季节内振荡的数值模拟 I. 模拟的自然变率

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(LASG)发展的耦合气候系统模式FGOALS 1.0_g控制试验(二氧化碳浓度保持工业革命前的浓度不变,代表无人类活动影响的自然变率)模拟结果,研究了模拟的自然变率下热带季节内振荡(Intraseasonal Oscillation,简称ISO)的基本特征与年际、年代际变化。研究发现,模拟的自然变率下全球ISO主要活跃区与近六十年的实测结果基本接近;ISO主要活跃区的季节变动特征与实际结果基本一致;全球ISO强度冬强、夏弱的季节变化也与实际结果一致;但模拟的ISO强度偏弱与ISO周期不明显。进一步利用控制试验模拟结果研究了模拟的自然变率下热带ISO特征的年际与年代际变化,得出:第一,模拟的自然变率下的热带ISO强度存在明显的年际与年代际变化,低强度指数阶段,全球ISO强度减弱,活跃区范围缩小,高强度指数阶段则相反;并存在季节性差异,冬季不明显,春秋季明显,实测结果有类似结论,但高、低指数似乎与增暖有关。第二,模拟的自然变率下的热带东传或西传ISO能量比值总体来看基本上维持一种平衡状态,不存在上升或下降趋势;与实际状况下的东传相对能量增强、西传相对能量减弱趋势明显不同。     

有关全球变暖对热带大气季节内振荡特征的影响及其数值模拟的研究

首先用资料诊断分析了全球变暖前后,热带大气低频振荡特征变化。研究发现,全球变暖前后,热带低频振荡的强度、分布、传播及周期等发生了一系列变化:ISO活跃区及强度范围均有不同程度的增大,气候变暖有缩小ISO强度季节差异趋势;气候变暖后,纬向东传波的大气季节内振荡能量增加,而西传波的能量相对减少;偏暖阶段,ISO振荡主周期相对分散,特别是较长周期的小波能量明显增大。然后利用动力学分析及数值模拟进一步探讨了热带低频振荡与海温的联系,对热带ISO的数值模拟进一步发现,大气模式与海洋模式耦合时,所模拟的热带季节内振荡较强;热带低频振荡的变化可能与全球变暖后海温场发生的变化有关。     

大气季节内振荡的数值模拟 Ⅱ. 全球变暖的影响

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 (LASG)发展的耦合气候模式FGOALS1.0_g控制试验、二氧化碳 (CO2)浓度加倍试验模拟结果及实测结果 (NCEP/NCAR逐日再分析资料)研究了全球变暖对大气季节内振荡 (ISO)特征变化的影响.通过对比分析控制试验、二氧化碳浓度加倍试验模拟结果及观测结果发现: (1)FGOALS1.0_g耦合气候模式具有一定的模拟季节内振荡的能力, 主要表现为模式能够模拟出ISO活跃区的位置、中心位置的季节变动以及强度的季节变化, 其缺陷是模拟的ISO强度偏弱, 模拟的ISO周期不显著且偏高频; (2)实测资料诊断分析得到的近六十年来偏暖阶段ISO活跃区强度增强及范围扩大可能不是人类活动影响使温室气体增加所导致的, 它可能是大气ISO本身的年代际尺度变化; (3)近六十年来纬向东传波 (西传波)的能量的存在增长 (减少)趋势的主要原因可能是人类活动影响引起温室气体增加所导致的; (4)由于FGOALS1.0_g耦合气候模式在模拟ISO主周期及强度方面时存在不足, 因此实测结果诊断分析得到的偏暖阶段ISO小波能量强, 主周期范围大, 偏冷阶段反之的结论用FGOALS1.0_g耦合气候模式尚难以证实.     

大气季节内振荡的数值模拟 II. 全球变暖的影响

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（LASG）发展的耦合气候模式FGOALS1.0_g控制试验、二氧化碳（CO2）浓度加倍试验模拟结果及实测结果（NCEP/NCAR逐日再分析资料）研究了全球变暖对大气季节内振荡（ISO）特征变化的影响。通过对比分析控制试验、二氧化碳浓度加倍试验模拟结果及观测结果发现:（1）FGOALS1.0_g耦合气候模式具有一定的模拟季节内振荡的能力，主要表现为模式能够模拟出ISO活跃区的位置、中心位置的季节变动以及强度的季节变化，其缺陷是模拟的ISO强度偏弱，模拟的ISO周期不显著且偏高频；（2）实测资料诊断分析得到的近六十年来偏暖阶段ISO活跃区强度增强及范围扩大可能不是人类活动影响使温室气体增加所导致的，它可能是大气ISO本身的年代际尺度变化；（3）近六十年来纬向东传波（西传波）的能量的存在增长（减少）趋势的主要原因可能是人类活动影响引起温室气体增加所导致的；（4）由于FGOALS1.0_g耦合气候模式在模拟ISO主周期及强度方面时存在不足，因此实测结果诊断分析得到的偏暖阶段ISO小波能量强，主周期范围大，偏冷阶段反之的结论用FGOALS1.0_g耦合气候模式尚难以证实。     

外强迫对热带季节内振荡影响的模拟研究

应用经过修改的NCAR CCM3模式和CAM2模式进行的数值实验结果以及NCEP的GFS模式的输出结果讨论了海温等外强迫作用对热带季节内振荡的影响.结果表明,热带季节内振荡是热带大气固有的内部变率.它是由大气内部过程的相互作用决定的.但外强迫对热带季节内振荡的强度、传播方向等有明显的影响.当外强迫没有变化时,模式可以模拟出与观测近似的低频振荡.当作为外强迫的海温和太阳辐射有年内季节变化时,模式模拟的季节内振荡则明显减弱.当海温与辐射不仅有季节变化而且有年际变化时,模式模拟的季节内振荡会进一步减弱.具有长周期的外强迫还会削弱季节内振荡中东移波动的能量而增加静止波的强度.在与海洋模式耦合的状态下,模式不受来自海洋的外强迫影响,而是与海洋构成一个耦合系统,可以产生最强的季节内振荡.     

热带大气季节内振荡的一个数值模拟研究

文中分析了中国科学院大气物理研究所全球气候谱模式ALGCM (R4 2L9) 12a(1978～ 1989年 )积分的逐日输出结果 ,并与 1978～ 1989年的逐日NCEP资料对照 ,以此对热带季节内振荡 (30～ 6 0d振荡 )进行数值模拟研究。分析表明 ,该模式在热带地区可以模拟出明显的季节内振荡 (ISO)的准周期信号 ,并抓住了热带ISO的基本传播特征 ,能较好地再现东、西半球传播速度的差异 ,同时模式模拟存在东传要好于西传 ,冬、春季的模拟要好于夏、秋季的现象。该模式模拟的热带ISO的强度较许多大气模式明显提高 ,尤其是对 2 0 0hPa上ISO动能强度的模拟。模式基本模拟出了ISO低层辐合、高层辐散的水平风场特征。模式较好地再现了热带ISO纬向风的垂直结构。此外 ,观测资料表明热带ISO在冬、春强 ,而夏、秋弱的季节性倾向与ISO的年际变化相联系 ,模拟的ISO在季节性倾向偏差上表现为冬、夏相对强 ,而春、秋相对弱。垂直速度、散度、水汽等物理量的配置同NCEP资料的结构特征仍有明显差异 ,模拟的ISO空间分布也不太理想 ,表明要很好模拟ISO结构和空间分布特征 ,还须做不少工作。     

全球变暖背景下热带大气季节内振荡的变化特征及数值模拟

利用欧洲中期数值预报中心的ERA40再分析逐日的200 hPa风场资料,选取1958—1977年和1980—1999年各20年,对比分析了在全球变暖背景下前后两个时段热带大气季节内振荡(ISO)的特征及其变化。研究表明:近20 a来,原来在赤道中太平洋上活跃的ISO减弱,而在中印度洋、孟加拉湾地区ISO变得活跃;全球变暖背景下,ISO的强度变化幅度加大,表明ISO更加活跃,且季节变化明显,冬、春季强,夏、秋季弱;对流层上层的纬向风能量更集中于1—3波,ISO的频率有加大的趋势。还利用中国科学院大气物理研究所LASG发展的耦合气候系统模式FGOALS-1.0g中的控制试验及其二氧化碳浓度加倍试验结果,分别对应实测资料的前后20年进行对比分析。发现模式对ISO的空间结构模拟较好,但低估了ISO的强度;时空谱分析表明模式结果中包含有更多的纬向风的高频成分,由于能量的分散,导致对ISO活动强度的低估。但通过对模式的控制试验和温室气体增加试验结果的对比分析,发现耦合模式还是较好地反映出在全球变暖背景下ISO在中印度洋、孟加拉湾地区变得活跃、频率加大等变化特征。     

东亚夏季风的自然变率——NCARCam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCARCam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明：模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3—7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚（EU）型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。     

东亚夏季风的自然变率——NCAR Cam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCAR Cam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明:模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3~7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚(EU)型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。     

中国冬季气温季节内变率特征及环流分析

提: 要:利用中国冬季逐日平均气温均方差作为气温季节内变率指标,分析其变化特征并探讨引起季节内变率异常的环流背景.结果 表明,中国冬季气温季节内变率总体呈减弱趋势,对气候增暖趋势响应明显,其年代际变化和东亚冬季风年代际转折时间相吻合.当气温季节内变率异常偏强时,冬季平均环流场上呈类似准正压结构,平流层极涡偏弱,对流层中...     

夏季亚洲-太平洋涛动的耦合模式模拟

亚洲-太平洋涛动是夏季欧亚大陆东部(15°—50°N,60°—120°E)与北太平洋上空(15°—50°N,180°—120°W)温度场反相变化的现象。亚洲-太平洋涛动指数由对流层上层(500—200 hPa)温度定义,反映了亚洲-太平洋纬向热力差异。基于一个全球海-气耦合模式FGOALS_gl的20世纪气候模拟试验结果,讨论了其对20世纪亚洲-太平洋涛动指数变化的模拟能力。结果表明,较之ERA-40再分析资料(1960—1999年),模式很好地刻画出上层温度场的平均态和主导模态的空间型。从趋势上看,模式对北太平洋上空温度的年代际变化和趋势模拟较好,但未能模拟出亚洲东部陆地上空的降温趋势。从频谱分析结果看,模拟的亚洲-太平洋涛动指数2—3,a的年际变率与再分析资料相当,5-7 a周期的变率较弱。模式能够较好地模拟出与亚洲-太平洋涛动指数相关的亚洲季风区气候异常。在20世纪模拟中,外强迫因子会改变耦合系统的年际变率,在自然因子强迫下亚洲-太平洋涛动指数的功率谱向低频方向增强,人为强迫因子的作用则相反。自然强迫因子和人为强迫因子在不同时期对亚洲-太平洋涛动年际和年代际变率的作用不同。在年际变率中人为强迫因子能够控制亚洲-太平洋涛动的变率使其不致过大;在年代际变率中人为强迫因子会增强自然强迫下亚洲-太平洋涛动的变率。模式上层温度的主导模态受ENSO调制,可能影响亚洲-太平洋涛动的年际变率。因此,模式对ENSO模拟能力的缺陷是制约模式对流层上层温度及亚洲-太平洋涛动指数变率的重要因素。     

区域耦合模式FROALS模拟的西北太平洋热带气旋潜势分布与年际变率:耦合与非耦合试验比较

热带气旋潜势指数可以合理刻画热带气旋生成的位置与范围, 被广泛应用于评估气候系统模式对热带气旋的模拟。本文使用区域海—气耦合模式FROALS对西北太平洋地区1982～2007年的积分结果, 检验了该模式对热带气旋潜势指数的气候态和年际变率模拟能力, 并从决定热带气旋潜势的五个变量角度, 分析了造成模式模拟偏差的原因。结果表明, 模式可以合理再现西北太平洋地区热带气旋潜势指数的分布, 但由于西北太平洋季风槽模拟偏弱且耦合后模拟海温偏冷, 使得耦合试验模拟的热带气旋潜势指数分布偏弱, 尽管较之单独大气模式, 其模拟的空间分布有改善。在年际变率方面, 模式可以合理再现年际变率中热带气旋潜势指数对ENSO的响应, 且耦合模式优于单独大气模式, 分析表明其原因在于耦合模式模拟的850 hPa季风槽强度与年际变率优于单独大气模式。因此区域耦合模式在模拟热带气旋指数年际变率方面相较大气模式有优势。     

西北太平洋热带气旋潜势分布和年际变率的数值模拟

热带气旋潜势指数是定量表征影响热带气旋生成的大尺度环境条件指标,在不能显式模拟热带气旋的气候系统模式中,常被作为热带气旋的代用指标。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数值模拟国家重点实验室发展的AGCM GAMIL2.0模式在历史海温驱动下的积分结果,评估了该模式对热带气旋潜势气候态、季节循环和年际变率的模拟能力。并分别从影响热带气旋潜势分布的热力因子(相对湿度、热带气旋最大风速)和动力因子(垂直风切变、绝对涡度、垂直抬升速度)的角度,讨论了造成热带气旋潜势模拟误差的原因。结果表明,在西北太平洋地区,模式能够合理再现热带气旋潜势的气候态分布,但由于GAMIL2.0模拟的相对湿度偏大且向东延伸,造成了热带气旋潜势大值区较之再分析资料偏大且偏东10°。由于GAMIL2.0模拟的季风槽位置偏北偏强,导致模拟的热带气旋潜势季节循环北进偏早而南退偏晚。在年际变化方面,GAMIL2.0能合理模拟出热带气旋潜势在ENSO正负位相东西反向的变化特征,但位于20°—30°N的加强和减弱区的分界线偏西,这与模拟的垂直速度和相对湿度的模拟误差有关,进一步分析表明,这是由于模拟中ENSO事件期间的西北太平洋异常上升中心比观测偏西且偏强造成的。     

夏季南海季风对长江中下游季风降水影响的观测分析和数值模拟

利用ERA-40、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA的CMAP降水资料以及MM5v3中尺度模式,通过定义一个东亚热带季风强度指数,从观测资料和数值模拟角度研究夏季(6-7月)南海季风异常变化对长江中下游季风和降水的影响.从资料分析结果可以看出,在年际尺度变率上,6-7月南海热带季风和降水与长江中下游的西南风和降水存在着反位相变化关系,当热带季风和降水偏强(弱)时,长江中下游西南季风偏弱(强)、降水偏少(多);数值模拟结果进一步表明,当改变南海季风强度时,长江中下游季风和降水都有显著的变化,其异常特征与观测结果基本一致,这证明了热带季风对长江中下游季风降水的影响,并且,这种影响可以得到物理过程的支持;此外,在年际变率上,当夏季热带季风偏强时,热带异常西风和降水正异常主要维持在热带地区,未向北移到长江中下游地区,因而未加强对中国南方地区的水汽输送,亦未引起中国南方西南气流和降水加强;相反,偏强的热带季风通过调整大气内部过程引起西太平洋副热带高压脊减弱且位置偏南,使长江中下游的西南季风和降水强度减弱.     

海表温度异常影响东亚夏季风年代际变化的数值模拟

采用1950-2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常对东亚夏季风年代际变化的影响。数值试验结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风的年代际变化具有重要作用,均模拟出了东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生的年代际减弱现象,以及强、弱夏季风年代夏季大气环流异常分布的显著不同,这与观测结果较一致,表明热带太平洋是影响东亚夏季风此次年代际变化的关键海区;利用热带印度洋海表温度驱动模式模拟出的东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生年代际增强现象,即当热带印度洋海表温度年代际偏暖(冷)时,东亚夏季风年代际增强(减弱),与热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风年代际变化的影响相反;热带太平洋海表温度年代际背景的变化对东亚夏季风在20世纪70年代中后期的年代际减弱有重要作用。     

全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2,研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化,海表温度最大振幅出现在120°W以东,与观测一致,表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验,结果表明,在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化,但ENSO事件强度增大,年际变率变大;热带太平洋呈现整体增暖趋势,表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明,年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大,在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显;次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

全球植被年际尺度动态过程的数值模拟及其评估

动态植被模型（Interactive Canopy Model,ICM）中考虑了生态系统碳氮循环过程,能够描述较短时间尺度上的植被与大气之间相互作用过程。利用21 a的GIMMS卫星观测LAI资料,与ICM模拟结果进行年际变率对比分析,评估模型对植被年际变化的模拟性能。结果表明,ICM能在一定程度上反映植被年际变率的空间分布特征,但模拟的热带部分地区植被的年际变率偏小,除此之外大部分地区模拟的年际变率偏大;模拟能够反映出全球植被年际变化的主要空间分布型,同时低纬度地区植被的时间演变特征要好于高纬度地区;ICM对寒带灌丛、北非稀树大草原、落叶针叶林的年际变化模拟较好,但对中国东部农作物的模拟表现出了明显的周期振荡现象,与实际情况差距较大。     

南半球中高纬大气环流年代际变率的研究

利用近百年全球海平面气压图和再分析海平面气压等资料,建立了自1871年以来1,4,7和10月份的南极涛动指数（AOI）序列。近百年来1月AOI有明显增强的趋势,7月AOI则有明显减弱的趋势。最近40多年来,1,4和10月AOI都有较强的上升趋势。4个月份的AOI都有20～30a左右的准周期波动,表现出显著的年代际尺度的变化。用1,4,7和10月的平均可以近似反映年平均南极涛动指数的变化。在年代际尺度上,年平均指数在1894～1901年、1910～1935年左右是强的负指数时期。1880～1893年、1936～1945年左右是较强的正指数时期,1980年代以来,强的正指数已经持续了近20a,且1990年代以来还有加强的趋势。模拟结果的功率谱显示气候系统内部产生的低频变化主要体现在年际尺度变率上,年代际尺度变率的谱值则远远低于观测结果,但不排除在个别情况下,通过Hasselmann机制产生AOI年代际变率的可能性。     

BCC_CSM1.0模式对20世纪降水及其变率的模拟

应用国家气候中心气候系统模式 (BCC_CSM1.0),在给定温室气体、太阳常数、硫酸盐气溶胶、火山灰等外强迫数据的条件下,对19世纪末到20世纪气候进行模拟。对降水模拟结果的检验表明:BCC_CSM1.0模式能够模拟出全球降水的基本气候状态、季节变化、季节内振荡、年际变化等特征。模拟结果显示:与CMAP及CRU观测分析资料相比基本一致,全球陆地降水在过去一个多世纪中存在上升趋势。同时,模式也存在不足和需要改进之处:模拟降水的时空分布与观测不一致;我国东部地区的雨带季节转变较观测偏快;主要雨带位置较观测偏西、偏北;夏季青藏高原东北侧有虚假的降水中心;热带季节内振荡较实际偏弱;降水年际变率较观测略大,主要发生在降水较明显的热带。BCC_CSM1.0模式模拟的全球陆地降水以及欧亚、亚洲、中国大陆 (中国东部、江南、华北等地区) 平均降水与近105年由观测所得的CRU资料基本一致,但多数地区比观测略偏低。模拟的全球陆地、中国东部、江南、华北等地区的降水趋势也与CRU资料一致;模拟的全球陆地降水在过去105年中有明显的上升趋势,与CRU资料相比,上升趋势更强,但在欧亚、亚洲、中国范围内模拟的降水趋势与观测有一定的差异。     

全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化

利用1979~2013年实时多要素MJO（Madden-Julian Oscillation）监测（RMM）指数,美国NOAA逐日长波辐射资料和NCEP/NCAR再分析资料等,分析了全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化特征。从全球平均气温快速增暖期（1985~1997）到变暖趋缓期（2000~2012）,MJO 2~4位相频次减少,5~7位相频次增多,即MJO对流活跃区在热带印度洋地区停留时间缩短、传播速度加快,而在热带西太平洋停留时间加长、传播明显减缓。进一步分析发现,以上MJO的年代际变化特征与全球变化年代际波动有关。当太平洋年代际涛动（PDO）处于负位相时,全球变暖趋缓,热带东印度洋—西太平洋海温异常偏暖,使其上空对流加强,垂直上升运动加强,对流层低层辐合,大气中的水汽含量增多,该区域的湿静力能（MSE）为正异常。当MJO对流活跃区位于热带印度洋地区时,MJO异常环流对季节平均MSE的输送在强对流中心东侧为正、西侧为负,有利于东侧MSE扰动增加,使得MJO对流扰动东移加快;而当MJO对流活跃区在热带西太平洋地区,MJO异常环流对平均MSE的输送形成东负西正的形势,东侧MSE扰动减小,不利于MJO快速东传。因此,全球变化背景下PDO引起的大气中水汽含量及MSE的变化可能是MJO传播年代际变化的重要原因。