参数化次表层上卷海温改进ENSO模拟

通过参数化次表层上卷海温改进了一个热带太平海洋模式的SSTA模拟.这种参数化方案通过经验方法将海洋上混合层底部海温变化与海表面起伏联系起来,从而可以方便地利用模式模拟的海表起伏描述温跃层的变化情况及其对混合层海温变化的影响.三组数值试验表明通过上述方法显著改善了SST年际变化的模拟,与观测相比,在赤道东太平洋及南美沿岸,距平相关系数由原来的0.7左右提高到0.8以上,均方根误差在赤道东太平洋由原来0.8℃降到0.6℃,在南美沿岸由1.3℃以上降为0.9℃.这表明在赤道东太平洋及南美沿岸,温跃层的变化通过夹卷过程及垂直扩散过程可以显著影响混合层的温度,OGCM对这些过程描述不足是导致SST年际变化模拟偏弱的一个重要原因,通过强调这些过程可以改善模拟效果.同时在热带西太平洋的改进也是显著的.     

辐射参数化方案对一个海气耦合模式云和辐射模拟的影响

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响, 结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异; 晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低; 在60°S~60°N之间, Fu_Liou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测; 在对大气顶净辐射的模拟上, 除了冬季的太平洋和大西洋东岸云量明显减少的部分地区外, Fu_Liou方案对大气顶净辐射的模拟总体上较Morcrette方案有了较为明显的改善; Fu_Liou方案模拟的海洋低层云显著减少, 而热带地区高云的模拟明显增加; 由于采用了“二元云量”算法, 尽管云量有所减少, Fu_Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所增强, 一定程度上改进了Morcrette方案云的短波吸收作用偏弱的现象。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963—2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因。结果表明：耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验（单独的大气模式）,对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动。对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963—2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小。对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致。对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟。     

一个可描写ENSO循环基本特点的简单热带海气耦合模式

在所构造的海气耦合模式中,采用Zebiak海洋模式框架,并重建了一个海洋数值模式,大气模式采用了Gill模式.在大气模式中保留了时间发展项,潜热加热采用了Kleeman方案.对模式的积分结果表明,海温异常具有3～7年的准周期振荡.在模式El Nino事件的初始阶段,西风异常,海温正距平(SSTA)首先在赤道西太平洋发生,然后向东传播、加强.在模式ENSO循环的位相转换过程中,SSTA的空间分布共有4种不同类型.模式模拟的El Nino事件的初始阶段有两种发展类型,它们是:在初始阶段中西太平洋和东太平洋沿岸各有海表温度的正异常发生.在以后的发展中,一种情况是这两块正SSTA都发展连成一片,形成El Nino事件;另一种情况是中西太平洋地区的正SSTA衰减,中东太平洋地区的正SSTA加强,向西传播,形成El Nino事件.模式模拟的La Nina事件的初始阶段也有两科发展类型,它们的发展过程和El Nino事件初始阶段的发展过程相似.     

一个海气耦合环流模式中的ENSO循环特征及控制机理

本文利用中科院大气所两层全球大气环流模式和十四层热带太平洋模式的耦合环流模式１００年积分中的后３０年的月平均输出资料,通过分析海表面温度、上层海洋热容量和海表面高度异常的年际变化,揭示了模式ＥＮＳＯ循环（包括其产生、发展、成熟和消亡过程）的特征及其控制机理。结果表明,控制本文耦合环流模式中ＥＮＳＯ循环的机理是“时滞振子”模态,这和由中间复杂程度耦合模式得到的ＥＮＳＯ控制机理是一致的。反映了“时滞振     

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。     

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.     

一个可供ENSO预测的海气耦合环流模式及1997/1998 ENSO的预测

利用中国科学院大气物理研究所设计发展的具有较高分辨率的热带太平洋和全球大气耦合环流模式,设计了一个初始化方案,建立了ＥＮＳＯ预测系统,进行了系统性的预测试验。预测结果检验评估表明,该预测系统表现出较强的预报能力,赤道中东太平洋地区（Ｎｉｎｏ３和Ｎｉｎｏ３４）海表温度距平预报相关技巧高于０５２的预报可持续１８个月,该预测系统可应用到试验性的海温预测实践中。利用该系统对１９９７／１９９８年ＥＮＳＯ进行了实际预测,表明预测是成功的,预测的海温距平已提供给今年我国夏季降水预测使用,取得了良好的预测效果。     

利用一个海气耦合模式对台风Krovanh的模拟

采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式, 模拟了Krovanh (0312) 台风过程中台风－海洋相互作用, 分析了台风引起的海面降温影响台风强度的机制和海洋对台风响应的特征。试验结果显示: 考虑台风引起的海面降温使台风强度模拟有了较大改进, 模拟的台风中心气压和近中心最大风速均与实况较符合。POM模拟的海表面温度与TRMM/TMI观测的海表面温度也较为一致, 台风Krovanh在其路径右侧95 km处引起较大的海面降温, 最大降温幅度达5.8℃。与海表面温度降低相对应的是混合层深度的增加, 较大的海面降温对应较大的混合层加深, 表明大风夹卷在海表面温度的降低中起主要作用。分析表明, 台风引起的海面降温降低海洋向大气输送的潜热通量和感热通量, 特别是在台风内核区, 平均总热通量减少了32.1%。热通量的减少使得湿静力能及湿静力能径向梯度减小, 削弱了台风强度。     

全球热带简单海气耦合模式中的ENSO预报试验

利用一个全球热带简单海气耦合模式(GTSM模式),并选取热带三大洋较强的冷暖事件作为预报对象进行了若干预报试验,分析结果发现:在GTSM模式中由于热带三大洋海气耦合通过大气模式而相互作用和影响,使得该模式对于东大西洋和中东印度洋较强冷暖事件的预报能力,较单独大西洋或单独印度洋耦合模式均有明显提高,预报和观测的ATL3、IND3指数的相关系数达到0.5以上的月份,分别达到9个月和6个月左右;而在东太平洋则和ZC(LDEO1)模式差不多,预报和观测的Nio3指数的相关系数达到0.6以上的月份可以达到15个月左右.     

A Hybrid Coupled Ocean–Atmosphere Model and Its Simulation of ENSO and Atmospheric Responses

A new hybrid coupled model(HCM) is presented in this study, which consists of an intermediate tropical Pacific Ocean model and a global atmospheric general circulation model. The ocean component is the intermediate ocean model(IOM)of the intermediate coupled model(ICM) used at the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences(IOCAS). The atmospheric component is ECHAM5, the fifth version of the Max Planck Institute for Meteorology atmospheric general circulation model. The HCM integrates its atmospheric and oceanic components by using an anomaly coupling strategy. A100-year simulation has been made with the HCM and its simulation skills are evaluated, including the interannual variability of SST over the tropical Pacific and the ENSO-related responses of the global atmosphere. The model shows irregular occurrence of ENSO events with a spectral range between two and five years. The amplitude and lifetime of ENSO events and the annual phase-locking of SST anomalies are also reproduced realistically. Despite the slightly stronger variance of SST anomalies over the central Pacific than observed in the HCM, the patterns of atmospheric anomalies related to ENSO,such as sea level pressure, temperature and precipitation, are in broad agreement with observations. Therefore, this model can not only simulate the ENSO variability, but also reproduce the global atmospheric variability associated with ENSO, thereby providing a useful modeling tool for ENSO studies. Further model applications of ENSO modulations by ocean–atmosphere processes, and of ENSO-related climate prediction, are also discussed.     

A Hybrid Coupled Ocean-Atmosphere Model and ENSO Prediction Study

A hybrid coupled ocean－tmosphere model is designed, which consists of a global AGCM and a simple anomaly ocean model in the tropical Pacific。 Retroactive experimental predictions in-itiated in each season from 1979 to 1994 are performed. Analyses indicate that: (1) The overall predictive capability of this model for SSTA over the central-eastern tropical Pacific can reach one year, and the error is not larger than 0.8?C. (2) The prediction skill depends greatly on the season when forecasts start. However, the phenomenon of SPB (spring prediction barrier) is not found in the model. (3) The ensemble forecast method can effectively improve prediction results. A new initialization scheme is discussed.     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

ENSO Phase-Locking in an Ocean-Atmosphere Coupled Model FGCM-1.0

The mean climatology and the basic characteristics of the ENSO cycle simulated by a coupled model FGCM-1.0 are investigated in this study. Although with some common model biases as in other directly coupled models, FGCM-1.0 is capable of producing the interannual variability of the tropical Pacific, such as the ENSO phenomenon. The mechanism of the ENSO events in the coupled model can be explained by "delayed oscillator" and "recharge-discharge" hypotheses. Compared to the observations, the simulated ENSO events show larger amplitude with two distinctive types of phase-locking: one with its peak phaselocked to boreal winter and the other to boreal summer. These two types of events have a similar frequency of occurrence, but since the second type of event is seldom observed, it may be related to the biases of the coupled model. Analysis show that the heat content anomalies originate from the central south Pacific in the type of events peaking in boreal summer, which can be attributed to a different background climatology from the normal events. The mechanisms of their evolutions are also discussed.     

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

Sensitivity of Nonlinearity on the ENSO Cycle in a Simple Air-sea Coupled Model

In this paper,the influence of the El NioSouthern Oscillation (ENSO) cycle on the sensitivity of nonlinear factors in the numerical simulation is investigated by conducting numerical experiments in a simple air-sea coupled model for ENSO prediction.Two sets of experiments are conducted in which zonal nonlinear factors,meridional nonlinear factors,or both are incorporated into the governing equations for the atmosphere or ocean.The results suggest that the ENSO cycle is very sensitive to the nonlinear factor of the governing equation for the atmosphere or ocean.Thus,incorporating nonlinearity into air-sea coupled models is of exclusive importance for improving ENSO simulation.