The tropical intraseasonal oscillation in SAMIL coupled and uncoupled general circulation models

Simulations of tropical intraseasonal oscillation(TISO) in SAMIL,the Spectral Atmospheric Model from the Institute of Atmospheric Physics(IAP) State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG) coupled and uncoupled general circulation models were comprehensively evaluated in this study.Compared to the uncoupled model,the atmosphere-ocean coupled model improved the TISO simulation in the following aspects:(1) the spectral intensity for the 30-80-day peak eastward periods was more realistic;(2) the eastward propagation signals over western Pacific were stronger;and(3) the variance distribution and stronger signals of Kelvin waves and mixed Rossby gravity waves were more realistic.Better performance in the coupled run was assumed to be associated with a better mean state and a more realistic relationship between precipitation and SST.In both the coupled and uncoupled runs,the unrealistic simulation of the eastward propagation over the equatorial Indian Ocean might have been associated with the biases of the precipitation mean state over the Indian Ocean,and the unrealistic split of maximum TISO precipitation variance over the Pacific might have corresponded to the exaggeration of the double Intertropical Convergence Zone(ITCZ) structure in precipitation mean state.However,whether a better mean state leads to better TISO activity remains questionable.Notably,the northward propagation over the Indian Ocean during summer was not improved in the mean lead-lag correlation analysis,but case studies have shown some strong cases to yield remarkably realistic northward propagation in coupled runs.     

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。     

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。     

近60年来中国主要流域极端降水演变特征

在全球增暖背景下,中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发,严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）定义的10个降水指数,利用中国台站日降水资料,系统分析了1961～2017年中国及九大流域片降水变化情况,并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明,各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言,全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数,呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起,还受到外强迫的影响。此外,中国大部分站点连续干旱日数（CDD）减少,观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中,内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少,有洪涝灾害增多的风险,且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强,其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强,但大部分站点CDD呈增加趋势,有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中,降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下,不同流域片呈现出不同的降水变化特征,将面临不同的气候灾害风险。     

中国热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测研究进展

国际上针对海洋-大气系统的观测、理论和模拟方面已经开展了广泛而深入的研究,为短期气候预测水平的不断提升奠定了坚实基础,这其中中国学者做出了许多重要贡献。文中简要回顾了中国学者70年来在热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测方面的研究进展。其中,热带海-气相互作用部分主要涉及4个方面的内容:热带太平洋气候特征与ENSO现象、热带印度洋海温主要模态及其与太平洋相互作用、热带大西洋海温主要模态及与海盆的相互作用、中高纬度海-气系统对ENSO的影响;ENSO动力学包括7个方面的内容:基本理论的相关研究、ENSO相关的诊断与模拟研究、两类ENSO相关研究、ENSO触发机制相关研究、ENSO与其他现象的相互作用、外部强迫与大气遥相关、气候变化与ENSO响应;ENSO预测主要包括2个方面的内容:动力-统计ENSO预测方法、ENSO预测系统与应用。最后,还讨论了上述相关方面亟待解决的问题。     

20世纪北大西洋温盐环流的年代际变化试评估

根据相对丰富的大气器测资料,综合前人对有限的海洋资料的诊断分析,从北大西洋涛动(NAO)变率、表层海温(SST)变率、格陵兰海和拉布拉多海的深对流活动长期变化等不同角度,对20世纪大洋温盐环流(Thermohaline Circulation,THC)变率进行了试评估.结果表明:(1)19世纪末以来,大西洋温盐环流的变化可分为4个时期:1900年以前的一段时期,THC较强;1904年到1930年,THC较弱;1931年到1972年,THC较强;1973年至1995年,THC较弱,目前则又有所增强.(2)与THC的变化相联系,大西洋主要气候要素的变化,相互间存在着某种协调关系,THC强,NAO弱,北大西洋北部SST升高,格陵兰海的对流活动增强,拉布拉多海的对流活动则减弱.     

不同年代际背景下南半球环流变化对中国夏季降水的影响

利用1951～2008年NCEP再分析资料和中国夏季降水观测资料,分析了南半球环流的年代际变化特征以及在不同年代际背景下南极涛动(AAO)对中国东部夏季降水的影响.结果表明,20世纪70年代末,南半球环流发生了年代际变化,东南太平洋和南大西洋副高减弱,而马斯克林高压(南印度洋副高)增强,绕南极低压带加深.在此背景下,AAO由负位相转变为正位相,对中国夏季降水的影响也随之发生改变.在春季AAO偏强的情况下,1976年之前,长江以南地区和华北地区降水偏多,江淮流域降水偏少;而在1976年之后,从华南沿海一直到江淮流域降水都偏多,华北到东北地区降水偏少.这说明AAO对中国夏季降水的影响与年代际背景有关,1976年之后,AAO对中国夏季降水的影响增强,影响范围更加偏北.在当前海温预报因子作用减弱的情况下,AAO有可能成为中国夏季降水预测的一个重要预报因子.     

气候系统模式FGOALS_gI模拟的小冰期气候

利用1650～1750年逐年变化的太阳辐照度等外强迫资料,驱动中国科学院大气物理研究所LASG发展的快速气候系统模式FGOALS_gl,模拟了小冰期(LIA)气候.把模拟的LIA表面温度变化与重建资料进行对比,结果表明FGOALS_gl对LIA气候具有较强的模拟能力,说明太阳辐照度的自然变化是导致小冰期气候的重要成因.模拟结果显示,LIA时期纬向平均温度变化表现为整个对流层降温,低纬度地Ⅸ的降温中心位于对流层中层,北半球降温幅度大于南半球,高纬地区的降温幅度大于低纬地区.分析发现,中高纬地区的局地温度变化主要与环流异常相对应的冷暖平流有关;低纬地区的降温主要与赤道东风加强有关,东风增强通过增大蒸发和引起次表层冷海水上翻而令表层温度降低.LIA时期的降水变化丰要位于中低纬地区,表现为日界线东(西)侧降水的负(正)异常.与降水异常相对应.Walker环流加强,东太平洋对流活动减弱,它与低纬地区对流层中层冷异常相联系.与大气层顶净短波辐射异常的季节变化相对应,南、北半球夏季平均表面温度异常较之冬季低0.28℃左右.     

近四十年我国东部盛夏日降水特性变化分析

基于中国地区740台站的日降水资料,细致分析了近40年我国东部盛夏即7、8月份降水长期趋势和年代际变化特征。按小雨、中雨、大雨以及暴雨降水强度分类,探讨了不同强度降水在我国东部降水变化中的贡献。结果表明,中国东部地区盛夏降水变化主要受暴雨强度降水变化的影响,占总降水变化60%以上。近40年来,盛夏长江流域降水量、 降水频率、极端降水频率以及暴雨降水强度均呈增大趋势,在华北地区则呈减小趋势,除降水频率在长江流域的变化趋势绝对值比华北地区小外,另三个指标在长江流域的趋势变化值大约是后者的2倍。降水强度在中国东部表现出一致的增大趋势,但华北地区增大趋势不显著。华北地区降水的减少主要是小雨强度降水频率减小的结果,强降水的频率和强度在该地区也呈微弱的减小趋势,其中小雨强度降水频率减小趋势大值中心值达到-3%/10a,比中雨以上强度降水频率变化趋势值大一个量级;长江流域降水的增多,是各强度降水频率和强度增大共同作用的结果。长江流域和华北地区在区域平均降水频率、降水强度、极端降水频率、最大降水量的时间序列上,彼此均为负相关关系,其中降水频率和极端降水频率序列在两区域的相关系数通过99%的信度检验。Mann-Kendall检验表明,除华北地区降水强度外,其他降水指标均存在显著的年代际跃变。与1970年代末的气候跃变相对应,华北地区降水频率较之长江流域的跃变明显;但长江流域极端降水在1970年代末的跃变较之华北地区更显著,其降水强度、极端降水频率以及最大降水量均于1970年代末期前后发生显著年代际跃变。     

参加CMIP5的四个中国气候模式模拟的东亚冬季风年际变率

本文比较了中国参加“国际耦合模式比较计划”（CMIP5）的四个大气环流模式（即FGOALS-g2、FGOALS-s2、BCC-CSM1-1、BNU-ESM大气模式）在观测海温驱动下,对东亚冬季风（EAWM）气候态和年际变率的模拟能力。结果表明,在气候态上,四个模式均合理再现了EAWM高低层环流系统（包括低层西伯利亚高压（SH）、阿留申低压、异常偏北风、和中高层东亚大槽、西风急流）,其中对2 m气温和500 hPa高度场的模拟技巧最高,四个模式模拟的结果与再分析资料的空间相关系数都达到0.99。在年际变率上,分别对东亚北部地区（30°N～60°N,100°E～140°E）和东亚南部地区（0°～30°N,100°E～140°E）的2 m气温进行经验正交函数分解（EOF）,提取变率主导模态。结果表明,在东亚北部地区,四个模式对2 m气温第一模态（简称“北部型”）的空间分布均有很高的模拟技巧,但只有BNU-ESM能够较好再现其对应的年际变率,其模拟的时间序列与观测的相关系数为0.69。四个模式均能模拟出观测中的3.1 a主导周期,但只有FGOALS-s2和BNU-ESM能模拟出观测中的2.5 a主导周期。在东亚南部地区,模式模拟的前两个主模态共同解释观测中第一模态（简称“南部型”）的特征,其中FGOALS-g2、FGOALS-s2和BNU-ESM的综合模拟技巧较高,但只有BNU-ESM成功再现了观测中2.5 a和3.1 a的主导周期。机理分析表明,FGOALS-g2、FGOALS-s2、BNU-ESM三个模式能合理再现菲律宾海反气旋,同时对南部型有较高的模拟能力,而BCC-CSM1-1则未能有效再现菲律宾海反气旋,使得 BCC-CSM1-1对南部型模拟技巧较低。观测和四个模式模拟的结果一致表现出北极涛动（AO）与北部型PC1呈显著相关,影响大于SH。