大气环流模式对ENSO时间尺度风应力距平的模拟

通过与观测作比较。评估低分辨率的大气环流模式模拟的风场,模式风场是使用观测海温场外强迫,从１９７９年到１９８８年共积分十年得到的,模式输出为月平均值。结果表明,模式能够相当真实地模拟出风距平场的演变,用风应力距平强迫简单模式,积分十年（１９７９－１９８８）,得到的海温距平场（月平均值）和观测海温距平场作比较,模式结果较真实地模拟了１９８２－１９８３年及１９８６／１９８７年暖事件的赤道地区海温距平场     

一个热带太平洋距平模式对风应力异常的响应

本文利用１９７０至１９８９年共２０年的逐月平均的太平着区的表面风应力和海表温度距平的分析资料,检验了以前设计的热带太平洋和热带大气距平模式的模拟性能,通过使用两组风应力异常场即观测场和热带大气模式对观测海温响应所得的模拟场,重点分析了热带太平洋距平模式对风应力异常的响应特征,结果表明,本文海洋距平模式完全有能力再现ＥＮＳＯ循环折际变化性及其水平结构,且赤道中太平洋区域的低频风应力异常对于ＥＮＳＯ事     

基于LASG/IAP大气环流谱模式的气候系统模式

文章扼要介绍了基于LASG/IAP大气环流谱模式(SAMIL)的气候系统模式的新版本FGOALS-s的发展和结构。出于发展一个在东亚季风模拟方面有一定优势的气候系统模式之目的,FGOALS-s的大气模式分量SAMIL采用了较高的水平分辨率R42,这相当于2.8125°(经度)×1.66°(纬度),高于三角截断T42的分辨率。对FGOALS-s在模拟大气、陆面、海洋和海冰的气候平均态,以及主要的年际变率信号方面的能力进行了检验。分析表明,FGOALS-s成功地控制了气候漂移趋势,能够较为真实地模拟大气、海洋和陆面的气候平均态,特别是受益于大气模式的较高分辨率,由中国西南向东北延伸的夏季风雨带的分布,在模式中得到较为真实的再现,表明该模式在东亚夏季风的模拟上具有较强能力。耦合模式能够成功再现El Ni~no事件的非规则周期变化,但是其年际变化的振幅较之观测要弱。赤道中西太平洋年际变率的强度较之赤道中东太平洋要强。在中高纬度,模式模拟的北大西洋涛动模态,在空间分布上与观测接近。FGOALS-s模式存在的主要问题,是模拟的热带海温偏冷、而中纬度海温则偏暖,原因是模式模拟的云量分布存在偏差,它直接影响到海表的净热通量收支。模式模拟的北大西洋高纬度地区的海温明显偏冷,令该地区的年平均海冰分布的范围明显偏大;然而受南极周边海温偏高影响,南极洲周围的海冰范围则偏少。FGOALS-s的未来工作重点,宜放在大气模式的云过程、海洋模式的经向能量输送过程、以及海洋与大气的淡水通量耦合方案的改进方面。     

全球海洋模式对不同强迫场的响应

使用中国科学院大气物理研究所研制的全球海洋环流模式(LASG/IAP Climate system Ocean Model,LICOM),通过设计三个试验,即以德国马克斯—普朗克气象研究所整理的海洋模式比较计划(OMIP)资料和美国国家海洋资料中心(NODC)发布的《世界海洋图集2009》(WOA09)资料为强迫场的试验W,用美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的NCEP/NCAR再分析资料(简称NCEP资料)中的风应力资料代替试验W中的风应力资料的试验M,以及用NCEP资料中的热力强迫代替试验M中的热力强迫资料的试验N,来研究不同的热力和动力强迫场对模式的影响。三个试验的模拟结果均模拟出了水团和流场的分布型和极值区。从三个试验的结果对比可以看出,NCEP资料较弱的风应力使得试验M环流场明显偏弱,减弱了大洋内部的温盐输送,加大了深海温盐模拟结果与观测资料的偏差,但对原模式过强的南极中层水的输送有所改善。NCEP的短波辐射通量和非短波热通量弱于OMIP,且在两极区域NCEP资料的海表温度比WOA09资料最多低 4℃以上。试验N的模拟结果改善了南大洋60°S以南海区试验W 模拟的海表温度偏高问题,减小了北冰洋部分海域以及副热带大洋东部海表温度的偏差。此外,试验N高纬度较低的海表温度增强了北大西洋深水以及南极底层水的输送,因而改善了深海的温盐模拟结果。三个试验在一些关键海区得到的经向热输送在观测估计及前人模拟结果的范围中,总体上试验M的输送最弱。综合三个试验的模拟结果,可以认为OMIP风应力资料和NCEP海表温度资料更适合作为LICOM模式的强迫场。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将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最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

海洋环流模式的发展和应用Ⅰ.全球海洋环流模式

概述近10年来中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室全球海洋环流模式的发展及其在全球海气耦合模式的发展和气候模拟方面的应用.重点是:一个30层、0.5°×0.5°的准全球海洋环流模式LICOM的建立及其模拟的热带太平洋海洋环流和印度尼西亚贯穿流;以20层海洋模式为海洋分量建立的全球海洋-大气-陆面系统耦合模式GOALS在气候变化模拟方面的应用,和以海洋模式L30T63为海洋分量建立的灵活的耦合环流模式FGCM-0在热带太平洋-印度洋海气相互作用及古海洋-古气候模拟方面的应用     

海洋对ENSO和其他时间尺度上风应力振荡的响应

利用带通滤波方法，将FSU风应力资料分离成ENSO时间尺度上的分量及其剩余部分，将这两部分分别作用于模式海洋（2层热带太平洋区域模式），研究海洋对不同时间尺度大气变化的响应。结果表明：尺管ENSO时间尺度上的风应力分量只占风应力扰动总方差的30％左右，它却能激发出全部异常风应力强迫海洋时所产生的El Nino/La Nina现象和十分相近的SSTA变化周期与振幅。而其余占总异常风应力方差60％以上的部分强迫海洋仅能产生振幅较小的海表温度异常，在非ENSO和ENSO时间尺度上的风应力强迫下，海洋中可产生相近振幅的Kelvin波，但SSTA振幅却存在显著差别，表明海洋对大气扰动信号的频率非常敏感，这里从理论上对该现象作了解释和说明。     

海洋环流模式模拟自然和核辐射14C的分布

放射性14C在海洋环流研究和人为CO2问题的研究中都有重要地位。本文用海洋环流模式模拟了海洋中自然14C的分布及海洋对核辐射产生的放射性14C的吸收, 以期对海洋吸收人为CO2的能力做一初步的研究。模拟的海洋环流结果与观测相比符合得较好,成功地模拟出了北大西洋深水（NADW）、南极底水 (AABW）等基本特征。对自然14C的模拟揭示出了海洋通风的基本特征。模拟出的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好。对核辐射14C的模拟表明:模式模拟的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好;模拟出的海洋表面核辐射浓度与观测值一致,但核辐射14C在海洋中的柱存量和平均穿透深度都比观测结果要小。文中分析了造成这种差异的可能原因。     

风应力对热带斜压海洋的强迫

利用一个线性的具有不同密度、温度的热带海洋两层模式,分析了热带西太平洋对纬圈风应力的响应.解析地求得热带西太平洋温跃层厚度、洋流及海温分布.结果表明次表层温度变化明显要比表层海温变化大,同时在大洋西部次表层发展起来的扰动向东传播能引起海温分布形态的异常.理论结果支持观测己表明的热带西太平洋物理量的变异在ElNino/La Nina事件中起着重要作用的事实.     

NUMERICAL EXPERIMENT ON THE SEASONAL VARIATION OF GLOBAL OCEAN AND THE EL NINO PROCESS——PART Ⅱ:NUMERICAL EXPERIMENT ON THE 1972—1973 EL NINO PROCESS

In Part Ⅰ,the climatological state of the ocean has been simulated by integrating a 6-layer,4°×5°grid global oceanmodel up to 100 years.In this part,the forcing in 1971—1973 is calculated by COADS,and using the integrated result ofthe 100th year as the initial state,we simulated the El Nino process in 1972—1973.The results are as follows:(1)We have reproduced the 1972—1973 El Nino process and its cooling process in the equatorial eastern Pacific.The simulated distribution of SST and the intensity of El Nino are similar to the observations.(2)The results show that there are two kinds of processes in El Nino formation:(i)the warming occurs in the equa-torial western Pacific,then propagates eastward to the central Pacific;(ii)the warm water forms near the coast of theSouth America and then,propagates westward along the equator.Observation indicates that the two processes were in-cluded in the El Nino in 1972.Our numerical experiment can simulate out both of them,although the first process isstronger than the second.In observation,the intensities of both processes are similar.(3)The El Nino process in 1972 can be simulated by running the model with the wind stress forcing,but its intensityis 1/2 the magnitude of observation.Only after adding the forcing of heat flux to run the model,its intensity can coin-cide with the observation.So the forcing effect of heat flux should not be ignored in the formation of El Nino,especiallyin the study of El Nino intensity.     

NUMERICAL EXPERIMENT ON THE SEASONAL VARIATION OF GLOBAL OCEAN AND THE EL NINO PROCESS——PART Ⅱ:NUMERICAL EXPERIMENT ON THE 1972-1973 EL NINO PROCESS*

In Part Ⅰ,the climatological state of the ocean has been simulated by integrating a 6-layer,4°×5°grid global ocean model up to 100 years.In this part,the forcing in 1971-1973 is calculated by COADS,and using the integrated result of the 100th year as the initial state,we simulated the El Nino process in 1972-1973.The results are as follows:(1)We have reproduced the 1972-1973 El Nino process and its cooling process in the equatorial eastern Pacific.The simulated distribution of SST and the intensity of El Nino are similar to the observations.(2)The results show that there are two kinds of processes in El Nino formation:(i)the warming occurs in the equatorial western Pacific,then propagates eastward to the central Pacific;(ii)the warm water forms near the coast of the South America and then,propagates westward along the equator.Observation indicates that the two processes were included in the El Nino in 1972.Our numerical experiment can simulate out both of them,although the first process is stronger than the second.In observation,the intensities of both processes are similar.(3)The El Nino process in 1972 can be simulated by running the model with the wind stress forcing,but its intensity is 1/2 the magnitude of observation.Only after adding the forcing of heat flux to run the model,its intensity can coincide with the observation.So the forcing effect of heat flux should not be ignored in the formation of El Nino,especially in the study of El Nino intensity.     

Meridional Wind Stress Anomalies over Tropical Pacific and the Onset of El Nino. Part Ⅰ: Data Analysis

对热带太平洋海表经向风应力异常与EI Nino事件之间的关系进行了诊断分析。结果表明,超前的经向风应力距平场与NINO3区(150°-90°W,5°S-5°N)的海面温度异常(SSTA)有显著的超前相关,这种相关性在超前6个月甚至更早一些就有显示。利用奇异值分解方法分析超前的经向风应力距平场与太平洋海表温度异常场之间的耦合模,结果表明对应于赤道中东太平洋的海面温度异常升高,大气风应力场在超前6个月甚至更早的时候,在赤道中东太平洋表现为辐合的经向异常风应力场,即赤道以北为北风异常应力,赤道以南为南风异常应力。这种耦合模的时间系数与NINO3 SSTA指数所表示的El Nino事件有很好的对应关系,表明这种耦合模反映的正是超前的经向风应力异常与El Nino事件所对应的海表温度异常之间的相关模态。通过与热带西太平洋纬向风应力异常的比较,赤道中东太平洋辐合的经向风应力异常与El Nino事件发生的同样具有重要的联系。     

IAP GCM模式大气背景环流在厄尔尼诺年的异常

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气环流模式(IAP GCM)模式大气5～9月平均环流(本文称为背景环流)。结果表明;厄尔尼诺年一系列重要系统(南方涛动、瓦克环流、哈德莱环流、西太平洋副热带高压和热带辐合带)及大范围降水均发生明显异常;北半球西太平洋热带、副热带是环流异常的主要区域。它们与观测资料的分析结果基本一致,从而论证了该模式在低纬环流研究中的应用前景。     

Meridional Wind Stress Anomalies over the Tropical Pacific and the Onset of El Ni?o Part Ⅱ: Dynamical Analysis

The data analyses in the first part of this study have shown that the sea surface temperature anomalies (SSTA) in the eastern equatorial Pacific are significantly correlated with the preceding anomalous convergence of the meridional wind stress near the equator. In order to understand the dynamical role of the convergent meridional wind stress anomalies in the El Nino occurring, an ideal wind stress which converges about the equator is set up based on the observations revealed in the first part. A simple dynamical model of tropical ocean is used to study the response of the tropical ocean to the convergent meridional wind stress. The results show that the convergent wind stress in the eastern equatorial Pacific is favorable for the occurrence of El Nino. When the convergent wind stress exerts on the tropical ocean, the westward propagating Rossby wave is excited, which, on the one hand, makes the mixed layer near the equator become thicker. On the other hand, the westward oceanic currents associated with the Rossby wave appear in the vicinity of the equator. The oceanic currents can drive the upper layer sea water to transfer to the west, which is favorable for the sea water to pile up in the western equatorial Pacific and to accumulate energy for the upcoming warm event.     

1994年北半球环流特征及其影响

１９９４年北半球主要环流特征表现为：５００ｈＰａ副高明显偏强西伸,盛夏位置异常偏北;欧亚地区盛行伟向环流,北半球极涡向极地收缩,强度偏弱;盛夏东亚中纬地区维持稳定的高压脊,西风带锋区位置偏北;夏季１００ｈＰａ南亚高压强度偏强、位置偏北、东伸明显;热带海洋出现明显异常,一次新的厄尔尼诺事件形成。北半球大气环流和热带海洋的异常对我国天气气候产生了明显影响。     

1998年大气环流异常及其对中国气候异常的影响

１９９８年受ＥＮＳＯ事件和青藏高原冬春季积雪多等因素的影响,北半球大气环流的主要特征是：５００ｈＰａ西太平洋副高强大,夏季副高脊线位置偏南;冬、夏季风均较弱;赤道辐合带偏弱,在西太平洋生成和登陆影响我 斩台风和热带风暴异常偏少;夏季亚洲中高纬度经向环流发展,其它季节则以纬向环流为主;环流异常是影响１９９８年中国气候极其异常的主要原因。     

NUMERICAL EXPERIMENT ON THE SEASONAL VARIATION OF GLOBAL OCEAN AND THE EL NINO PROCESS:PARTI:CONTROL EXPERIMENT ON THE SEASONAL VARIATION OF GLOBAL OCEAN

A 6-layer,4°×5° horizontal resolution global ocean model has been designed and improved.After a 100-year in-tegration,an equilibrium state has been reached from the upper to lower layers.By taking the mean state of last l0 mod-el years as climatic state,we analyzed the characteristics of the seasonal variation in our model integration.The resultsshow that the simulated seasonal variation is similar to the observed.So the design of our model is successful.Then,us-ing the simulated climatic state of the seasonal variation as the initial state,and the observed stress and thermal state asthe atmospheric forcing,we simulated the process of El Nino in 1972—1973 successfully.The simulated results of sea-sonal variation using our model will be presented in part I.