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。     

北太平洋西部海洋环流与大气环流的对应关系

本文从三方面探讨海洋环流与大气环流之间的对应关系。 1.海洋对于大气的热效应:通过北太平洋西部黑潮区水温分布及海洋与大气的热交换量,说明海洋可以影响到的大气高度;通过水温梯度分布找出其与1000—500mb厚度梯度分布的对应关系。 2.大气环流对于海洋环流的影响:根据黑潮轴线的季节变化,找出其与500mb西风急流和付热带高压轴线的活动是一致的协调的。黑潮强度与大气环流的对应关系并不明显。 3.西北太平洋海洋环流与天气系统:黑潮和亲潮邻接海区水温梯度最大,因而其上正是大气锋区所在,气旋最大频率区和海霧最大频率区均与海洋环流的活动息息相关。 从海洋环流与大气环流的对应关系中,指出海洋影响大气在温湿效应上,大气影响海洋在运动方面。但大气温湿属性改变了,必然引起空气运动。而海水运动产生了,也要引起温盐度的再分布。因而总的说来,海洋影响大气的直接作用为温湿效应,间接作用为空气运动。大气影响海洋的直接作用为海水运动,间接作用为温盐效应。     

基于MOM4模式的太平洋区域环流模式的模拟评估与分析

本文初步评估基于MOM4海洋环流模式建立的较高分辨率(0.25(°)×0.25(°))太平洋区域环流模式的模拟能力。研究表明,模式较好的再现了气候态的海表面温度、盐度、流、海表高度、等密面位涡模态、混合层深度等水平分布场;同时也较为准确地模拟了黑潮流轴的流量,温盐流结构等。相对于低分辨率模式,具有高分辨率的模式能有效地控制黑潮的流幅,以及黑潮离岸的位置,并且对模态水的模拟也比较清晰。     

边界条件对北太平洋海盆尺度环流模式的影响

采用Stevens开边界条件,将一个闭边界海盆尺度环流模式改造成开边界模式,对20°S以北太平洋大尺度环流进行了系统模拟。考察了开边界和不同等密面扩散系数对北太平洋环流和温盐结构的影响。模式较好地再现了太平洋大尺度环流特征,模拟出了表层赤道流系(包括北赤道流、黑潮和北太平流)以及对应的顺时针环流,同时还较好地反映了温盐场的基本分布特征。从年平均的纬向平均温度和盐度的断面分布可以看出,温跃层深度呈“W”型分布,在亚极地海区有一个梯度比较大的盐度锋区。南边界打开后使得模拟的北太平洋中层水温度和盐度更低,低盐水舌加深和向南延伸加强,更加接近观测值。增加沿等密面扩散系数后得到的中层水强度更大,尤其是34.6等盐线更接近观测资料。质量输运流函数分布表明,赤道两边各有一个翻转区,亚极地地区也存在一个浅的翻转区,打开南边界可以消除因为闭边界存在产生的假的下沉流,这些都为将来进行示踪物模拟打下基础。     

北太平洋局地海洋-大气相互作用的主模态

本文分析美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3-ML耦合模式100 a积分模拟结果,依据对该模式结果中SSTA与海面风异常的最大协方差分析,证实的确存在北太平洋局地大气影响海洋和海洋"反馈"大气的主模态;指出通过局地海洋-大气的相互作用,冬季马蹄型海温异常可以持续到夏季,冬季大气对马蹄形暖海温异常可能的响应为高压异常,春夏季对马蹄形暖海温异常可能的响应为低压异常。     

CMIP5气候模式对北半球夏季阻塞的评估

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析资料,评估了耦合模式比较计划第五阶段(The fifth Phase of the Coupled Model Intercomparison Project,简称CMIP5)17个气候模式对于20世纪北半球夏季气候态阻塞频数和振幅的模拟能力,从线性趋势和年际变化2方面评估了欧亚3个关键区(欧洲区、乌拉尔山区和鄂霍次克海区)夏季阻塞频数的模拟能力。结果表明:(1)尽管模式对北半球夏季阻塞频数和振幅的模拟结果存在偏差,但大部分模式可以很好模拟出气候态特征,模式对频数的模拟结果略优于振幅;无论频数或者振幅,CanESM2均为17个气候模式中模拟效果最好的,CMCC-CESM和MIROC-ESM为模拟效果最差的,多模式集成的结果优于大部分单一模式。(2)大多数模式可以较好的模拟出欧亚3个关键区夏季平均阻塞频数和标准差,但对阻塞频数线性趋势和年际变化特征的模拟能力有限。     

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...     

东太平洋赤道海温对大气环流的影响

东太平洋赤道冷水区海温(0°—10°S,180°W—90°W57纲格历年逐月海温距平和,本文用SST表示),是三大洋中海温变化最大的海区。研究表明,SST变化对世界及我国天气、农业和海洋渔业等均有显著的影响。因此,近年来SST对大气环流影响的研究颇受重视。本文在前人研究的基础上,进一步分析了1950—1980年间,SST对     

北太平洋热通量场的时空变化特征及其与大气环流的关系

利用ＣＯＡＤＳ资料，首先计算了１９４９－１９７９年逐月北太平洋洋面的潜热通量与感热通量之和，并进行ＥＯＦ分解，然后分析它们的时空变化特征。结果表明：１、在北太平洋，季平均热通值的季节变化具有两种形式，而且主要决定于风速值的季节变化，尤以东亚季风的效应为最明显。２、暖池区全年平均的多年月平均热通量及其标准差都居北太平洋诸洋流区之首。３、北太平洋异常热通量场具有最重要的两种类型。１月异常热通量主要类型     

北太平洋中纬海区海-气热量交换对其上空大气环流的影响

本文计算并分析了北太平洋中纬海区海-气热量交换的特征,发现中纬黑潮海区的海-气热量交换与北太平洋上空长波的发展有着密切联系。研究结果表明:在中纬海洋,冬半年北方冷空气的强弱对海-气热量交换有着重要的贡献。本文以海-气热量交换值作为基本因子来讨论中纬海洋对大气的影响,比单用水温或气温更为合理,并给出了中纬海洋海-气相互作用的一个简单的不可逆模式:冷空气强(弱)→海→气热量交换值大(小)→经向(纬向)环流发展→冷空气强(弱)→……。这过程一般在晚秋开始,到夏半年环流调整为止。     

1983年西北太平洋的台风大气环流与海温

1983年度春夏两季西太平洋低纬地区海面温度持续低于常年,而东太平洋则高于常年。沃克环流削弱。太平洋副热带高压大而强,位置偏南,脊点偏西。南半球冷空气活动比常年少而弱。菲律宾以东的西南季风弱,偏东信风盛行。本年度首次台风出现的季节晚,全年台风少、弱,生命期也短。登陆我国的台风偏少,登陆点偏南。     

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。     

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。     

冬季北太平洋NPGO模态和NPO模态的耦合特征分析

利用EOF分解和SVD分解方法,揭示了冬季北太平洋的海平面气压和海表面温度的主要模态,并利用统计方法对第二耦合模态的耦合特征进行了解释。结果表明,SLPA和SSTA的第二模态为NPO模态和NPGO模态,第二耦合模态的空间结构反映了中纬度北太平洋中西部是两者相互作用的关键区域;时间变化趋势表明北太平洋大气和海洋的第二耦合模态正在由高频变化转换为低频变化,且SLPA上表现出的气候迁移要早于SSTA;NPGO模态与海表西风EOF分解的第二模态密切相关,这反映了NPO模态通过海表面西风异常影响着NPGO模态的结构。     

利用综合评分方法评估CMIP5模式对北极海冰的模拟能力

北极海冰冰盖自20世纪以来经历了前所未有的缩减,这使得北极海冰异常对大气环流的反馈作用日益显现。尽管目前的气候模式模拟北极海冰均为减少的趋势,但各模式间仍然存在较大的分散性。为了评估模式对于北极海冰变化及其气候效应的模拟能力,我们将海冰线性趋势和年际异常两者结合起来构造了一种合理的衡量指标。我们还强调巴伦支与卡拉海的重要性,因为前人研究证明此区域海冰异常是近年来影响大尺度大气环流变异的关键因子。根据我们设定的标准,CMIP5模式对海冰的模拟可被归为三种类型。这三组多模式集合平均之间存在巨大的差异,验证了这种分组方法的合理性。此外,我们还进一步探讨了造成模式海冰模拟能力差别的潜在物理因子。结果表明模式所采用的臭氧资料集对海冰模拟能力有显著的影响。     

赤道东太平洋水温对低纬大气环流的影响

本文利用1951年1月到1980年12月赤道东太平洋0°-10°S,180°-90°W海温(SST^*)与北半球500毫巴月平均图。研究了SST^*本身变化的规律,及其与低纬大气环流,特别与副热带高压的关系。结果表明,SST^*的异常与季节有密切关系,下半年年际变化大,而且容易出现高温,这与爱尔·尼诺现象经常出现在年末有关。SST^*异常的发展过程一般约一年左右,自3月左右开始到翌年3月左右结束。SST^*偏低时反爱尔·尼诺现象的变化过程与之相似。SST^*与低纬(10°-25°N)500毫巴高度(HL)有密切关系,但有一定时滞,HL落后于SST^*3个月时相关最大(0.55)。西太平洋副高强度、面积、西伸脊点、北界、脊线等对SST^*有4-8个月落后相关。这种现象可能与赤道洋流自东向西的运动有关。     

CMIP5模式对青藏高原中东部夏季降水双极型模拟能力的评估

青藏高原中东部夏季降水主要表现为东北和东南反位相变化的双极型特征。采用经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分解方法,系统性地评估参与第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5)历史模拟试验的47个模式对青藏高原中东部夏季降水双极型变化特征的模拟能力。结果表明,大多数模式基本可以反映青藏高原中东部夏季降水东北部和东南部反位相的变化特征。模式间EOF分析结果表明在35°N以南的东西向模拟偏差是CMIP5模式模拟降水空间型态的主要偏差,且大多数模式对时间系数的模拟效果差于空间型态。文中定义了一个综合评估指标S_new来定量描述模式对空间型态、时间系数以及方差贡献的综合模拟效果。由定量评估结果来看,MIROC-ESM、HadGEM2-CC和ACCESS1-0(FIO-ESM、HadGEM2-AO和MIROC-ESM-CHEM)模式对观测降水的EOF1(EOF2)模态的综合模拟能力相对较好,而GISS系列模式、CESM1-CAM5和MPI-ES...     

基于CMIP5模式与Argo观测数据的海洋有效重力势能分析

有效重力势能作为重力势能中活跃的部分,能够参与海洋能量循环。本文计算和评估了CMIP5中9个模式的全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能和200～500 m深度范围内的中尺度有效重力势能,并与由BOA_Argo观测数据计算的结果进行比较。分析表明,就全球大洋2 000 m以上积分的有效重力势能而言,多数模式的计算结果均大于由Argo观测数据计算的结果。通过比较有效重力势能的空间分布特征,发现在强动力活跃区（特别是黑潮、湾流、南极绕极流区）,模式与观测相差较大,其差别主要来源于观测与模式中扰动密度的差异。此外,在黑潮和南大洋区域,涡动能和有效重力势能具有较高的时间相关性,而在北大西洋湾流区域,两者的相关性较低;功率谱分析显示中尺度有效重力势能与涡动能都存在显著的半年和年变化周期。