气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

气候模式的年际变率和可预测性

该文研究了大气物理研究所９层格点大气环流模式模拟的年际气候变率，一种试验采用多年平均的观测海温作为下边界条件，另一种试验是有年际变化的实测海温作为下边界条件，两种试验的年际变率分别为记为Ｖ１和Ｖ２，其比值Ｒ（Ｖ２／Ｖ１）则可代表以实测海温为边界条件的模式可预测性，研究结果显示：两种试验的年际变率差异主要热带区，Ｖ２一般大于Ｖ１，并且更接近实际变率，气温和高度场的可预测性在热带区较高，在热带以外区域     

南亚夏季风年际变化特征分析

由于季风活动与降水的时空变化有直接的联系 ,故而定量化研究季风的活动对预测旱涝等灾害性天气有重要意义。但是从目前的研究现状来看 ,量化指标描述的结果多具有明显的不一致性。因此 ,在确定定量化指标之前还需要对季风的气候学特征有更多的了解。为此 ,本文利用 195 8— 1997年NCEP NCAR再分析月平均资料 ,首先分析了南亚地区风场演变的基本特征。分析表明 ,85 0hPa与2 0 0hPa纬向风的垂直切变具有显著的季节变化特征 ,6～ 9月为特征期 ,0°～ 2 0°N ,4 0°～ 13 0°E为特征区。在此基础上对南亚夏季风的年际变化问题作了分析和讨论。结果表明 :在南亚夏季风区季风增强或减弱的整体性是第一位的 ,是最主要的年际变化方式 ;大约以 80°E为分界线 ,以西的印度夏季风与以东的东南亚夏季风增强、减弱的反向变化是第二位的 ,而且主要反映了东南亚夏季风的年际变化特征 ;根据纬向风垂直切变的主要特征模选取了 4类具有典型特征的南亚夏季风类型 ,与不同类型南亚夏季风风场相对应的降水场分布有明显的差异。     

国外关于年代际气候变率的研究

文中指出在气候变率与可预报性研究计划中,列出年代际气候变率及可预报性研究子计划充分显示出这个问题的重要性,回顾并总结了近年来年代际气候变率的研究成果,特别对全球气候变暖、海气相互作用、温盐环流、自然气候变率和ＥＮＳＯ的年代际变率的研究几个重点问题进行了讨论,最后对年代际气候变率研究今后的发展方向提出了看法。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ：局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“- -”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。     

年际气候变率的数值模拟

本文利用IAP GCM 20年的模式输出结果，计算了海平面气压、表面气温和降水的年际气候变率，并与观测资料作了对比分析，以考察模式模拟年际变率的能力。结果表明，模式成功地再现了观测变率地理分布的基本特征，这说明大气内部动力-物理相互作用过程对年际变率有重要影响，而模拟值的偏低则显示了模式中未包括的某些外界强迫因子如海温和海冰年际变化的潜在作用。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅱ:热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响.研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则.来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的"-+-"的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应.换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平.北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2-3个月的时间.     

MRI模式对华南春雨气候态及年际变率的模拟：不同模式分辨率的比较

本文利用日本气象研究所（MRI）参加第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的大气环流模式在高、中、低三种分辨率下的AMIP试验结果,评估了其对华南春雨气候态和年际变率的模拟能力,比较了不同分辨率的模拟结果。结果表明,三种不同水平分辨率（120 km、60 km和20 km）的模式均能再现北半球春季位于中国东南部的降水中心。相较于120 km模式,20 km模式能够更为合理地模拟出华南春雨位于南岭—武夷山脉的降水中心。水汽收支分析表明,60 km、20 km模式高估了水汽辐合,使得华南春雨的降水强度被高估。在年际变率方面,在三种分辨率下,模式均能较好地再现观测中El Ni?o衰减年春季的西北太平洋反气旋以及华南春雨降水正异常。较之120 km模式,60 km、20 km模式模拟的降水正异常的空间分布和强度更接近观测,原因是后者模拟的El Ni?o衰减年春季华南地区的水平水汽平流异常更接近观测。本研究表明,发展高分辨率气候模式是提高华南春雨的气候态和年际变率模拟水平的有效途径之一。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II：热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“- -”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。     

影响我国北方冬半年气旋的气候特征及年际变率

本文首先对气旋进行了客观定义,实现了气旋的自动识别与跟踪算法,利用NCEP/NCAR再分析资料建立了近60年(1951～2010)我国北方冬半年气旋活动数据集。对气旋的气候特征与年际变率进行了探讨。结果表明:蒙古国中西部、雅布洛诺夫山脉东麓等为主要气旋源地;蒙古国东南部、内蒙古东南部、松嫩平原是气旋活跃区;内蒙古东南部、东北地区中北部为气旋消亡区与快速填塞区;初春、仲秋季节气旋较活跃,冬季气旋最少;随季节推移,气旋活动区域向南、向东推进;气旋移动以偏东路径居多,其次是东南、东北路径;700 hPa风场对气旋移动趋势具有较好的指示意义;24 h标准加深率大于0.5 Bergeron的快速发展气旋,位于内蒙古东部、东北地区中北部、日本海中部等地;爆发性气旋则主要位于日本海附近,我国大陆极少;极端最强气旋主要集中在1980年代以前的仲秋与初春;1980年代以来,气旋频次相对较少,强气旋有逐渐增加的趋势;气旋频次减少与东亚中高纬度大气低层斜压性减弱有关。     

Simulated Change in the Interannual Variability of South Asian Summer Monsoon in the 21st Century

This study investigates the projected changes in interannual variability of South Asian summer monsoon and changes of ENSO-monsoon relationships in the 21st century under the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) scenarios A1B and A2, respectively, by analyzing the simulated results of twelve Coupled Model Intercomparison Project Phase 3 (CMIP3) coupled models. The dynamical monsoon index (DMI) was adopted to describe the interannual variability of South Asian summer monsoon, and the standard dev...     

Interdecadal Variations of the South Asian Summer Monsoon Circulation Variability and the Associated Sea Surface Temperatures on Interannual Scales

We investigate the interannual variability of the South Asian summer monsoon(SASM) circulation, which has experienced a significant interdecadal change since 2000. This change is primarily influenced by sea surface temperatures(SSTs)in the tropical Pacific and North Atlantic oceans. During the pre-2000 period examined in this study(1979–99), the SASM is negatively correlated with eastern Pacific SSTs(the canonical ENSO mode) and positively correlated with the negative phase of the North Atlantic SST tripole(NAT). During the post-2000 period(2000–14), the SASM is negatively correlated with central Pacific SSTs and positively correlated with the positive phase of the NAT pattern. The associated Pacific SSTs change from the eastern to central region, leading to the rising(subsiding) branch of the Walker circulation moving westwards to the Maritime Continent in the latter period, which can impact the interannual variability of the SASM through modulating the wind field in the troposphere. In addition to Pacific SSTs, the NAT SSTs can propagate energy from the North Atlantic to the South Asian High(SAH) region through the wave activity flux, and then further impact the SASM via the SAH.Because the SASM is intimately related with precipitation over the Asian region, we briefly discuss the features of the precipitation patterns associated with the SASM during the two periods. The westward shifting Walker circulation leads to the shrinking and weakened anomalous westerlies of the SASM in the lower level, inducing the Maritime Continent rainfall location to move westwards and more moisture to arrive in southern China from the Pacific Ocean in the latter period.     

Interdecadal Change in the Interannual Variability of South China Sea Summer Monsoon Intensity

The interdecadal change in the interannual variability of the South China Sea summer monsoon(SCSSM) intensity and its mechanism are investigated in this study. The interannual variability of the low-level circulation of the SCSSM has experienced a significant interdecadal enhancement around the end of the 1980s, which may be attributed to the interdecadal changes in the evolution of the tropical Indo-Pacific sea surface temperature(SST) anomalies and their impacts on the SCSSM. From 1961 to 1989...     

Differences and Links between the East Asian and South Asian Summer Monsoon Systems: Characteristics and Variability

This paper analyzes the differences in the characteristics and spatio–temporal variabilities of summertime rainfall and water vapor transport between the East Asian summer monsoon(EASM) and South Asian summer monsoon(SASM) systems. The results show obvious differences in summertime rainfall characteristics between these two monsoon systems. The summertime rainfall cloud systems of the EASM show a mixed stratiform and cumulus cloud system, while cumulus cloud dominates the SASM. These differences may be caused by differences in the vertical shear of zonal and meridional circulations and the convergence of water vapor transport fluxes. Moreover, the leading modes of the two systems' summertime rainfall anomalies also differ in terms of their spatiotemporal features on the interannual and interdecadal timescales. Nevertheless, several close links with respect to the spatiotemporal variabilities of summertime rainfall and water vapor transport exist between the two monsoon systems. The first modes of summertime rainfall in the SASM and EASM regions reveal a significant negative correlation on the interannual and the interdecadal timescales. This close relationship may be linked by a meridional teleconnection in the regressed summertime rainfall anomalies from India to North China through the southeastern part over the Tibetan Plateau, which we refer to as the South Asia/East Asia teleconnection pattern of Asian summer monsoon rainfall. The authors wish to dedicate this paper to Prof. Duzheng YE, and commemorate his 100 thanniversary and his great contributions to the development of atmospheric dynamics.     

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。     

强弱南海夏季风年水汽输送路径特征分析

采用印度洋偶极子指数（dipole mode index,简称DMI）、Nino3指数和国内学者定义的5种东亚夏季风指数来比较分析印度洋偶极子（Indian Ocean dipole,简称IOD）、ENSO与东亚夏季风年际变化联系的年代际改变,讨论了这种改变的可能成因。结果表明,东亚夏季风指数分别与DMI、Ni-no3指数的年际变化的联系都呈明显的年代际改变。东亚夏季风指数除了在20世纪80年代及90年代初期与DMI联系较弱之外,其余时段均与DMI具有很好的正相关关系。当季风指数与DMI为正相关时,其与Nino3指数则呈负相关,IOD和ENSO对夏季风具有相反的影响。当季风指数与DMI呈较强的正相关时,其与ENSO的相关较弱;而在70年代末至80年代初季风指数与ENSO呈较强的相关时,其与DMI的关系亦较弱。东亚夏季风与IOD、ENSO年际变化之间的联系呈现此强彼弱的特点。1972—1982年和1983—1993年这两个阶段海温分布的显著不同,可能导致了海气相互作用过程中环流变化的周期及分布的改变,使得东亚夏季风与IOD和ENSO的关系发生年代际改变。     

东亚冬季风综合指数及其表达的东亚冬季风年际变化特征

本文通过多变量经验正交函数展开 (multivariate EOF, 简称 MV-EOF) 研究了东亚冬季风各系统成员的协同关系, 再运用单变量EOF定义单个系统的强度系数。从而给出能够反映东亚冬季风各主要特征及其年际变化、同时包含西伯利亚高压、东亚大槽和纬向风经向切变信息的强度指数 (EAWMII)。分析表明, 这个新指数EAWMII能够很好地反映东亚冬季风在20世纪80年代中期的减弱信号, 并且与大气环流场以及东亚冬季表面温度的变化均显著相关, 能够在很大程度上表征东亚冬季风的综合特征。此外, EAWMII与北极涛动 (Arctic Oscillation, 简称AO) 指数、北太平洋涛动 (North Pacific Oscillation, 简称NPO) 指数和Nio3.4指数相关显著。分析还表明AO和NPO影响东亚冬季气候的区域有所不同: AO主要影响欧亚大陆中、高纬、我国东北以及日本北部等地区, NPO则主要影响华南、华东、朝鲜、韩国以及日本中南部及其附近海域。并且, AO很可能可以通过影响NPO进而影响东亚冬季风。