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MJO(Madden-Julian Oscillation)是热带大气季节内变率中最主要的信号,同时也是季节内时间尺度可预测性的主要来源,它对全球的天气和气候系统都有重要影响。目前大多数模式模拟和预测MJO仍然存在很大困难,特别是在海洋性大陆地区。本文主要利用一种基于追踪MJO东传降水异常的识别方法(MJO Tracking)评估了参与MJOTF/GASS全球模式比较计划的模式模拟MJO的能力,分析了模式中MJO在海洋性大陆传播的传播特征,并且探讨了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响。
首先,我们评估了模式在北半球冬季和夏季时MJO的生成频率,并分析了MJO生成频率与MJO传播基本特征的相关性,同时还考察了不同季节模式中MJO结束经度的分布情况。结果表明,基本上所有模式都低估了MJO的生成频率。冬季模式中MJO的生成频率可以用来表征模式模拟MJO传播的能力,特别是MJO的传播距离、强度、结束经度。一般来说,冬季模式中MJO的生成频率越高,则模式模拟的MJO强度越强,并且能够传播的更远。模式中MJO结束经度的分布只有一个峰值,无法再现观测中两个峰值的现象,且模式中MJO结束经度主要位于海洋性大陆。这表明大多数模式中海洋性大陆地区MJO的传播障碍都要强于观测,但是也有部分模式中MJO的传播障碍弱于观测。海气耦合可能是减弱模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的一个潜在因素。
接着,我们探讨了模式中MJO在海洋性大陆地区的传播特征及其影响因子,并且对比它们和观测的差异。结果表明:模式中MJO传播到海洋性大陆地区时,其对流中心东侧对流层低层水汽辐合的强度决定了MJO是否能够传播通过海洋性大陆,这和观测一致。MJO对流中心东侧对流层低层强烈的水汽辐合主要归因于MJO垂直速度对背景水汽场的垂直输送,而MJO垂直速度则受到非绝热加热和对流层低层MJO纬向风梯度的共同影响。模式中对流层低层MJO纬向风梯度可以作为衡量MJO传播能力的一个先兆因子。此外,MJO背景海温场以及海洋性大陆地区海陆降水差异对MJO在海洋性大陆地区传播的影响在不同模式中表现不同,并且大多数模式都和观测存在差异。这表明模式中海洋性大陆地区海气相互作用以及日循环的模拟有待进一步改进。
最后,我们评估了全海气耦合模式(CNRM-CM)、半海气耦合模式(CNRM-ACM)和大气模式(CNRM-AM)模拟MJO的能力,探究了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响机理。结果表明:CNRM模式中耦合模式具有最强的MJO模拟能力,其模拟的MJO结构更加接近观测,该模式不仅具有最高的MJO生成频率,也能够模拟较强的MJO强度以及较远的传播距离。海气耦合过程虽然会造成模式气候态海温在印度洋-太平洋暖池区域出现冷偏差,但是耦合模式中MJO对流中心东西两侧存在较强的季节内尺度海温不对称性,东侧海温偏暖,西侧海温偏冷。背景场海温的变化基本没有改变CNRM模式模拟MJO的能力,海气耦合过程主要通过调控海温的季节内变率对CNRM模式模拟MJO的能力产生影响。季节内尺度海温的东西不对称性能够增强MJO对流中心东西侧海温的纬向梯度,这是海气耦合过程改善模式模拟MJO能力的关键。
首先,我们评估了模式在北半球冬季和夏季时MJO的生成频率,并分析了MJO生成频率与MJO传播基本特征的相关性,同时还考察了不同季节模式中MJO结束经度的分布情况。结果表明,基本上所有模式都低估了MJO的生成频率。冬季模式中MJO的生成频率可以用来表征模式模拟MJO传播的能力,特别是MJO的传播距离、强度、结束经度。一般来说,冬季模式中MJO的生成频率越高,则模式模拟的MJO强度越强,并且能够传播的更远。模式中MJO结束经度的分布只有一个峰值,无法再现观测中两个峰值的现象,且模式中MJO结束经度主要位于海洋性大陆。这表明大多数模式中海洋性大陆地区MJO的传播障碍都要强于观测,但是也有部分模式中MJO的传播障碍弱于观测。海气耦合可能是减弱模式中海洋性大陆地区MJO传播障碍的一个潜在因素。
接着,我们探讨了模式中MJO在海洋性大陆地区的传播特征及其影响因子,并且对比它们和观测的差异。结果表明:模式中MJO传播到海洋性大陆地区时,其对流中心东侧对流层低层水汽辐合的强度决定了MJO是否能够传播通过海洋性大陆,这和观测一致。MJO对流中心东侧对流层低层强烈的水汽辐合主要归因于MJO垂直速度对背景水汽场的垂直输送,而MJO垂直速度则受到非绝热加热和对流层低层MJO纬向风梯度的共同影响。模式中对流层低层MJO纬向风梯度可以作为衡量MJO传播能力的一个先兆因子。此外,MJO背景海温场以及海洋性大陆地区海陆降水差异对MJO在海洋性大陆地区传播的影响在不同模式中表现不同,并且大多数模式都和观测存在差异。这表明模式中海洋性大陆地区海气相互作用以及日循环的模拟有待进一步改进。
最后,我们评估了全海气耦合模式(CNRM-CM)、半海气耦合模式(CNRM-ACM)和大气模式(CNRM-AM)模拟MJO的能力,探究了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响机理。结果表明:CNRM模式中耦合模式具有最强的MJO模拟能力,其模拟的MJO结构更加接近观测,该模式不仅具有最高的MJO生成频率,也能够模拟较强的MJO强度以及较远的传播距离。海气耦合过程虽然会造成模式气候态海温在印度洋-太平洋暖池区域出现冷偏差,但是耦合模式中MJO对流中心东西两侧存在较强的季节内尺度海温不对称性,东侧海温偏暖,西侧海温偏冷。背景场海温的变化基本没有改变CNRM模式模拟MJO的能力,海气耦合过程主要通过调控海温的季节内变率对CNRM模式模拟MJO的能力产生影响。季节内尺度海温的东西不对称性能够增强MJO对流中心东西侧海温的纬向梯度,这是海气耦合过程改善模式模拟MJO能力的关键。