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。     

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.     

FGOALS耦合模式对赤道太平洋海温和降水年循环的模拟评估

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（LASG/IAP）研发的全球气候系统模式（FGOALS）的4个版本（FGOALS-g2、s2、g3、f3-L）对赤道太平洋地区的海温、降水气候态和季节循环的模拟能力。本文从海气耦合机制和热量收支的角度对耦合模式结果和相应的大气模式比较计划试验（AMIP）进行了对比分析,探讨了造成这一地区海温和降水模拟偏差的原因。结果显示,上一代模式g2和s2的海表温度均方根误差大于2°C,新一代模式g3和f3-L模拟的均方根误差降低50%,为1°C左右。因为新版本中赤道太平洋地区的净短波辐射平均态误差的减小,海洋上层热量动力输送过程的改善和净短波辐射与海温回归关系改进,赤道太平洋地区海温的平均态,南北温度和降水的不对称性都更加接近观测。f3-L比g3在上述方面改进更多,海温也更加合理。但是新一代版本模拟的降水均没有显著改进,赤道北侧ITCZ的降水偏大4 mm d?1。对流降水带来的凝结潜热释放加强了南北非绝热加热梯度,越赤道南风偏差抵消了一部分因为短波辐射偏大带来的海温偏暖,这说明海温平均态的改善是模拟误差相互抵消的结果。在季节循环的模拟方面也存在类似的现象,f3-L和g3中的海温年循环有所改进但较观测振幅仍旧偏弱。这是因为f3-L和g3模拟的经向风和潜热的年循环振幅比前版本要偏强,误差加大的同时也更大地抵消短波辐射的年循环偏差。g2和s2模拟的海温在赤道东太平洋则存在一个虚假半年循环分量,这主要是由潜热通量半年循环偏差所引起的。     

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。     

耦合模式FGOALS_s 模拟的亚澳季风年际变率及ENSO

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 (LASG/IAP) 新一代耦合气候模式FGOALS_s对亚澳季风和ENSO的模拟。结果表明, FGOALS_s可以模拟出亚澳季风的主要气候态特征。FGOALS_s模拟的ENSO事件振幅为观测值的70%, 同时它合理再现了ENSO周期的非规则性。FGOALS_s可以定性模拟出ENSO的主要空间特征。当赤道东太平洋SST升高时, 印度洋和西太平洋海表面气压升高, 而东太平洋海表面气压降低。FGOALS_s的主要缺陷在于模拟的ENSO峰值多出现在春季和夏季。与ENSO振幅偏小相反, FGOALS_s模拟的亚澳季风年际变率振幅大于观测。但是观测中亚澳季风年际变率与ENSO暖位相的显著负相关关系, 在模式中没有得到合理再现, 原因部分可归之于耦合模式在ENSO锁相模拟上的缺陷。由于模式模拟的ENSO峰值出现在北半球春季和夏季, Walker环流异常下沉支移动到西北太平洋, 其激发出的异常反气旋位置较之观测要偏东, 导致印度季风降水和El Niño的负相关关系不显著; 在北半球冬季, 由于模式中的赤道东太平洋SST暖异常较弱, 亚澳季风响应也偏弱。此外, 由于赤道东太平洋SST异常向西伸展, 观测中位于澳洲季风区的辐散中心向西偏移, 最终导致模式中澳洲季风降水与ENSO的负相关同样不显著。     

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的20世纪气温变化

分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的快速耦合气候系统模式FGOALS_gl对近100年气温变化的模拟,讨论了20世纪气温变化的机理。结果表明,在自然因素和人为因素的共同强迫作用下,FGOALS_gl能够合理再现20世纪全球平均和纬向平均地表气温随时间的演变。利用太阳辐照度等自然强迫、温室气体和气溶胶等人为强迫因子来驱动耦合模式,能够模拟出过去100年全球平均气温的增温趋势和年代际变化。耦合模式可以较好地模拟出20世纪全球气温变化趋势的空间分布。对区域气温变化模拟效果的分析表明,除北大西洋外,FGOALS_gl对其他地区具有较高的模拟技巧,表明外强迫是造成多数地区气温变化的主要原因。FGOALS_gl的主要缺陷在于模拟的变暖强度偏弱,大气模式自身的偏差以及耦合模式对温室气体响应的敏感度偏低是造成上述缺陷的主要原因。总体而言,FGOALS_gl对20世纪气温变化的模拟效果较为理想,特别是在全球、半球和大陆尺度上,该模式对过去100年气温变化的模拟较为合理。     

赤道太平洋区域风应力与海表温度年际异常的奇异值分解

用向量场奇异值分解方法分析了赤道太平洋区域风应力场与海表温度场年际异常的相关联系。结果表明,最主要的一对奇异向量与ENSO循环关系密切,其主要特征为赤道中、东太平洋风应力向赤道的异常辐合（辐散）与该区的SST异常升高（降低）准同步变化。对70和80年代的4次 El Ni?o事件中标准化风应力异常场的分析表明,它们均表现出赤道中、东太平洋的辐合。这一结果可能比用信风张弛描述ENSO循环中的环流异常更合理和更具代表性。     

中纬度北太平洋依赖于ENSO事件及独立于ENSO事件的变率特征:观测事实与海气耦合模式模拟

观测事实显示,在E1 Ni(?)o发生期间,伴随着赤道中东太平洋的增暖,中纬度北大平洋中部表层海温（SST）常出现冷距平,而北美大陆西海岸SST则出现暖距平。借助观测资料分析和海气耦合模式模拟两种手段,检验了北太平洋对ENSO事件的上述响应。观测证据和数值模拟都支持有关学者提出的“大气桥”概念,即大气对赤道中东太平洋SST异常增暖的响应,随后强迫中纬度北太平洋,并导致那里SST的变冷,从而起到了连接热带和热带外特别是中纬度北太平洋的“桥梁”的作用。关于其机制,本文认为主要是海洋对大气强迫的动力响应导致那里的SST变冷,尽管潜热通量的贡献也很显著。至少模式结果证明短波辐射、长波辐射和感热通量的贡献都是次要的。进一步的分析揭示,北太平洋存在着线性独立于ENSO事件的所谓“北太平洋模态”,在空间型上,它和线性地依赖于ENSO事件的模态非常相近,即它们的纬向结构都呈现出扁平的“双极”型,只是彼此间SST距平极大值的中心位置不同。模拟结果表明,北太平洋模态与大气的耦合作用,主要是通过海气热通量交换实现的,其中短波辐射和长波辐射的作用居主导地位,而潜热通量的贡献则基本可以忽略。     

冬季北太平洋风暴轴的年际变化及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系

文中研究了冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系。结果发现,各年冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置具有显著的年际差异。对15个冬季北太平洋风暴轴区域500hPa天气尺度滤波位势高度方差与热带和北太平洋海温的SVD分析表明,第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响,而第二对空间典型分布反映了黑潮区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示,赤道中、东太平洋区域海温异常主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中、东端的强度变化,而黑潮区域海温异常则主要影响冬季北太平洋风暴轴中、西端的强度变化和南北位移。并且这种影响分别与500hPa高度场上的PNA遥相关型和WP遥相关型有密切联系。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选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/IAP)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

Versions g1.0 and g1.1 of the LASG/IAP Flexible Global Ocean–Atmosphere–Land System Model

The latest two versions of the IAP Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System (FGOALS) model- versions g1.0 and g1.1, are described in this study. Both two versions are fully coupled GCMs without any flux correction, major changes for g1.1 mainly lie in four aspects: (1) advection schemes for tracer in the ocean component model; (2) zonal filter scheme in high latitudes in the ocean component model; (3) coupling scheme for fresh water flux in high latitudes; and (4) an improved algorithm of airsea turbulent flux depending on the surface current of the ocean. As a result, the substantial cold biases in the tropical Pacific and high latitudes are improved by g1.1, especially g1.1 simulates more reasonable equatorial thermocline, poleward heat transport, zonal overturning stream function in the ocean and sea ice distribution than g1.0. Significant ENSO variability are simulated by both versions, however the ENSO behavior by g1.0 differs from the observed one in many aspects: about twice ENSO amplitude as observed, false ENSO asymmetry, only one peak period around 3 years, etc. Due to improved mean climate state by g1.1, many basic characteristics of ENSO are reproduced by g1.1, e.g., more reasonable ENSO amplitude, two peaks of power spectra for ENSO events, and positive SST skewness in the eastern Pacific as observed.     

Tropical Cyclone Genesis Potential Index over the Western North Pacific Simulated by LASG/IAP AGCM

Tropical cyclone genesis potential index(GPI) is a useful metric for gauging the performance of global climate models in the simulation of tropical cyclone(TC) genesis.The performance of LASG/IAP AGCM GAMIL2.0 in the simulation of GPI over the western North Pacific(WNP) is assessed in this paper.Since GPI depends on large scale environmental factors including low-level vorticity at 850 hPa,relative humidity at 700 hPa,vertical wind shear between 850 and 200 hPa,maximum potential intensity(MPI),and vertical velocity,the bias of GPI simulation is discussed from the perspective of thermal and dynamical factors.The results are compared with the ECMWF reanalysis data(ERA40).The analyses show that both the climatological spatial pattern and seasonal cycle of GPI over the WNP are reasonably simulated by GAMIL2.0,but due to the overestimation of relative humidity,the simulated GPI extends to 170°E,about 10°east to that in the reanalysis data.It is demonstrated that the bias in the simulation of monsoon trough,which is about 5°north to the reanalysis,leads to an overestimation of GPI during May-June and September-October,but an underestimation during July-August.Over the WNP,the response of GPI to ENSO is well captured by GAMIL2.0,including the eastward(westward) shift of TC genesis location during El Nin o(La Nin a) years.However,the anomalous convective center associated with El Nin o shifts westward about 20°in comparison to ERA40,which leads to the biases in both vertical velocity and relative humidity.These eventually result in the westward deflection of the boundary between the positive and negative GPI centers along 20°-30°N.The results from this study provide useful clues for the future improvement of GAMIL2.0.     

The Annual Modes of Tropical Precipitation Simulated by the LASG/IAP Coupled Ocean-Atmosphere Model FGOALS_s1.1

This paper evaluates the performance of a coupled general circulation model FGOALS_s1.1 developed by LASG/IAP in simulating the annual modes of tropical precipitation.To understand the impacts of air-sea coupling on the annual modes,the result of an off-line simulation of the atmospheric component of FGOALS_s1.1,i.e.,LASG/IAP atmospheric general circulation model SAMIL,is also analyzed.FGOALS_s1.1 can reasonably reproduce major characteristics of the annual mean precipitation.Nonetheless,the coupled model shows overestimation of precipitation over the equatorial Pacific and tropical South Pacific,and underestimation of precipitation over the northern equatorial Pacific.The monsoon mode simulated by FGOALS_s1.1 shows an equatorial anti-symmetric structure,which is consistent with the observation.The bias of the coupled model in simulating monsoon mode resembles that of SAMIL,especially over the subtropics.The main deficiency of FGOALS_s1.1 is its failure in simulating the spring-fall asymmetric mode.This is attributed to the false phase of sea surface temperature anomaly (SSTA) annual cycleover the equatorial central-castern Pacific and Indian Ocean,which leads to the bias of the Walker circulation over the equatorial Pacific and the anti-Walker circulation over the Indian Ocean in boreal spring and fall.In addition,the domains of the western North Pacific monsoon and Indian monsoon simulated by the coupled model are smaller than the observation.The study suggests that the bias of the fully coupled oceanatmosphere model can only be partly attributed to the bias of the atmospheric component.The performance of FGOALS-s1.1 in simulating the annual cycle of equatorial SST deserves further improvement.     

气候系统模式FGOALS-s2对南半球气候的模拟和预估

针对参加“国际耦合模式比较计划”(CMIP5)的IAP/LASG气候系统模式FGOALS-s2,评估了其对南半球气候平均态的模拟能力,在此基础上,预估了未来不同“典型浓度路径”(RCPs)情景下南半球气候的变化特征.对20世纪历史气候模拟结果的分析表明,模式能够合理再现南半球大气环流气候态分布特征,包括6～8月平均(JJA)南半球双西风急流现象,只是模拟的北支急流偏弱、南支急流偏强.未来气候预估试验中,不同RCPs情景下南半球温度变化以增暖为主要特征,陆地增温大于海洋,只有南大西洋—印度洋海盆存在局部变冷.综合四种不同情景,未来随着温室气体浓度的增加,南半球中纬度高压带将显著加强,绕极低压带将加深.降水呈现出增多的特征,12月到来年2月平均(DJF)强于JJA,海洋强于陆地,只有南印度洋和南太平洋中部局部降水减少.未来不同RCPs情景下,马斯克林高压表现出先减弱后增强的特征,而澳大利亚高压则呈现出先增强后减弱的特征.南极涛动(AAO)的变化表现为:RCP2.6和RCP4.5情景下AAO都表现为先增强后减弱,RCP6.0和RCP8.5情景下都为一致的增强趋势,这主要与四种情景中模拟的未来温度变化结构不同有关.例如在RCP6.0和RCP8.5情景下,南半球高纬高层温度增暖趋势小于中纬地区,使得经向温度梯度增大,中纬度西风加强,60°S以南位势高度减小,最终令AAO增强.     

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSIM4), 形成新的耦合模式。在此基础上, 利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟, 来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用, 主要表现在:(1) 南北极海冰边缘碎冰区显著减少; (2) 南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善, 分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足: (1) 北大西洋海冰相对偏多, 北大西洋经圈翻转环流大大减弱, 这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的; (2) 南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外, 本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响, 结果表明, 相对于CCSM3短波辐射方案, Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷, 海冰厚度偏厚, 北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。     

Seasonal Prediction of the Global Precipitation Annual Modes with the Grid-Point Atmospheric Model of IAP LASG

A right annual cycle is of critical importance for a model to improve its seasonal prediction skill. This work assesses the performance of the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG （GAMIL） in retrospective prediction of the global precipitation annual modes for the 1980 2004 period. The annual modes are gauged by a three-parameter metrics： the long-term annual mean and two major modes of annual cycle （AC）, namely, a solstitial mode and an equinoctial asymmetric mode. The results demonstrate that the GAMIL one-month lead prediction is basically able to capture the major patterns of the long-term annual mean as well as the first AC mode （the solstitial monsoon mode）. The GAMIL has deficiencies in reproducing the second AC mode （the equinoctial asymmetric mode）. The magnitude of the GAMIL prediction tends to be greater than the observed precipitation, especially in the sea areas including the Arabian Sea, the Bay of Bengal （BOB）, and the western North Pacific （WNP）. These biases may be due to underestimation of the convective activity predicted in the tropics, especially over the western Pacific warm pool （WPWP） and its neighboring areas. It is suggested that a more accurate parameterization of convection in the tropics, especially in the Maritime Continent, the WPWP and its neighboring areas, may be critical for reproducing the more realistic annual modes, since the enhancement of convective activity over the WPWP and its vicinity can induce suppressed convection over the WNP, the BOB, and the South Indian Ocean where the GAMIL produces falsely vigorous convections. More efforts are needed to improve the simulation not only in monsoon seasons but also in transitional seasons when the second AC mode takes place. Selection of the one-tier or coupled atmosphere-ocean system may also reduce the systematic error of the GAMIL prediction. These results offer some references for improvement of the GAMIL seasonal prediction skill.     

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。     

The Baseline Evaluation of LASG/IAP Climate System Ocean Model (LICOM) Version 2

The baseline performance of the latest version (version 2) of an intermediate resolution, stand-alone climate oceanic general circulation model, called LASG/IAP (State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics/Institute of Atmospheric Physics) Climate system Ocean Model (LICOM), has been evaluated against the observation by using the main metrics from Griffies et al. in 2009. In general, the errors of LICOM2 in the water properties and in the circulation are comparable with the models of Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (COREs). Some common biases are still evident in the present version, such as the cold bias in the eastern Pacific cold tongue, the warm biases off the east coast of the basins, the weak poleward heat transport in the Atlantic, and the relatively large biases in the Arctic Ocean. A unique systematic bias occurs in LICOM2 over the Southern Ocean, compared with CORE models. It seems that this bias may be related to the sea ice process around the Antarctic continent.     

跨季度动力气候预测系统IAP DCP-II

概述中国科学院大气物理研究所研制的跨季度动力气候预测系统(IAP DCP-II),及其在我国夏季降水距平预测业务中的应用情况.该系统的试用始于1988年,1998年定型为现今版本(即IAP DCP-II).1998年起至今,每年预测的检验说明,该系统有较好的跨季度预测能力,能预报出夏季降水距平的大范围分布形势.