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热带地区东传的大气季节内振荡(MJO)是该地区最重要的大气变率之一,是连接天气与气候的桥梁。MJO通过热力强迫和遥相关对许多地区的天气和气候系统都有影响。MJO在海洋性大陆地区存在传播障碍现象,其对流能否传播穿过海洋性大陆决定了MJO对全球天气气候的影响。但是当前的气候模式对MJO的模拟仍然存在一定问题,模式普遍夸大了海洋性大陆地区MJO的传播障碍。本文首先评估了CMIP5模式对MJO的模拟能力,量化了模式中海洋性大陆地区MJO的传播障碍,分析了模式背景场对MJO传播的影响。接着对比了观测和模式中MJO传播障碍物理机制的异同,最后,研究了ENSO和QBO对海洋性大陆地区MJO传播障碍的影响机制。得出了以下主要结论:
(1)模式普遍低估了MJO的生成频率、夸大了海洋性大陆地区MJO的传播障碍。使用基于降水场建立的MJO识别方法,发现24个CMIP5模式都能模拟MJO个例,模式模拟的MJO与观测有类似的结构特征。大多数模式都低估了MJO的生成频率,特别是所有模式都低估了生成于印度洋的MJO的比例,说明模式模拟MJO的能力仍然较差。MJO生成频率较低的模式明显低估了MJO的强度和传播距离、夸大了海洋性大陆地区MJO的传播障碍。
(2)模式背景场是影响MJO传播的数值模拟的重要因素。MJO模拟能力较低的模式模拟的背景场与观测存在明显偏差,表现为模式在中东太平洋海温偏冷、在整个暖池地区低层水汽偏干以及在中太平洋低层东风偏强。模式模拟的MJO频率主要受到MJO对流前方背景场偏差的影响,MJO对流前方背景场偏差越大,MJO频率越低。而海洋性大陆和西太平洋地区的MJO频率与背景场偏差的联系比印度洋地区更紧密。模式中ENSO的强度与模式模拟的MJO频率无直接联系,但模式能一定程度上重现ENSO对MJO传播及生成频率的影响。
(3)模式与观测中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能存在差异。基于MJO传播特征模拟较好的模式,MJO强度、水汽输送过程以及海洋性大陆地区海表潜热通量的强度都是影响MJO传播障碍的重要因素,但观测中未发现类似信号。观测和模式结果不一致的原因可能是模式无法重现海洋性大陆地区一些关键的物理过程。此外,观测与模式分析结果均表明海洋性大陆地区降水从陆地向海洋的转化程度可以决定MJO能否传播穿过海洋性大陆,说明MJO位于海洋性大陆时其对流主要集中在海洋。以上结果说明即使有的模式能模拟与观测类似的MJO传播特征,但模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能仍与观测不同,因此使用单一模式研究海洋性大陆地区MJO的传播障碍的机制可能会带来误导。
(4)QBO和ENSO对MJO传播障碍的影响机制存在差异。QBO和ENSO对MJO传播都有明显的调制作用,QBO西风位相和La Ni(n)a年时海洋性大陆地区MJO的传播障碍均较强。基于QBO通过影响MJO温度结构调制MJO传播的猜想,发现QBO对MJO的影响只出现在海洋性大陆地区,这主要是由于MJO对流在海洋性大陆地区伸展高度较高。QBO对MJO温度结构的影响主要集中在100hPa和南北纬10°之间,ENSO对MJO温度结构也有明显影响,但ENSO的影响则集中在150hPa和南北纬20°之间。说明QBO和ENSO对MJO的影响机制是可分离的。
本论文的研究结果加深了对海洋性大陆地区MJO传播障碍的物理机制的理解,揭示了模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能与观测存在差异,为使用模式研究MJO传播障碍的机制以及提高模式模拟MJO的能力提供了必要的科学依据。
(1)模式普遍低估了MJO的生成频率、夸大了海洋性大陆地区MJO的传播障碍。使用基于降水场建立的MJO识别方法,发现24个CMIP5模式都能模拟MJO个例,模式模拟的MJO与观测有类似的结构特征。大多数模式都低估了MJO的生成频率,特别是所有模式都低估了生成于印度洋的MJO的比例,说明模式模拟MJO的能力仍然较差。MJO生成频率较低的模式明显低估了MJO的强度和传播距离、夸大了海洋性大陆地区MJO的传播障碍。
(2)模式背景场是影响MJO传播的数值模拟的重要因素。MJO模拟能力较低的模式模拟的背景场与观测存在明显偏差,表现为模式在中东太平洋海温偏冷、在整个暖池地区低层水汽偏干以及在中太平洋低层东风偏强。模式模拟的MJO频率主要受到MJO对流前方背景场偏差的影响,MJO对流前方背景场偏差越大,MJO频率越低。而海洋性大陆和西太平洋地区的MJO频率与背景场偏差的联系比印度洋地区更紧密。模式中ENSO的强度与模式模拟的MJO频率无直接联系,但模式能一定程度上重现ENSO对MJO传播及生成频率的影响。
(3)模式与观测中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能存在差异。基于MJO传播特征模拟较好的模式,MJO强度、水汽输送过程以及海洋性大陆地区海表潜热通量的强度都是影响MJO传播障碍的重要因素,但观测中未发现类似信号。观测和模式结果不一致的原因可能是模式无法重现海洋性大陆地区一些关键的物理过程。此外,观测与模式分析结果均表明海洋性大陆地区降水从陆地向海洋的转化程度可以决定MJO能否传播穿过海洋性大陆,说明MJO位于海洋性大陆时其对流主要集中在海洋。以上结果说明即使有的模式能模拟与观测类似的MJO传播特征,但模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能仍与观测不同,因此使用单一模式研究海洋性大陆地区MJO的传播障碍的机制可能会带来误导。
(4)QBO和ENSO对MJO传播障碍的影响机制存在差异。QBO和ENSO对MJO传播都有明显的调制作用,QBO西风位相和La Ni(n)a年时海洋性大陆地区MJO的传播障碍均较强。基于QBO通过影响MJO温度结构调制MJO传播的猜想,发现QBO对MJO的影响只出现在海洋性大陆地区,这主要是由于MJO对流在海洋性大陆地区伸展高度较高。QBO对MJO温度结构的影响主要集中在100hPa和南北纬10°之间,ENSO对MJO温度结构也有明显影响,但ENSO的影响则集中在150hPa和南北纬20°之间。说明QBO和ENSO对MJO的影响机制是可分离的。
本论文的研究结果加深了对海洋性大陆地区MJO传播障碍的物理机制的理解,揭示了模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的机制可能与观测存在差异,为使用模式研究MJO传播障碍的机制以及提高模式模拟MJO的能力提供了必要的科学依据。