IPCC AR4气候模式对东亚夏季风年代际变化的模拟性能评估

文中使用多种观测资料和分类的方法评估了IPCC AR4(政府间气候变化委员会第4次评估报告)气候模式(亦称Coupled Model Intercomparison Program 3, CMIP3)对东亚夏季风降水与环流年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的19个模式中,有9个模式可以较好地再现中国东部地区多年平均降水场,但仅有3个模式(第1类模式)可以较好地对东亚夏季风降水的年代际变化作出模拟,这3个模式是:GFDL-CM2.0、MIROC3.2(hires)和MIROC3.2(medres),其中模式GFDL-CM2.0具有最好的模拟性能.进一步的分析表明,大部分模式对东亚夏季风变化模拟能力的缺乏是因为这些模式没有抓住东亚夏季风降水变化的主要动力和热力学机制,即东亚地区在过去所出现的大范围对流层变冷和变干.而第1类模式由于较好地再现了东亚地区垂直速度场(动力学因子)和水汽场(热力学因子)的变化特征,因此较好地模拟出中国东部南涝北旱的气候变化特征.本文的评估清楚地表明,当选择不同模式进行集合时,模式对某一研究变量的模拟性能好坏极大地影响了集合的结果.当模拟性能较好的模式在一起进行集合时,所得到的结果更加接近于真实的观测结果.就特定的研究变量而言,这种集合更加优于将可得到的所有模式进行集合.这说明,虽然多模式集合一般优于单个模式的结果,但应考虑使参与集合的模式对所研究变量具有一定的模拟能力.     

耦合模式FGOALS_s模拟的东亚夏季风

本文评估了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的海气耦合模式FGOALS_s对东亚夏季风的模拟能力, 并通过与观测海温强迫下单独大气模式SAMIL试验结果的比较, 分析了海气耦合过程对模式性能的影响。结果表明, FGOALS_s基本能够模拟出东亚夏季风系统的气候态分布及其演变过程, 但也存在明显偏差, 主要表现为模拟的温度场在对流层中上层一致性偏冷, 导致模式中环流系统强度偏弱; 而温度经向梯度模拟的不足, 直接影响到东亚副热带西风急流的模拟。通过与观测海温强迫下SAMIL模拟结果的对比发现, SAMIL模拟的温度场、 环流场以及风场较之耦合模式结果更接近观测, 但也存在与FGOALS_s类似的模式偏差。因此, 大气模式固有的偏差对耦合模式的模拟偏差有重要影响。分析发现, 对于西太平洋降水的模拟而言, 耦合模式结果更加合理, 表明海气相互作用过程对模式性能有重要影响。本文的结果表明, 大气模式自身的误差是导致耦合模式误差的主要原因。通过更新云－辐射模块改进大气模式模拟的温度场, 应是FGOALS_s后续发展的首要工作。     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

区域气候模式侧边界的处理对东亚夏季风降水模拟的影响

在区域气候模式模拟中,侧边界的作用是引入大尺度强迫场。如何处理好侧边界,即大尺度强迫场和区域气候模式本身之间的关系问题,对于区域气候模式模拟和预报东亚夏季风降水具有重要意义。本文利用美国纽约州立大学Albany分校的区域气候模式（SUNYA-ReCM）,设计了两种不同的侧边界处理方法,来探讨侧边界对东亚夏季风降水模拟的影响。驱动区域模式的大尺度强迫场来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）及热带海洋大气研究计划（TOGA）的分析资料场。试验结果表明:（1）当模式的区域较大时,采用较小的侧边界缓冲区会在缓冲区与模式内部的交界处产生不连续;扩大缓冲区并且考虑不同尺度强迫在垂直方向上的不同作用,可以避免这一缺陷。（2）更重要的是采用后一种方案,即减少了区域气候模式在模拟大尺度环流场方面所起的作用,使得模式更多地依赖侧边界来得到更真实的、对东亚夏季风降水起重大影响的一些气流,如副高、西南季风和南海季风,对东亚夏季风降水无论是在大小上还是在雨带位置的演变上都能进行更好的模拟。     

南海夏季风建立日期的确定和东亚夏季风强度指数的选取

对近几年来南海夏季风建立日期的确定和东亚夏季风强度指数的选取方面的研究成果进行比较全面的概述，并提出了有待进一步解决的问题。     

季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力及其对热带海洋的响应分析

东亚夏季环流变化对中国夏季降水的年际变化有重要影响,因此需要进一步理解季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力。利用1991~2013年美国国家环境预测中心（NCEP）、中国气象局国家气候中心（NCC）和日本东京气候中心（TCC）的三个季节预测模式（CFS V2、BCC_CSM V2和MRI-CGCM）以及NCEP/NCAR再分析资料,定量评估了模式对东亚夏季风（EASM）和夏季西太平洋副热带高压（WPSH）强度的预测能力。在此基础上,分析了模式预测的EASM和WPSH对热带海温异常的响应能力,以及ENSO事件对EASM和WPSH预测的影响,阐述了预测误差产生的原因。结果表明:整体而言,三个模式对EASM和WPSH的预测技巧较高,但TCC模式对WPSH的预测技巧相对较低。三个模式预测的850 hPa风场在西北太平洋存在一个异常气旋,使得预测的EASM偏强和WPSH偏弱。同时,二者的年际变率整体比观测小。三个模式预测的EASM和WPSH对热带海洋海温异常的响应随季节演变特征与观测比较接近,但NCEP模式和TCC模式预测的EASM对前期热带太平洋和前期、同期热带印度洋的海温异常响应要强于观测,NCC模式预测的EASM对前期和同期的热带太平洋的海温异常响应明显比观测强。此外,三个模式预测的WPSH对前期和同期的热带太平洋、热带印度洋和热带大西洋的海温异常响应明显强于观测。三个模式预测的EASM和WPSH在ENSO年的平均绝对误差（MAE）整体而言要比正常年的小很多,NCEP模式和NCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在La Ni?a年和El Ni?o年差别不大,而TCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在El Ni?o年比在La Ni?a年大很多,表明ENSO事件是东亚夏季环流重要的可预报源。     

东亚夏季风监测诊断业务系统

介绍了国家气候中心重要的业务系统之一,东亚夏季风监测诊断业务系统。该系统利用实时接收的大气资料、卫星观测的长波辐射资料和中国大陆地区的台站降水资料,对东亚夏季风的活动情况(包括夏季风爆发、推进、强度等)和我国大陆地区雨带位置及降水异常状况进行实时监测,能提供多种监测产品,并发布《东亚季风监测简报》。     

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析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的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。     

东亚季风区夏季陆地生态系统碳循环对东亚夏季风的响应

东亚地区陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征。使用EOF（经验正交分解）方法分析了AVIM2动态植被陆面模式离线模拟试验模拟的1953～2004年东亚季风区夏季陆地生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统初级生产力（NEP）、植被呼吸以及土壤呼吸的时空分布特点,探讨了东亚夏季风对陆地生态系统碳循环影响机制。研究发现,在强季风年,江淮地区高温少雨的特点限制了光合作用,造成GPP偏低;而华南地区在强季风年气候温暖湿润,利于植被生长,GPP偏高。季风对于植被呼吸和土壤呼吸影响不明显,使得GPP和植被呼吸之差NPP的变化及NPP和土壤呼吸之差NEP的变化与GPP的变化保持一致。在强季风年江淮流域地区干热的气候条件使得NPP和NEP降低;但是在华南地区温度升高的同时降水增多使得在NPP偏高的基础上NEP也偏高。     

东亚季风区夏季风强度和降水的配置关系

1979～2000年东亚地区夏季风强度和夏季总降水之间的关系被分为四种类型:A:强季风、强降水;B:强季风、弱降水;C:弱季风、强降水;D:弱季风、弱降水.通过研究不同关系对应的大气环流特征和SST异常,并分析不同要素在季风和降水关系变化中的作用,发现在季尺度上东亚季风区夏季风强度和地区同期降雨总量的关系具有多面性特征,此关系取决于环流场的整体配置,其中西太平洋副高﹑南亚高压和中高纬阻塞形式为三个起主导作用的因素.另外,海温变化对东亚季风和总降水的关系有明显的影响,尤其是北太平洋﹑印度洋和南海区域海温.合成分析结果表明500 hPa东亚异常波列和东亚夏季风强度密切相关,但波形与东亚季风区夏季总降水强弱没有明显联系.     

陆海温差与东亚夏季风环流异常指数的相关分析

利用我国0.8m月平均地温和NCAR海表月平均温度资料，对我国陆海温差与东亚夏季风的关系进行了分析。结果表明，陆海温差与季风存在显著的相关性，且相关具有明显的时间变化和地理分布的非均匀性，不同地区的相关程度有显著差异。同时，从动力学的角度进一步证明了陆海温差对季风的影响。     

春夏季赤道中东太平洋海温异常变化与东亚夏季风关系的研究

利用1951—2003年的Niño1+2, 3, 4和3.4区的海温异常指数, 分析了各个海区3—8月海温异常随时间的变化与我国夏季降水的关系。研究发现4个海区海温异常变化与我国长江流域、江南地区、华北地区以及西北东部地区的夏季降水都有较高的相关性。合成分析表明:在海温异常随时间变化为正的年份, 上述地区的夏季降水偏少; 在海温异常随时间变化为负的年份, 情况正好相反。在此基础上, 分析了Niño3.4区的海温异常变化和高低空纬向风垂直切变之间的关系, 发现海温异常变化与东亚夏季风的环流场之间也有很好的关系。由合成分析结果发现, 在海温异常变化分别为正和负的年份, 500 hPa高度距平场、850 hPa纬向风距平场、850 hPa流场距平场, 200 hPa纬向风距平场及高低空纬向风距平切变均具有显著的差异, 尤其是在长江流域以南、南海及我国的东北地区都呈相反的分布形势。因此, Niño3.4区的海温异常随时间的变化可以为东亚夏季风和我国夏季降水的预报提供一定的依据。     

东亚季风和我国夏季雨带的关系

利用１９５１－１９９４年每月平均平面气压资料，计算了东亚地区季风强度指数。分别表明：东亚夏季风强弱与我国夏季雨带类型之间有着一定的关系。当夏季风强的年份，主要雨带分布在我国北方，而夏季风弱的年份，主要雨带分布在我国南方；夏季风为正常的年份，雨带分布一般在我国中部。分析发现：夏季季风的强弱与夏季风来临迟早还存在着联系。当夏季风来临早的年份，则夏季季风强度以偏强为主；反之夏季风来临迟的年份，则夏季季风     

区域气候模式REMO对东亚季风季节变化的模拟研究

将欧洲区域气候模式REMO首次应用于东亚区域,利用该模式对1980年和1990年东亚季风季节变化进行了模拟研究,并将模拟结果与NCEP再分析资料进行比较,以检验该模式对东亚季风的模拟能力.研究表明,区域气候模式REMO能够较好地模拟出东亚地区高、低空的大气环流特征,模拟的高度场、流场和温度场与NCEP再分析资料场都比较一致.模拟结果显示了东亚季风的月变化和季节转换特征.模拟的降水场与GPCC降水资料的对比结果表明,REMO能较为成功地模拟出东亚地区降水的空间分布,并能较好地反映降水的季节变化及主要降水趋势,夏季降水模拟偏大,整个区域平均的降水量偏差约为18%左右.     

Relationship Between East Asian Winter Monsoon and Summer Monsoon

Using National Centers for Environmental Prediction/National Centre for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) reanalysis data and monthly Hadley Center sea surface temperature(SST) data,and selecting a representative East Asian winter monsoon(EAWM) index,this study investigated the relationship between EAWM and East Asian summer monsoon(EASM) using statistical analyses and numerical simulations.Some possible mechanisms regarding this relationship were also explored.Results indicate a close relationship between EAWM and EASM:a strong EAWM led to a strong EASM in the following summer,and a weak EAWM led to a weak EASM in the following summer.Anomalous EAWM has persistent impacts on the variation of SST in the tropical Indian Ocean and the South China Sea,and on the equatorial atmospheric thermal anomalies at both lower and upper levels.Through these impacts,the EAWM influences the land-sea thermal contrast in summer and the low-level atmospheric divergence and convergence over the Indo-Pacific region.It further affects the meridional monsoon circulation and other features of the EASM.Numerical simulations support the results of diagnostic analysis.The study provides useful information for predicting the EASM by analyzing the variations of preceding EAWM and tropical SST.     

东亚夏季风的季节内振荡研究

利用动力学因子和热力学因子结合的方法,将东亚夏季风区的西南风与OLR进行了综合处理,构造成东亚季风指数(IM).研究结果表明,该指数既可很好地反映东亚季风区的风场、高度场的环流特征,又能较好地描述我国长江中下游地区夏季降水和气温的变化.通过功率谱和带通滤波结合的方法研究东亚夏季风中的季节内振荡,东亚夏季风区内低频振荡在夏季主要是以30～60天周期的振荡为主;东亚夏季风的季节内振荡在东亚沿海呈波列的形式,并表现为随时间向北传播的季风涌;由于该季节内振荡的波动,造成了东亚热带夏季风在东亚热带和副热带地区活动的反位相关系.     

东亚夏季风环流与ENSO循环的关系

采用NCEP/NCAR再分析资料和NCAR海温资料 ,对ENSO循环不同阶段东亚夏季风环流的变化进行了分析。计算了各年夏季风环流的强度系数及其与多年平均夏季风环流的相似系数和差异系数 ,分析它们与海温变化的关系。结果表明 :东亚夏季风环流强度有明显的年际变化和年代际变化 ,且与赤道东太平洋SST有较好的负相关关系 ,其中又以与三个月前的海温变化关系最好。在春季 (3～4月 )Nino 1+2区为冷、暖水时 ,当年夏季 (6～ 7月 )东亚季风区中 85 0hPa等压面上 >2m·s-1的经向风北伸纬度和东亚季风区的垂直经圈环流都有明显差异 ,在冷水期 >2m·s-1的经向风北伸纬度比暖水期高 ,季风环流圈的上升支北移 ,东亚夏季风环流较暖水期强。     

Comparison of the Double Summer Monsoon Troughs over East Asia

Based on NCEP/NCAR reanalysis data, an investigation has been carried on the comparison of the double summer monsoon troughs over East Asia, which refer to the subtropical summer monsoon trough (subtropical-trough) and the South China Sea summer monsoon trough (SCS trough), respectively. The results show that the SCS trough is stronger than the subtropical-trough either in convergence or convection. The subtropical-trough extends up to higher levels and inclines northward with altitude, while, the SCS trough extends up to a lower level, and its position is seldom changed. The SCS trough establishes early and abruptly with the low level positive relative vorticity appearing suddenly, and retreats slowly, but the subtropical-trough establishes step by step with the positive relative vorticity initially over the Yunnan-Guizhou Plateau and Guangxi areas spreading gradually northeastward, and withdraws rapidly. The onset of SCS trough is obviously indicated by the reverse of the easterly, but the establishment of the subtropical-trough is characteristic of the westerly enhancement. The subtropical-trough has clearly frontal property, yet the SCS trough has not.