全球海气耦合模式对东亚季风降水模拟的检验

以CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的40年再分析资料集ERA40为观测基础,分析了当前政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）的17个全球海气耦合模式对东亚季风区夏季降水和环流的模拟能力。结果表明:(1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至东亚西北部中国内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;(2) 大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:(1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;(2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,不利于降水的形成,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,空气湿度模拟值偏低、从而造成水汽输送偏弱也是导致东亚季风区夏季降水模拟偏小的原因之一。     

区域海气耦合模式模拟的2003年东亚夏季风季节内振荡

评估了一个区域海气耦合模式(由区域环境系统集成模式RIEMS和普林斯顿海洋模式POM组成)对2003年东亚夏季风季节内振荡(ISO)的模拟性能。通过与观测海温驱动单独大气模式结果的比较,分析了海气耦合过程对东亚夏季大气ISO模拟性能的影响。结果表明:耦合模式能够模拟出2003年中国东部地区夏季降水的气候态分布,模拟的中国东部尤其是江淮地区大气ISO活动较单独大气模式更为显著。同时,耦合模式能够较好地再现大气ISO经向上北传的传播特征,模拟的江淮流域降水处于活跃和中断期时西北太平洋地区低频降水和环流异常在强度和空间分布上较单独大气模式都更为合理。相比于单独大气模式,耦合模式对大气ISO模拟的改善,一方面与其对气候态西北太平洋副热带高压和相关对流层底层风场模拟的改善有关,另一方面与其包含海气相互作用,因而对低频降水与海温和水汽辐合位相关系模拟的改善有关。     

气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风：版本比较和海气耦合过程影响分析

本文基于观测和再分析资料,采用水汽收支诊断和合成分析方法,对新一代气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风进行了系统评估,给出其较之前版本FGOALS-g2的优缺点,并通过与其大气分量模式GAMIL结果的比较,讨论了海气耦合过程的影响。结果表明,FGOALS-g3能合理再现全球季风气候态的基本特征,包括年平均、年循环模态、季风降水强度和季风区范围等,但模式低估陆地季风区年平均降水,高估海洋平均降水,模拟的热带地区春秋非对称模态偏强。研究指出FGOALS-g3模拟的陆地季风区范围偏小,这与模式模拟的夏季水汽垂直平流（尤其是热力项）偏小有关。年际变率上,FGOALS-g3能再现El Ni?o年全球季风降水偏少的整体特征,其不足之处在于部分季风区的降水异常存在一定偏差,例如其模拟的El Ni?o年西非季风区降水偏多和西南印度洋的偶极子型降水异常,均与观测分布不一致,且模式中西北太平洋季风区降水较观测偏多。这是由于El Ni?o年,模式中西非高层无弱辐合中心,且海洋性大陆较观测偏暖,对流中心西移。相较于FGOALS-g2,FGOALS-g3对环流、季风降水的年际变率和季风–ENSO关系的模...     

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。     

区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况的模拟研究

采用区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况进行了模拟研究。耦合模式模拟出了黑潮海流及其右侧的大尺度反气旋式涡旋,对南海表层海流的模拟也与实际基本相符,并模拟出了南海海流受季风影响较大的特点。模式也模拟出了伴随西南季风爆发及推进而发生的海温突增及暖水区北推过程。这为进行区域气候变化与区域海气相互作用问题的研究开辟了一条新途径。     

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.     

区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用

区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具.本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工 作.FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需 求.针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量.通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差".改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率.较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟.最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺 度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息.分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景.     

5个海气耦合模式模拟东亚区域气候能力的初步分析

分析了CGCM1、CSIRO MK2、ECHAM4、HadCM2和GFDL共5个海气耦合模式模拟的东亚地区地面气温和降水量的多年平均值,并与观测值进行了比较,以初步考察全球模式对区域气候的模拟能力.结果表明,所有的模式对东亚地区地面气温及年变化的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值偏低,冬半年模拟结果较夏半年差;模式能模拟出东亚地区降水的时空分布特征,但模拟的区域性差别比较大,模式对西北、东北地区的模拟效果较差,就季节变化而言,冬、春模拟降水偏大.比较结果显示,ECHAM4和HadCM2对东亚地区地面气温和降水场的模拟效果优于其他模式.     

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅱ.年际变化的模拟

利用文献[1]建立的全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS），对模式的年际变化模拟能力进行了检验。50a积分显示，模式模拟出了大气和海洋界面的主要年际变率，能真实地模拟热带太平洋ENSO循环的主要特征，较好地再现了ENSO循环的过程，循环周期在3—5a之间，与实际观测值一致，同时模式也较好地反映了大气和海洋的耦合特征，对年际变化有较强的模拟能力，这与FRAC耦合方案设计有关，该方法能避免气候场的牵制作用，增强模式对年际变化的模拟能力。     

混合海气耦合模式中的ENSO循环及其形成机制

在无异常外强迫的情况下, 将混合海气耦合模式进行了45年的模拟积分.结果表明:模式能较好地再现类似ENSO循环的热带太平洋海洋、大气的年际振荡, 模式ENSO循环的主周期为4~5年; 探讨了ENSO循环的负反馈机制, 指出:暖态的消亡与El Niño发展过程中太平洋东部不断增强的东风异常所产生的冷水上翻的加强以及纬向向西的冷平流有关; 冷态的消亡主要由赤道波的时滞效应所致.     

Simulation of East Asian Summer Monsoon with IAP CGCM

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＥａｓｔＡｓｉａｎＳｕｍｍｅｒＭｏｎｓｏｏｎｗｉｔｈＩＡＰＣＧＣＭＣｈｅｎＱｉｙｉｎｇ（陈起英），①ＹｕＹｏｎｇｑｉａｎｇ（俞永强）ａｎｄＧｕｏＹｕｆｕ（郭裕福）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈ...     

地球轨道偏心率变化对东亚季风气候模拟的影响

采用较为真实的椭圆轨道代替了原区域气候模式中的圆近似轨道,并进行了10年模拟试验,用以了解该模式对东亚季风区气候年际变化的模拟能力,同时比较地球轨道参数计算变化对现代东亚季风气候模拟的影响.结果表明:当把模式中的地球轨道计算从圆形改为椭圆时,中国东部的降水模拟有所改进,东亚地区的温度、降水、比湿等气候要素均出现夏季降低(减少)而冬季升高(增加)的季节变化趋势,而且亚洲冬、夏季风也均有减弱.但从总体上说,现代气候状况的模拟对地球公转轨道的计算方案不敏感.通过该工作的模拟研究说明,对较短时期的现代气候模拟,地球公转轨道采用圆近似是可行的.     

近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势

利用经验正交函数－奇异值分解（EOF－SVD）综合分析方法和1961～2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明, EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构（第一特征向量）及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化, 而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化, 具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF－SVD综合分析, 发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势, 冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征, 两者之间存在很好的对应关系。另外, 大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著, 表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。     

东亚冬季风年代际变化可能成因的模拟研究

利用NCEP/NCAR再分析月平均海平面气压资料, 定义了一个东亚冬季风强度指数 (IWI), 并发现20世纪60年代到70年代初期东亚冬季风强度减弱, 其后冬季风强度有所增强, 80年代初期以后东亚冬季风强度又开始减弱。年代际时间尺度上, 冬季陆地表面气温与IWI的相关性比海洋与IWI相关性好, 冬季大陆东部的年代际增温与东亚冬季风的年代际减弱之间可能存在密切的联系。利用区域气候模式 (RegCM3) 进行敏感性数值模拟试验发现:减小冬季东亚大陆东北部的长波辐射降温率, 将导致东西向海平面气压差的减小以及低层北风减弱, 反映了东亚冬季风的减弱。近40年来, 特别是20世纪80年代以后东亚冬季风的年代际减弱趋势很可能是东亚区域气候对温室效应的一种区域响应。     

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.     

An Assessment on the Performance of IPCC AR4 Climate Models in Simulating Interdecadal Variations of the East Asian Summer Monsoon

Observations from several data centers together with a categorization method are used to evaluate the IPCC AR4 （Intergovernmental Panel on Climate Change, the Fourth Assessment Report） climate models＇ performance in simulating the interdecadal variations of summer precipitation and monsoon circulation in East Asia. Out of 19 models under examination, 9 models can relatively well reproduce the 1979-1999 mean June-July-August （JJA） precipitation in East Asia, but only 3 models （Category-1 models） can capture the interdecadal variation of precipitation in East Asia. These 3 models are： GFDL-CM2.0, MIROC3.2 （hires）, and MIROC3.2 （medres）, among which the GFDL-CM2.0 gives the best performance. The reason for the poor performance of most models in simulating the East Asian summer monsoon interdecadal variation lies in that the key dynamic and thermal-dynamic mechanisms behind the East Asian monsoon change are missed by the models, e.g., the large-scale tropospheric cooling and drying over East Asia. In contrast, the Category-1 models relatively well reproduce the variations in vertical velocity and water vapor over East Asia and thus show a better agreement with observations in simulating the pattern of ＂wet south and dry north＂ in China in the past 20 years.
It is assessed that a single model＇s performance in simulating a particular variable has great impacts on the ensemble results. More realistic outputs can be obtained when the multi-model ensemble is carried out using a suite of well-performing models for a specific variable, rather than using all available models. This indicates that although a multi-model ensemble is in general better than a single model, the best ensemble mean cannot be achieved without looking into each member model＇s performance.     

东亚季风近几十年来的主要变化特征

本文简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果,特别是关于其年代际变化方面.夏季风及夏季气候的主要变化特征有:1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性.而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有:1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在1980年代中期以后增多.与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化.     

东亚季风指数的定义及其与中国气候的关系

利用NCEP/NCAR 850 hPa月平均风场再分析资料,在客观地选定定义地区范围的基础上;定义了一组新的东亚季风指数:西南季风面积和强度指数,东南季风面积和强度指数,偏北季风面积和强度指数.研究了各季风指数的相互关系、季节变化和年际变异.这6个东亚季风指数突出反映了东亚西南季风、东南季风及偏北季风3支季风气流强度和范围变化的特征.分析表明,它们相互之间既有一定联系,又有独立性.各季风指数存在明显的季节变化和年际变化.另外,分析了各季风指数与中国夏季降水和冬季气温的联系,以考察其解释我国气候异常分布的能力.结果表明,这些指数与我国夏季降水和冬季气温有很好的关系,并各自对应有一定的降水和气温分布.特别是西南季风与东南季风影响我国夏季降水的地区有很大差异.因此,我们指出,研究东亚夏季风时,区别西南季风与东南季风是很有必要的,用单一指数不足以表征它们不同的变化.