基于多组定义的南亚高压变化特征分析及多模式模拟评估

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本文采用四组定义方法定量表征了南亚高压的强度、面积和经、纬向位置,对四组定义下四套再分析资料中南亚高压各参数的变化特征进行了对比分析,并从南亚高压的热动力特征变化角度比较了四组定义方法的结果。在此基础上,分析了四组定义方法下南亚高压各特征参数与太平洋及北印度洋海温变化的关系,以及与中国降水变化的关系,并对四套再分析资料的结果进行了对比。最后选取适用于模式评估的变化特征等值线闭合环流系统指数F4定量表征南亚高压各参数,定量评估了29个参与第六次全球耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,简称CMIP6)的气候模式对南亚高压面积、强度和位置气候特征的模拟能力,以及对南亚高压各参数与降水关系的模拟,并与CMIP5模式的模拟能力进行了对比。得到以下主要结论。(1)基于四组定义的南亚高压经、纬度指数近40年来呈年际变化特征,无显著的变化趋势和年代际突变,而南亚高压强度和面积指数表现出显著的变化趋势和年代际突变,四种再分析资料结论一致。四组定义方法一致表明,当南亚高压偏东(西)时,经向位置偏南(北),偏强(弱)时面积偏大(小)。基于最大位势高度(F1)和闭合气压系统(F3)的定义方法受变暖背景下位势高度整体抬升的影响,特征等值线扩张,导致南亚高压表现为虚假的扩大增强趋势和年代际突变特征。而扰动位势高度(F2)和变化特征等值线的闭合气压系统(F4)定义方法克服了位势高度整体抬升的干扰,表征的南亚高压强度呈显著减弱缩小的趋势,与所在区域的整层扰动温度显著降低,扰动位势高度显著减小,以及相对涡度呈正异常的热动力特征相对应。可见,去除整体抬升的F2和F4定义方法能够更加客观地反映变暖背景下南亚高压的长期变化趋势。(2)在年际尺度上,南亚高压纬度指数的变化与中东太平洋海表温度及北印度洋海表温度呈显著的负相关关系,与北太平洋海表温度呈显著正相关关系,经度指数与海表温度的相关关系与之相反。即当赤道中东太平洋海温偏高(低),印度洋海温异常偏暖(偏低)时,南亚高压位置偏南(北)、偏东(西)。南亚高压纬度指数序列主要与华北、东北北部地区降水呈显著正相关,与长江中下游地区降水呈显著负相关关系。即当南亚高压偏北时,华北地区降水偏多(少),长江中下游降水偏少(多)。当南亚高压偏北时,我国华北东北至日本岛上空为位势高度的正异常中心,对应高层环流呈异常辐散,有利于产生上升运动,我国东部850hPa存在偏南风异常,有利于水汽向北输送,促进华北地区降水增加。长江中下游低层为气旋式环流异常,高层呈辐合异常,不利于产生降水。当南亚高压偏南时环流形势相反。四种定义方法对南亚高压经、纬度指数与海温及降水的关系结论一致。NCEP,JRA-55与ERA-interim三套再分析资料结论一致。(3)基于变化特征等值线的南亚高压经度指数与西北太平洋副热带高压经度指数间存在显著负相关关系,表明南亚高压与西北太平洋副热带高压在年际尺度上存在“相向而行,向背而离”的相对变化特征。当南亚高压与西北太平洋副热带高压相向而行时,华南地区被高压控制,垂直速度呈下沉异常,不利于形成降水,中国东南部地区为偏南风异常,有利于水汽向北输送,且长江中下游地区垂直运动呈上升异常,对应降水偏多。当南亚高压与西北太平洋副热带高压向背而离时,长江中下游降水偏少,华南地区降水偏多。(4)CMIP6模式能够基本再现200hPa位势高度场的气候特征,模式间差异较CMIP5模式有所减小,但模拟的200hPa位势高度仍存在系统性负偏差。基于变化特征等值线的闭合环流系统指数F4可有效克服模式间系统偏差的影响。基于该方法的评估发现,CMIP6模式对南亚高压气候态位置模拟存在不同程度的偏东,多数模式模拟的南亚高压偏南,对强度的模拟偏弱,同时低估了南亚高压的面积。美国NCEP/NCAR中心的CESM2系列模式对南亚高压强度、面积、中心经纬度指数和200hPa位势高度气候态的模拟最优,且对各特征参数的模拟能力一致性好。在参与评估的我国模式中,南京信息工程大学的NESM3模式对气候态南亚高压的综合模拟能力较好,排名第9位,且对南亚高压强度、面积指数与中国东部大范围降水的正相关关系有较好地再现,中国气象科学研究院的CAMS-CSM1-0模式对南亚高压经、纬度指数与降水关系的模拟能力较优。
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