耦合海-气环流模式中双热带辐合带现象及其热收支分析

文中研究了耦合海-气环流模式中的双热带辐合带(Double ITCZ)现象,并对这一现象的成因从海洋热量收支的角度进行了初步分析。Double ITCZ现象是在热带太平洋赤道南北两侧各出现一条ITCZ的现象,这是耦合海-气环流模式中的较为普遍的一种异常现象,与实际气候中出现的Double ITCZ现象并非指同一问题。文中对比观测和模式结果,指出了Double ITCZ现象的主要特征,针对它的出现过程进行细致分析,再利用模式输出的热量收支各项进行统计,得到了从海洋热收支分析得到的海表温度变化原因。与观测到的正常模态相比,Double ITCZ是一个异常的模态,它的特征突出地表现为西太平洋暖池区的降温和东南太平洋10°S附近的升温。海洋热量收支分析表明,暖池区的降温主要是受到扩散的作用,而表层平流的异常增暖在决定异常辐合带区升温过程中占第一位的作用。     

北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响

我国东部陆架海和南海是国防安全的重要门户;位处第二岛链以西的副热带北太平洋既是各国争夺的重要海区,又是我国从近海走向大洋的重要通道.围绕"北太平洋副热带环流变异如何通过黑潮与我国近海动力环境之间相互作用"这一国际前沿科学问题,国家重点基础研究发展计划项目"北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响"于2007年9月正式立项.该项目不仅有助于拓展和丰富海洋动力学理论,揭示我国近海及邻近大洋动力环境变异机制,提高预测能力,而且也将为维护我国国防安全和海洋权益,为可持续开发利用海洋资源提供海洋动力环境保障.该项目主要研究内容包括:①北太平洋副热带环流变异和调整机理;②黑潮与我国近海的能量与水体交换过程及机制;③北太平洋副热带环流变异与大气驱动力的耦合效应;④我国近海及邻近大洋动力环境变异的可预测性研究.拟解决的关键科学问题为:北太平洋副热带内区环流变异的机理及其对黑潮的影响;黑潮源头变异机理及其对吕宋海峡水交换的影响和黑潮变异机理及其对东部陆架海域动力环境的影响.     

北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自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。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

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。     

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。      

Oceanic climatology in the coupled model FGOALS-g2: Improvements and biases

The present study examines simulated oceanic climatology in the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Grid-point Version 2 (FGOALS-g2) forced by historical external forcing data. The oceanic temperatures and circulations in FGOALS-g2 were found to be comparable to those observed, and substantially improved compared to those simulated by the previous version, FGOALS-g1.0. Compared with simulations by FGOALS-g1.0, the shallow mixed layer depths were better captured in the eastern Atlantic and Pacific Ocean in FGOALS-g2. In the high latitudes of the Northern Hemisphere, the cold biases of SST were about 1°C–5°C smaller in FGOALS-g2. The associated sea ice distributions and their seasonal cycles were more realistic in FGOALS-g2. The pattern of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) was better simulated in FGOALS-g2, although its magnitude was larger than that found in observed data. The simulated Antarctic Circumpolar Current (ACC) transport was about 140 Sv through the Drake Passage, which is close to that observed. Moreover, Antarctic Intermediate Water (AAIW) was better captured in FGOALS-g2. However, large SST cold biases (>3°C) were still found to exist around major western boundary currents and in the Barents Sea, which can be explained by excessively strong oceanic cold advection and unresolved processes owing to the coarse resolution. In the Indo-Pacific warm pool, the cold biases were partly related to the excessive loss of heat from the ocean. Along the eastern coast in the Atlantic and Pacific Oceans, the warm biases were due to overestimation of shortwave radiation. In the Indian Ocean and Southern Ocean, the surface fresh biases were mainly due to the biases of precipitation. In the tropical Pacific Ocean, the surface fresh biases (>2 psu) were mainly caused by excessive precipitation and oceanic advection. In the Indo-Pacific Ocean, fresh biases were also found to dominate in the upper 1000 m, except in the northeastern Indian Ocean. There were warm and salty biases (3°C–4°C and 1–2 psu) from the surface to the bottom in the Labrador Sea, which might be due to large amounts of heat transport and excessive evaporation, respectively. For vertical structures, the maximal biases of temperature and salinity were found to be located at depths of >600 m in the Arctic Ocean, and their values exceeded 4°C and 2 psu, respectively.     

Bimodality of the South Asia High simulated by coupled models

The observed South Asia High (SAH) center is characterized by two distinctive equilibrium modes during boreal midsummer, namely the center of SAH is located between 82.5^o--92.5^oE for the Tibetan Plateau mode and between 55^o--65^oE for the Iranian Plateau mode, respectively. The present study describes the ability of 15 coupled general circulation models (CGCM) used in the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC) 4th Assessment Report to reproduce the observed bimodality of the SAH. These models reveal a wide range of skill in simulating this bimodality. Nearly half of the models reproduced the bimodality, while the other half of the models did not simulate well these two modes whereas usually preferring one mode. The models that reproduced the bimodality of the SAH present similar horizontal and vertical circulations as those features from the NCEP reanalysis data. The results from these models identify the warm characteristics of the SAH and indicate that these two modes have different dynamic and thermodynamic properties. Different characteristics of the simulated sensible heat and latent heat related to precipitation partly contribute to the difference in the simulations of the SAH bimodality. The majority of these models that prefer to simulate the Tibetan Plateau mode produce a small sensible heat flux difference between the Iranian Plateau and the Tibetan Plateau, and also generally simulate a very strong false precipitation center over the east of the Tibetan Plateau, which indicates strong latent release and thereby contributes to the preference of the SAH center on the Tibetan Plateau. Whereas, the models that reproduce the bimodality of the SAH tend to simulate large precipitation over the southern Himalayas and no obviously false precipitation is produced over the east of the Tibetan Plateau. In addition, the models resolution may also have important impacts on the simulations of precipitation.     

TOPEX/Poseidon高度计资料在全球海洋环流模式中的同化及分析

利用一个新的四维变分海洋资料同化系统LICOM-3DVM对TOPEX／Poseidon高度计资料进行了同化。该同化系统是在LASG／IAP气候海洋模式LICOM1．0的基础上建立起来的,所用的同化方法为三维变分映射资料同化方法3DVM。高度计观测资料是采取间接的方式进行同化,即先建立起二维海面高度距平场与三维温度场的统计关系,并由此通过观测的海面高度距平信息反演出“观测”的三维温度场,然后利用LICOM-3DVM四维变分同化系统将此反演的温度场同化到海洋模式中。作者设计了两组试验并对结果进行了比较分析,积分时间从1993年1月至2001年12月共9年时间。结果表明,由于上混合层相关系数较小,因此同化后海温没有改进;而在温跃层以及更深层次,同化后的海温均有很大程度的改善。从对赤道太平洋地区海温的气候态、季节变化和年际变化以及Nino3区的Nino指数的模拟情况来看,由于同化时将海面高度异常和海温异常之间的相关参数取为常数,没有考虑其季节和年际变化,因此,同化后对于赤道太平洋的年际变化没有改善。对于黑潮地区,由于模式的分辨率较低,同化之前没有很好地模拟出温度锋面,温度和盐度梯度都偏小,流速也偏弱;而同化后使得温度锋面和盐度梯度与WOA01更加吻合,流速增强。     

IPCC AR6解读：全球和区域海平面变化的监测和预估

IPCC第六次评估报告第一工作组报告第九章综合评估了与海平面相关的最新监测和数值模拟结果,指出目前（2006—2018年）的海平面上升速率处于加速状态（3.7 mm/a),并会在未来持续上升,且呈现不可逆的趋势。其中低排放情景（SSP1-1.9）和高排放情景（SSP5-8.5）下,到2050年,预估全球平均海平面（GMSL）分别上升0.15~0.23 m和0.20~0.30 m;到2100年,预估GMSL分别上升0.28~0.55 m和0.63~1.02 m。南极冰盖不稳定性是影响未来海平面上升预估的最大不确定性来源之一。区域海平面变化是影响沿海极端静水位的重要因素。     

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。