基于CMIP6模式的热带太平洋海表温度增暖初步评估

热带太平洋是影响全球气候系统的重要区域,热带太平洋海表温度(SST)的长期变化趋势模拟是国际研究领域关注的热点.基于12个参加第六期国际耦合模式比较计划(CMIP6)的模式结果,本研究对1950年至1999年间多模式模拟得到的热带太平洋SST增暖现象进行了初步评估.结果表明,不同模式对热带太平洋SST增暖的模拟能力差别...     

CMIP5气候模式模拟的北极海冰特征及其季节变化

This paper is focused on the seasonality change of Arctic sea ice extent(SIE) from 1979 to 2100 using newly available simulations from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5).A new approach to compare the simulation metric of Arctic SIE between observation and 31 CMIP5 models was established.The approach is based on four factors including the climatological average,linear trend of SIE,span of melting season and annual range of SIE.It is more objective and can be popularized to other comparison of models.Six good models(GFDL-CM3,CESM1-BGC,MPI-ESM-LR,ACCESS-1.0,Had GEM2-CC,and Had GEM2-AO in turn) are found which meet the criterion closely based on above approach.Based on ensemble mean of the six models,we found that the Arctic sea ice will continue declining in each season and firstly drop below 1 million km~2(defined as the ice-free state) in September 2065 under RCP4.5 scenario and in September 2053 under RCP8.5 scenario.We also study the seasonal cycle of the Arctic SIE and find out the duration of Arctic summer(melting season) will increase by about 100 days under RCP4.5 scenario and about 200 days under RCP8.5 scenario relative to current circumstance by the end of the 21 st century.Asymmetry of the Arctic SIE seasonal cycle with later freezing in fall and early melting in spring,would be more apparent in the future when the Arctic climate approaches to "tipping point",or when the ice-free Arctic Ocean appears.Annual range of SIE(seasonal melting ice extent) will increase almost linearly in the near future 30–40 years before the Arctic appears ice-free ocean,indicating the more ice melting in summer,the more ice freezing in winter,which may cause more extreme weather events in both winter and summer in the future years.     

赤道东太平洋温度锋附近的混沌输运与混合

运用 Mc Creary和 Yu(1992 )的非线性 2 12 层模式的积分流场 ,研究了混沌混合与输运对海水及要素浓度的输运和混合问题。模式结果显示混沌混合区主要分布于赤道东太平洋不稳定区及东、西边界附近 ,中西太平洋的大部分区域为非混沌区。释放在混沌区内的示踪团随时间的弥散过程要较非混沌区内的示踪团复杂的多。因多模态不稳定波动的共同作用 ,尤其是在赤道上经向运动最强的 Yanai波的加入 ,使得赤道不稳定区的流体以混沌混合的方式均匀地弥散开 ,趋向于粗粒 (coarse- grained)意义下的均匀化。并有大量释放于赤道东太平洋不稳定区的示踪质点越过赤道进入对面半球。背景辐散流的加入能将部分示踪点输送出混合区使其不加入均匀化过程 ,故最后混入另一半球的质点数少于半数。过赤道交换速率则主要由混沌混合的强度有关。     

HYCOM模式对赤道及北太平洋海表温度的模拟

根据2种海气通量数据集(COADS、ECMWF)和2种海气通量块体参数化方案(常数块体参数化方案和非常数块体参数化方案)的不同结合,构成4组数值实验,使用HYCOM数值模式分别模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度。实验结果表明:(1)非常数块体参数化方案优于常数块体参数化方案;在太平洋40°N～20°S区域内,采用前者得到的年平均海表温度比Pathfinder卫星资料高约0.21℃,而采用后者得到的年平均海表温度比Path-finder卫星资料高约0.63℃。(2)HYCOM数值模式很好地模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变化及西太平洋暖池空间分布的月变化。特别是实验2(采用COADS数据集和非常数块体参数化方案),在太平洋40°N～20°S区域内,冬、春两季平均SST仅比Pathfinder卫星数据集高0.02℃。(3)不同海气通量数据会对模拟结果产生明显影响。对比采用COADS数据集的实验2结果与采用ECMWF数据集的实验4结果可以发现,在模拟区域的西北部,实验2比实验4的年平均SST高约1℃;在模拟区域的东南部,实验4比实验2的年平均SST高约1℃。两者差的最大值出现在58°N、140°E附近及中国渤海,实验2比实验4的年平均SST高约4℃。     

HYCOM模式对赤道及北太平洋海表温度的模拟

本文使用HYCOM数值模式,根据两种海气通量数据集(COADS、ECMWF)和两种海气通量块体参数化方案(常数块体参数化方案和非常数块体参数化方案)的不同结合,构成4组数值实验,分别模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度.实验结果表明:1)在本文的实验中,非常数块体参数化方案优于常数块体参数化方案;在太平洋40°N-20°S区域内,采用前者得到的年平均海表温度比Pathfinder卫星资料高约0.21 °C,而采用后者得到的年平均海表温度比Pathfinder卫星资料高约0.63 °C.2)HYCOM数值模式很好的模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变化及西太平洋暖池空间分布的月变化.特别是实验2(采用COADS数据集和非常数块体参数化方案),在太平洋40°N - 20°S区域内,冬春两季平均SST仅比Pathfinder卫星数据集高0.02 °C.3)不同的海气通量数据会对模式结果产生明显的影响.对比采用COADS数据集的实验2结果与采用ECMWF数据集的实验4结果可以发现,在模拟区域的西北部,实验2比实验4的年平均SST高约1 °C;在模拟区域的东南部,实验4比实验2的年平均SST高约1 °C.两者差的最大值出现在58°N、140°E附近及中国渤海,约为4 °C(实验2比实验4的年平均SST高约4 °C).     

FIO-ESM气候模式北太平洋海表温度和降水的季节性预报技巧评估

The seasonal prediction of sea surface temperature(SST) and precipitation in the North Pacific based on the hindcast results of The First Institute of Oceanography Earth System Model(FIO-ESM) is assessed in this study.The Ensemble Adjusted Kalman Filter assimilation scheme is used to generate initial conditions, which are shown to be reliable by comparison with the observations. Based on this comparison, we analyze the FIO-ESM 6-month hindcast results starting from each month of 1993–2013. The model exhibits high SST prediction skills over most of the North Pacific for two seasons in advance. Furthermore, it remains skillful at long lead times for midlatitudes. The reliable prediction of SST can transfer fairly well to precipitation prediction via air-sea interactions.The average skill of the North Pacific variability(NPV) index from 1 to 6 months lead is as high as 0.72(0.55) when El Ni?o-Southern Oscillation and NPV are in phase(out of phase) at initial conditions. The prediction skill of the NPV index of FIO-ESM is improved by 11.6%(23.6%) over the Climate Forecast System, Version 2. For seasonal dependence, the skill of FIO-ESM is higher than the skill of persistence prediction in the later period of prediction.     

基于IPCC-CMIP5 预估21世纪中国近海海表温度变化

观测事实表明,近百年来全球气候经历了显著的变暖过程,并且在人类活动排放的CO_2等温室气体不断增加的前提下,未来变暖将会持续下去.利用IPCC第五次评估报告中34个CMIP5模式对于未来不同CO_2排放情景下的输出结果,评估了未来百年中国近海海表温度(SST)的变化趋势.结果表明,基于当前人类的CO_2典型排放速度(RCP4.5),中国近海的大部分海区在2030年以后普遍升温并将接近或超过1℃(相对于1970~2005年的历史海温).其中,中高纬度海区的升温速率最为明显,黄海、渤海和东海的增温幅度明显高于南海,在2030~2039、2060~2069年和2090~2099年间的升温将会分别超过1、2℃和3℃左右.在CO_2加倍排放的情景下(RCP8.5),渤海在21世纪末最大升温可能接近5℃,从而成为全球升温幅度最大的区域之一.由此可见,未来气候变暖背景下中国近海的环境生态将面临严重挑战,这也使得控制减少温室气体的排放、降低气候变化的风险成为当前的紧迫议题.     

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。     

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。     

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）,以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度（SST）季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常（SSTA）进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在（45°N,150°E）附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°~45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。     

南北半球副热带高压对赤道东太平洋海温变化的响应

本文利用1974年1月到1996年12月重分析(NOAANCEP-NCARCDAS-1)全球500hPa位势高度场资料,及同期赤道太平洋各海区SST资料,研究了南北半球副热带高压的变化特征及其对赤道东太平洋SST变化的响应。结果表明,全球副热带高压的变化及对SST的响应,在南北两个半球有很好的一致性。全球副热带高压强度的变化与超前3个月SST的正相关最为显着。对SST响应最强烈的区域主要在南北纬30°之间的低纬,低纬地区局地SST对副热带高压也有强烈的影响。从10°到30°纬度,对SST的响应分别落后于赤道2～9个月。在中、高纬大气环流的响应表现为波列特征,对暖SST及冷SST的响应波列基本相反,但对暖SST的响应更为显着。海温和副热带高压的月际持续性有明显的季节变化,副热带高压9-10月的相关障碍可能与NinoC区SST8-9月的相关障碍低点有关。     

Response of global subtropical highs to the equatorial eastern Pacific SST anomaly

INTRODUCTIONDuring the 1960s, Bjerknes (1966, 1969) first noted that there had been strong relationshipbetween the tropical Pacific SST and atmospheric circulation. SST anomaly could affect tropicalatmospheric circulation by the Walker Circulation, and affect extratropical atmospheric circulationby the Hadley Circulation. When there was a "warm" event in the eastern tropical Pacific, ascending and sinking branch of the Hadley Circulation would strengthen, subtropical highs (SHs)and …     

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。     

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。     

西风爆发在CMIP5 中的模拟评价

赤道西风爆发现象(西风爆发)是指赤道表面西风突然增大的现象,已有研究表明赤道太平洋西风爆发与ENSO (El Niño-Southern Oscillation) 有密切的关系。本文就西风爆发现象在CMIP5中的模拟情况进行了相关评价,并将其与观测结果进行对比;同时对西风爆发与ENSO的关系、西风爆发与MJO的关系进行了细致的分析与评价。研究结果表明,模式可以很好地再现西风爆发随厄尔尼诺事件发生而向东移动的现象,这主要是由于赤道太平洋西风爆发与赤道太平洋海表温度有很好的对应关系。在大部分模式中,西风爆发领先于厄尔尼诺的发生,并对厄尔尼诺的发展有着相应的影响。与前人的研究结果不同,利用蒙特卡洛验证法证明MJO不能显著地增加西风爆发发生的概率,这一点也在大部分CMIP5模式中有所体现。     

CMIP5气候模式下淡水通量变化

基于全球降水气候态计划(GPCP)的降水资料和美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的客观分析海气通量(OAFlux)的蒸发数据,对CMIP5的13个耦合模式的淡水通量历史模拟结果进行评估。结果表明:模式能够模拟出淡水通量的气候态空间分布,但普遍存在双热带辐合带(ITCZ)现象,热带海域是模式模拟不确定性最大的区域。模式能较好模拟出纬向平均的淡水通量的分布特征,但量值较实测偏小,且由于模式对1月10°S附近淡水通量的模拟过低,导致年平均的赤道和10°S之间的淡水通量模拟存在明显的偏差。季节尺度上,模式对北半球淡水通量的变化特征有很好的模拟能力,但对南半球的模拟能力不足。年际尺度上,模式普遍能够刻画ENSO引起的淡水通量在太平洋中部同西太平洋以及印尼贯通流反相变化的空间分布特征,但是时间特征模拟很差。从各个方面评估模式的历史模拟结果,多模式集合的结果都要优于单个模式的结果。全球变暖背景下,未来淡水通量变化最显著的区域位于热带和亚热带区域。原本蒸发(降水)占主导的海域,蒸发(降水)更强。不同气候情景下,淡水通量变化的空间形态没有显著变化,但RCP8.5气候情景下模拟的淡水通量变化幅度及模式间变化的一致性均强于RCP4.5的结果。