FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡及东亚季风的联系

众多研究表明,太平洋年代际振荡(PDO)与东亚季风以及我国气候的年代际异常存在显著影响,然而其影响途径及机制仍不明确.本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡(PDO)、南北半球际大气质量振荡(IHO)以及东亚季风的变化特征,据此建立了三者之间的关系,并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季年代际气候异常的影响,所得主要结果包括:(1)PDO与IHO以及东亚季风强度具有明显的年代际波动特征,三者之间存在较好联系,其中它们在70年代和90年代后期处于负位相,而在80年代至90年代中期均处于正位相期.PDO和IHO对全球大范围的低层气温异常,以及大气质量迁移尤其是东半球30°S—50°N区域的质量变化具有显著并且空间一致的影响;(2)当PDO为正位相时,整层大气质量年代际异常呈偶极型的自东半球向西半球太平洋区域输出,造成了南北半球际以及海陆间大气质量迁移,同时引起Walker环流的上升和下沉支位置变化,以及越赤道大气质量流的向北异常输送,并由此建立起东亚季风与PDO和IHO之间的联系;(3)PDO年代际异常与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系.当PDO指数增强时,冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场异常,并在我国东部形成异常北风,从而显著影响东亚冬夏季风强度变化.与之对应,PDO指数与我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量保持显著的同期相关.     

年代际预测和耦合资料同化研究综述

年代际预测是近年来气候变化研究的一个迅速发展的新兴热点领域,其首要步骤是进行初始化,目的是为年代际预测提供包含观测变率信息的初值.发展效果好且省时的初始化方法是年代际预测的重大挑战之一,目前国际上主流的初始化方法是耦合资料同化,即在耦合模式框架下进行同化.在年代际预测时,由于模式偏差和初始化方法性能的限制会产生初始冲击问题.目前国际上的各模式机构普遍对北大西洋、热带东西太平洋和印度洋海表温度的年代际预测水平高,而对全球平均近地面气温和北太平洋海表温度的年代际预测水平相对较差.本文主要从初始化方法和年代际预测这两方面的研究现状进行全面回顾,指出存在的问题并讨论未来的发展趋势和挑战.

     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

交互集合耦合模式系统对北太平洋SST变率和ENSO的模拟检验

清华大学地球系统科学研究中心在一个标准耦合模式（SC）的基础上建立了交互集合耦合模式系统（IE）,该系统可以实现多个不同大气模式或者同一大气模式采取不同初值组成的多个分量集合之后与海、陆、冰模式进行耦合.本文利用同一大气模式七个不同初值分量与其它模式分量开展在线集合耦合试验,利用积分稳定之后100年的试验结果,分析了IE在减小海-气界面大气噪音的情况下,对北太平洋海表面温度（SST）变率和ENSO的模拟,并与SC模拟结果进行了对比.分析表明,IE减小了北太平洋中高纬度SST方差的85%以上,表明该区域SST变率主要受大气的影响,且主要是通过改变海表湍流热通量实现的.黑潮延伸体区和北太平洋中部副热带涡旋区域平均SST 8年左右的低频周期主要受来自大气内部动力过程的驱动.在集合耦合模拟中,无论是副热带涡旋区SST与ENSO的联系,还是ENSO与北太平洋中高纬度SST的联系都能模拟出来,而标准模式未能模拟出这些现象,意味着大气噪音过强将掩盖ENSO与太平洋热带外SST的联系.IE对与ENSO关联的“太平洋—北美”（PNA）遥相关型的合理模拟,并通过湍流热通量对海表温度的影响,是其能够更好模拟ENSO与北太平洋中高纬度SST关系的重要原因.本文通过分析验证了所建立的交互集合耦合模式系统的合理性,揭示了该系统在海-气相互作用研究领域方面具有一定应用前景.     

中国降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性

利用中国740站45年降水资料按5种分辨率分气候区计算了降水年际和年代际变率. 降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性分析表明,中国各气候区降水年际变率对空间尺度的敏感性都随空间尺度的增加而逐渐减小,且存在明显的季节变化,而年代际变率对空间尺度的敏感性却随空间尺度的增加而增大,但不存在季节变化;由于中国各气候区降水的特殊性,各气候区降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感程度存在不可忽视的差异.在年际和年代际尺度上,西南地区降水变率对空间尺度都是最敏感的,因而该区域降水年际和年代际变率信号的检测最困难.而华南地区在年际尺度上比较敏感,年代际尺度却不敏感,但华南地区在年际和年代际尺度上区域内降水分布的非均匀程度对空间尺度的敏感性都最大.     

淮河流域夏季降水与前冬北太平洋涛动联系的年代际变化

利用我国160站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前冬北太平洋涛动（NPO）在20世纪70年代中期发生年代际突变前后与淮河流域夏季降水的联系.研究发现两者之间的对应关系具有明显的年代际变化.20世纪70年代中期以前,前冬NPO与淮河流域夏季降水为显著的负相关,之后这种关系明显减弱.本文进一步探讨了20世纪70年代中期突变前后与前冬NPO异常相联系的大气环流场的变化.结果表明,在年代际突变前,当前冬NPO偏强（弱）时,夏季西太平洋对流层低层为异常气旋（反气旋）型环流控制,淮河流域上空大气异常下沉（上升）,同时向淮河流域的水汽输送减弱（加强）,这些条件不（有）利于淮河流域降水的发生,淮河流域夏季降水因而偏少（多）.在年代际突变后,前冬NPO异常对后期夏季与淮河流域降水相关联的大气环流系统的影响变得不明显,从而减弱前冬NPO与夏季淮河流域降水的联系.     

热带太平洋年际尺度和热带不稳定波引起的叶绿素变率对ENSO调制的互补效应

在热带太平洋,观测数据表明海表叶绿素(Chl)表现出年际尺度变率和由热带不稳定波(TIW)引发的中小尺度扰动这两者的共存现象;两者通过海洋生物引发的加热(OBH)反馈对ENSO造成的联合影响尚未得到充分的表征和理解.本文利用一个混合型大气-海洋物理-生物地球化学耦合模式(HCM AOPB)来量化年际和TIW尺度上Chl扰动对ENSO的单独以及联合调制影响. HCM敏感性试验结果证实了两者对ENSO振幅存在相反的作用,其中大尺度Chl年际变率造成的海洋生物-气候反馈效应通过其对上层海洋层结和垂向混合的影响来减弱ENSO,而TIW尺度的Chl扰动则倾向于增强ENSO.气候模式中ENSO的模拟敏感地依赖于对不同尺度上Chl效应的表征方式,因此有必要在气候模式模拟中充分地考虑不同尺度上Chl引发的气候效应.本文揭示了热带太平洋Chl效应是气候模式中ENSO模拟的一个偏差源,可为不同尺度上热带太平洋气候系统与海洋生态系统间相互作用提供新的见解.这些结果也揭示了ENSO调制的复杂性:即热带太平洋海洋生物地球化学过程相关的年际和TIW尺度上的Chl扰动与物理过程间的相互作用可对ENSO产生协同效应.     

北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数关系的年代际变化

基于观测资料分析,研究了夏季北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数之间的关系,发现两者的联系呈现由弱转强的年代际变化特征.1948~1977年,北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系较弱;但1980~2009年,两者转为显著的正相关,北大西洋涛动偏强(弱)对应西北太平洋热带气旋数偏多(少).本文进一步从大气环流变化角度,探讨了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系在前后两个时段出现不同的可能原因.结果表明,在后一时段,当北大西洋涛动偏强时,西北太平洋低层为异常气旋型环流,季风槽加强,西太平洋副热带高压偏东,西北太平洋地区高层大气异常辐散,低层大气异常辐合,这些条件均有利于热带气旋的生成和发展,西北太平洋热带气旋因此偏多.然而,在前一时段,北大西洋涛动对上述环流系统的影响不明显,因而减弱了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系.研究进一步揭示,与北大西洋涛动异常相关联的波活动通量的变化可以解释北大西洋涛动与西北太平热带气旋频数联系的这种年代际变化.     

20世纪温度变化中自然变率和人为因素的影响:基于耦合气候模式的归因模拟

本文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对近百年气温变化的模拟,讨论了自然变率和人为因素对20世纪全球变暖的相对贡献.数值试验结果表明,在自然和人为因子的共同强迫作用下,耦合模式能够合理再现20世纪全球平均气温随时间的演变;仅在自然因子作用下,模式不能再现1970年以后的全球变暖.自然因素对20世纪第一次变暖的作用是显著的,但温室气体是20世纪后期变暖的主要原因.在这一定性结论基础上,进一步对近百年变化中自然和人为因素的相对贡献做定量的归因分析,结果表明,除赤道中东太平洋和北大西洋外,人为因素对近百年的增暖起决定性作用.对全球、半球及大陆尺度而言,外强迫可以解释平均气温变化的70%以上,而内部变率贡献较小;但对于区域尺度而言,多数地区内部变率的贡献大于外强迫,区域尺度气温变化的机制较全球、半球尺度要复杂.对中国地区而言,20世纪早期的气温变化受自然变率影响,但20世纪后期的变暖主要是温室气体增加的结果.中国东部气温变化的空间分布表明,自然因素对近50年及近百年中国地区的变暖趋势贡献较小.在自然和人为因子共同作用下,模式能够再现近50年中国东部气温变化冬春两季增暖的特征、但没有模拟出夏季长江中下游地区及淮河流域的降温趋势;自然因子试验的结果表明,太阳活动对该区域的变冷有贡献,但模式无法再现该地区气温的季节变化特征.     

BCC_CSM1.1(m)模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的模拟

亚洲-太平洋涛动是北半球夏季亚洲大陆和北太平洋副热带地区对流层中高层扰动温度场上大尺度的东西反相的遥相关现象,其异常变化与亚洲-太平洋地区夏季风气候有着密切的联系.基于欧洲中心的ERA-40再分析资料和国家气候中心BCC_CSM1.1（m）气候系统模式多年的数值模拟结果,本文主要评估了BCC_CSM1.1（m）模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的空间分布、指数的时间演变及与其变化所对应的亚洲地区夏季环流异常等方面的模拟能力,结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式能够较好地模拟出北半球夏季对流层中高层扰动温度在亚-太地区中纬度存在的西高东低"跷跷板"现象;模式能够模拟出夏季亚洲-太平洋涛动指数的年际变率,但是不能模拟出该指数在20世纪60-70年代明显下降的年代际趋势;模式还能较好地模拟出亚洲-太平洋涛动高低指数年亚洲-太平洋地区夏季环流的异常：指数偏高年份,南亚高压增强,高空西风急流带和热带东风急流均加强,索马里越赤道气流增强,南亚热带季风和东亚副热带季风均增强,东亚季风低压槽加强,西北太平洋副热带高压增强,南亚和东亚北部降水增加,菲律宾地区、中国长江流域-朝鲜半岛-日本一带地区降水减少,反之亦然.     

用理论模式研究电离层F1－ledge的变化

利用一个时变电离层理论模式，研究武昌地区（３０．５°Ｎ，１１４．４°Ｅ）电离层Ｆ_１－ｌｅｄｓｅ现象．表明利用当前关于中性气体和太阳辐射的经验模式，观测到的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ出现与演化的基本规律将可基于现有电离层理论加以再现．指出较明显的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ结构同较低的中性原子－分子含量比有直接关系，并同原子－分子成份的过渡高度、背景温度及其垂直分布形态有一定联系．同Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ形态相关联的Ｆ_１－Ｆ_２谷，其出现主要是由于亚稳态氧离子参与光化过程，以及电离气体参与具有一定垂直变化的输运过程．