风场(实验-QS))的实验。在对比分析中重点考察了CFC-11的海气通量、海表浓度、水柱总量、传输过程等。结果显示,不同风场带来的传输速度差异会造成模拟结果在局部海域存在显著差异,但在大部分海域的差异并不显著。而且随着积分时间的增加,从海气通量、存储量两方面可以看出,不同模拟结果之间的差异有着减小的趋势。如1955年1月北大西洋局部地区,不同的风场下的海气通量模拟结果间的差异达到20%左右,到了1995年1月这种差异下降到15%左右。此外,传输速度的选取依赖风场计算值的全球平均值(试验-C)会造成模拟结果相对偏小,而风速相对较大的QuikSCAT卫星风场资料在一定程度上使得模式模拟结果与观测资料更为接近。     

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。     

LICOM模式中不同混合方案的比较研究

在LICOM模式中,分别使用2种不同的海洋内部垂直混合方案,对气候平均态全球大洋环流进行了数值模拟试验。试验结果的分析比较表明,在添加F方案之后,对全球大洋,尤其是对中高纬度海域的中层水和深层水的温盐状态的模拟有显著的改进;对北冰洋中层水的核心温度及其所在深度的模拟有较大的改进。但是在本文中对于次表层水的模拟在添加F方案后结果欠佳。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度(SST)异常关系的季节性差异,得到如下结论:1)西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移; 2)西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋; 3)夏季异常反气旋环流(WNPAC)的维持主要来自非局地海温异常(北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常)的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

西太平洋暖池研究综述

西太平洋暖池（Western Pacific Warm Pool）是全球海温最高的海域,汇聚了巨大的热能,在地球气候系统中具有非常重要的作用。本文综述了近30年来有关西太平洋暖池的研究进展,包括西太平洋暖池的维持机制、在不同时间尺度西太平洋暖池的变异特征和物理机制,以及西太平洋暖池的观测和数值模拟等领域的研究进展。西太平洋暖池的维持是现有地形下大气过程和海洋过程相互作用导致的,在季节内到世纪尺度均存在很强的变化。其中：季节内变化的驱动机制主要包括与大气季节内振荡(Madden Julian Oscillation)相关的对流和海表面热通量变化,以及海洋波动等海洋动力过程;季节变化主要是太阳辐射的季节变化导致;在年际尺度上,西太平洋暖池作为El Ni?o-Southern Oscillation的一部分而振荡具有显著年际变化;太平洋代际振荡（Pacific Decadal Oscillation）和大西洋代际振荡（Atlantic Multi-decadal Oscillation）驱动着西太平洋暖池的年代际变化;世纪尺度的变化显示全球变暖背景下西太平洋暖池存在扩张趋势。人类对西太平洋暖池的系统观测始于海洋观测卫星的使用,随后历经WCRP/TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多个观测计划,极大促进了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比对计划（Coupled Model Intercomparison Project 5）,多数气候模式仍未能克服热带模拟偏差,对西太平洋暖池的模拟效果较差,表明在西太平洋暖池动力学的理解和模拟方面仍有较大进步空间。     

两种热通量边界条件对热带太平洋海温模拟的影响

利用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发展的气候海洋模式(LICOM),考察了两种热通量边界条件(牛顿冷却型边界条件和总体公式型边界条件)对热带太平洋海温平均态和年际变率模拟效果的影响.结果显示,在两种边界条件下,模式均能较好的再现海温的年平均空间分布特征和季节循环特征.对比分析发现,...