耦合模式西北太平洋模拟偏差及其对亚洲夏季风模拟和预估的影响

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耦合气候系统模式气候态的模拟偏差在一定程度上制约了其预测和预估气候变化的技巧。研究耦合模式气候态系统性模拟偏差对气候模拟和预估的影响,有助于理解并减小气候模拟和预估的不确定性。本论文聚焦耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,首先使用21个国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的耦合模式输出结果,通过对比观测资料,分析了CMIP5模式中西北太平洋SST模拟偏差的时空分布特征及可能成因。在此基础上,基于年代际气候预测系统IAP DecPreS的海洋同化耦合模拟试验(EnOI-IAU试验)及其所依托的耦合模式FGOALS-s2的历史模拟试验结果,探讨了夏季西太平洋SST模拟偏差对亚洲夏季风模拟的影响。最后,分析了RCP8.5排放情景下西北太平洋夏季预估SST的变化,并进一步揭示了耦合模式西北太平洋系统性模拟偏差对亚洲夏季季风降水的预估所造成的影响。主要结论如下:  一、CMIP5模式西北太平洋SST模拟偏差及可能成因分析  大部分CMIP5模式模拟的西北太平洋SST都有持续全年的冷偏差,且夏季最大冬季最小。SST冷偏差为海盆尺度,且主要分布于中低纬度的海洋内区。混合层热收支诊断分析表明,大气过程导致的海表向上的潜热通量模拟偏大是造成春、秋、冬三个季节SST模拟冷偏差的最主要因素,而在夏季海表净短波辐射模拟偏少和潜热通量模拟偏多对SST冷偏差均有重要贡献。夏、秋季节热带辐合带(ITCZ)的模拟偏差及冬、春季海洋大陆区域的正降水偏差使得北太平洋地区产生持续全年的东北风异常,该东北风异常叠加在气候态风场上,造成北太平洋地区表层风速增强,使得海表潜热通量模拟偏多,SST模拟偏冷。  二、FGOALS-s2模式海洋同化耦合试验较之历史试验对西北太平洋SST的模拟提升及其对亚洲夏季风模拟的影响  EnOI-IAU试验能较好地模拟出西北太平洋各个季节的SST空间分布,并显著减小了原存在于历史气候模拟试验中持续全年的SST冷偏差。在夏季,EnOI-IAU试验模拟的印度季风伴随的低层西风较观测偏东、偏强,且高估了赤道西太平洋区域的降水量值、低估了印度洋区域的降水量值。  研究表明,较之历史模拟试验,EnOI-IAU试验中夏季西北太平洋地区SST增暖造成局地对流增强,水汽辐合增强,进而使得西北太平洋地区降水模拟偏多,并激发出低层西风异常及赤道外气旋式环流异常。该气旋式环流异常一方面增强了印度夏季风伴随的低层西风,使得更多的水汽从阿拉伯海输送到西太平洋暖池区域,在一定程度上增强了该区域的降水量;另一方面,该气旋式环流异常减小了历史模拟试验中中国南部区域偏强的低层风速,进而提升了模式对东亚低层西南风的模拟能力。  三、CMIP5模式西北太平洋系统性模拟偏差对亚洲夏季风预估的影响  在RCP8.5排放情景下,CMIP5模式预估的西北太平洋SST增暖的空间差异不显著,空间分布特征具有较强的模式一致性。大气表层相对湿度的增大及海气界面温差的减小造成大气过程所致的向上的潜热通量减少是局地SST增暖的主要触发因素。在预估的环流及降水变化方面,伴随着印度夏季风及西北太平洋副热带高压的增强,CMIP5模式RCP8.5排放情景下预估的西北太平洋夏季降水增多。研究表明,西北太平洋降水的变化同现代气候下局地SST及降水的模拟呈显著的正相关关系。历史试验中西北太平洋区域降水正偏差造成局地对流增强、上升运动增强,水汽辐合增强进一步使得预估的局地降水增多,并激发出低层西风异常及赤道外气旋式环流异常。  鉴于西北太平洋区域降水的模拟和未来变化之间显著的正相关关系,本文使用观测的西北太平洋降水订正了气候预估结果。研究结果显示,订正前预估的西北太平洋区域降水较历史试验整体偏多,而订正后的西北太平洋降水较历史试验整体偏少,且模式间不确定性减小。历史试验中的西北太平洋降水正偏差造成预估试验中局地降水一致增多。
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