CMIP5/6气候模式中的平流层春季最后增温及其与北极涛动和5月降水的联系

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本文系统评估了国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)和第六阶段(CMIP6)全球气候模式对南、北半球平流层极区春季发生的致使极涡最后崩溃的增温事件(SFW)及其与天气气候联系的模拟能力,得到以下主要结论:平均而言,CMIP5/6模式能够再现南、北半球SFW爆发过程的主要特征,但模式中南、北半球SFW的爆发时间较观测分别偏晚7天和9天,且模式中SFW事件的强度为观测中的50~70%。与CMIP5相比,CMIP6模式对北半球SFW的模拟能力有显著提升,但这不是体现在CMIP6中北半球SFW爆发时间较CMIP5显著偏早,而主要表现在CMIP6模式中的SFW爆发前对应更为剧烈的平流层行星波活动,以及SFW爆发时间的年际变率更强、更接近观测。与北半球不同,CMIP6模式对南半球SFW事件的模拟能力与CMIP5大致相当,其在SFW爆发早晚以及爆发前平流层行星波活动强度方面的模拟能力稍弱于CMIP5模式。此外,CMIP6高顶模式对南、北半球SFW事件的模拟能力优于低顶模式。在北半球,高顶模式对SFW爆发前后高纬地区纬向风场的强度以及SFW爆发前平流层行星波活动的模拟较低顶模式有显著提升。在南半球,高顶模式模拟能力的提升主要表现在其模拟的SFW的爆发时间比低顶模式显著提前11天,与观测更为接近。近年来,研究发现SFW的爆发对对流层天气、气候有着重要影响,且这一联系通常是通过北极涛动(AO)建立的,因此本文还评估了CMIP5/6模式对SFW爆发与5月降水及AO联系的模拟能力。关于SFW与AO的联系方面,大致上,模式能够模拟出AO的空间型态,并且能够模拟出SFW爆发时间与AO指数在4~5月在150 h Pa高度以上的显著正相关,但SFW爆发时间与对流层中下层AO指数相关性并不显著。虽然其相关性不显著,但进一步分析观测CMIP5/6模式中SFW偏早、偏晚年中AO分别出现的频次以及AO指数强度,发现在观测中,SFW偏晚年1000 h Pa高度的5月AO为显著的正位相,而偏早年仍无显著关系,这表明SFW爆发时间与5月AO的关系可能存在不对称性。模式中能够模拟出SFW偏晚年的5月显著AO正位相,但模式中SFW偏早年4~5月也存在显著的AO负位相,说明模式中SFW极端年份与5月AO指数是存在正相关关系的。整体而言,模式中SFW爆发异常年份对应的对流层AO的异常显著强于观测结果。SFW爆发时间与我国西南地区5月降水有显著的正相关关系,SFW爆发偏晚时,印度夏季风的爆发偏早,我国西南地区降水偏多;而SFW偏早时,印度夏季风的爆发偏晚,我国西南地区降水偏少。整体上,CMIP6模式并不能模拟出这样的关系。只有Can ESM5和CESM2-WACCM两个模式中部分时间段能再现观测中SFW爆发时间与我国西南地区5月降水显著滑动正相关的现象,其中,CESM2-WACCM模式表现更好,且能够反映SFW爆发时间与阿拉伯海地区5月降水的联系。在环流方面,CESM2-WACCM模式能够较好地模拟出SFW偏晚(早)年200 h Pa及500 h Pa伊朗高原上空正(负)位势高度异常,及850 h Pa阿拉伯海南部、印度次大陆的西风(东风)环流异常,以及中南半岛至我国西南地区的西南风(东北风)异常,从而使得我国西南地区降水增多(减少)。
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