波致混合对气候模式中赤道SST的影响机制研究

发布时间：2020-04-02 16:33

【摘要】：海气耦合模式是气候研究和预测的重要工具,但是,当前非通量调整的海气耦合模式都存在显著的热带偏差问题。改进海气耦合模式所包含的物理过程才能从本质上改善海气耦合模式的模拟能力。研究表明,在现有的海气耦合模式基础上,考虑海浪的搅拌混合作用后建立的全球大气—海浪—海洋环流耦合模式能够有效的改进海气耦合模式的热带偏差,这对于提高全球气候的准确模拟和预测有着重要的意义,但是影响机制仍不清晰,本工作的目的就是围绕此内容,利用海气耦合模式CCSM3及基于CCSM3建立的大气—海浪—海洋环流耦合模式,开展波致混合对赤道太平洋SST影响过程的深入研究,力图找出波致混合对赤道太平洋气候态模拟的影响及机制。大气-海浪-海洋环流耦合模式的结果表明： (1)大气-海浪-海洋环流耦合模式能够解决当前海气耦合模式的一些共性问题：该模式能够对赤道太平洋地区模拟的冷舌偏冷并过于西伸这一共性问题有所改善；该模式对大西洋赤道SST梯度反向这一共性问题有所抑制；该模式能够修正耦合模式模拟的东太平洋错误的半年周期；该模式对ENSO的模拟也更加合理,由原来模拟的单一准2年周期改善为准两年和5—7年周期； (2)基于建立的大气-海浪-海洋环流耦合数值模式,改进了气候模式的Nudging同化方法,基于卫星观测SST资料进行了上混合层的同化,改进模式的初始场；然后对2005、2006、2007和2008年的ENSO进行了集合预测,并将预测结果与卫星观测进行了对比检验,以此验证、分析改进后耦合模式的预测能力：与原模式相比,大气-海浪-海洋环流耦合模式对ENSO有较好的预测能力。另外,一方面从同化结果可以看出,引入波致混合后能够改进耦合模式的同化效果,得到较好的初始场；另一方面在海气耦合模式中引入波致混合作用后,通过改善垂直混合,能够改善海气耦合模式的气候模拟效果。在气候预测中,改进预报模式的初值和模式本身都可能能够改善预报性能,因此这两方面的改进使得海气耦合模式的预报性能有所改善。 (3)大气-海浪-海洋耦合模式对赤道东太平洋SST季节循环的模拟有显著改善,成功消除了赤道东太平洋SST虚假半年周期。该模式模拟的SST最高值在4月,最低值在8月,与观测一致。与原CCSM3模式相比,考虑波致混合作用使模拟结果和观测的相关性从0.66提高到0.93,但SST振幅模拟偏弱。通过分析海表热量收支表明,波浪混合对改善模拟结果起了关键作用；CCSM3对赤道东太平洋SST周期模拟存在显著偏差可能是由于模式对海洋上层混合缺乏正确的描述。 (4)考虑波致混合后,在洋盆尺度上赤道地区SST的变化呈现了“西升东降”的现象,即大洋的西部SST出现了升温而东部SST出现了降温。针对赤道SST变化呈现“西升东降”的现象,通过波致混合对耦合模式和单独海洋模式影响的对比试验,探讨并提出了波致混合对气候系统中赤道SST的影响机制,过程分析表明：在大洋东侧波浪大或者混合层浅,因而波浪的作用大,由于波致混合的直接作用,SST出现降温出现冷异常,在海洋动力过程的影响下会出现冷暖异常,冷暖异常在海气相互作用的影响下会被放大,其中正反馈是Bjerknes反馈,负反馈是"SST-NetHeat"反馈,在正负反馈的综合作用下,冷暖异常信号放大,在赤道地区SST的变化就出现了“西升东降”的现象。 (5)在海气耦合模式CCSM3移植的过程中,发现计算截断误差可以导致模拟结果有较大的不确定性,针对并行计算导致的截断误差引起的海气耦合模式的不确定性问题,基于海气耦合模式CCSM3,设计了不同CPU分配方案引起的并行误差对模拟结果影响的实验方案,分析了并行计算误差对SST的影响,结果表明：在做时间演变分析的时候,并行计算误差引起的模拟不确定性是不可忽略的,需要分析和确定积分序列的可信度,尤其是对序列中的跃变现象,利用集合平均的方法可以减小并行计算误差的影响,当15个以上集合成员进行平均时影响可以忽略；在分析气候态平均时,并行计算误差对模拟结果的分析有影响,但30年以上平均时影响可以忽略,因此在做气候态平均时要使用尽可能多的年数做气候态平均；在对气候变率的模拟中,各实验个例都能够抓住气候模式所能刻画的显著性周期现象,并行计算误差对模拟结果分析的影响可以忽略。
【图文】：

示意图,气候系统,子系统,力学状态

需要研究大气、海洋、陆面、冰雪和生物圈的运动和变化，特别是它们之间的相互作用。因此常把由地球上相互邻接的大气圈、水圈、冰雪圈、陆地圈和生物圈构成的相互作用的综合系统称作气候系统(图1一l)。气候系统是现代气候科学研究的主要对象。图1一l气候系统及其子系统示意图(工 PCCAR4)气候系统作为总体，，从能量来说是非绝缘系统，而从外层空间物质交换来说则是个闭合系统。大气、陆地、水、冰雪和生物等各个子系统，通过复杂的物理过程，包括穿过它们之间边界的能量、动量和物质通量及产生的许多反馈机制，联系在一起。气候系统的各子系统性质各异，可以用它们的化学构成、热力学和力学状态来表示其特征，表示热力学状态的主要有温度、压力、比湿、比能、密度和盐度等，表示力学状态的主要是描写运动的力和速度等。

气候图,模式图,误差图,相互作用图

阴影:SST偏差;等值线:降雨偏差设计一个好的海气藕合模式，主要挑战之一就是把藕合模式气候控制试验的气候漂移减到最小。虽然AGCM和OGCM各自能成功地模拟出大尺度大气和海洋环流的诸多特征，但当二者藕合后，由于取消或削弱了各自的强负反馈机制(观测气候值强迫)并引进了新的正反馈相互作用，从而导致模拟结果的海气相互作用的不稳定性。因此，气候漂移主要来自两个方面的原因:(l)大气和海洋分量模式的系统性误差，这种误差是稳定误差，是模式缺陷所致;(2)大气和海洋模式在藕合界面的热量通量和水汽通量不平衡。我们知道，通常大气模式和海洋模式在祸合之前都要在固定或给定的边界条件下进行调试，使之能够模拟出目前的气候状态来·对于大‘一见模式而言，在给定的海表温度!计十算得到的热通量H‘，和水汽通量互，维持模式气候态与观测气候态基本一致。对于海洋模式而言，热量通
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P732

【参考文献】