东亚-西太平洋地区第五次耦合模式比较计划的稳定性分析外文翻译资料

 2022-11-28 14:24:31

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东亚-西太平洋地区第五次耦合模式比较计划的稳定性分析

Tianjun Zhou,Xiaolong Chen,Bo Wu,Zhun Guo,Yong Sun,Liwei Zou,Wenmin Man,Lixia Zhang,Chao He

大气科学与地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室；中国科学院大气物理研究所，北京100029，中国

摘要：耦合模式比较计划（CMIP）是一个国际社区的基础设施,它支持气候模式比较，气候变化，气候预测和气候比较。改善东亚和西北太平洋气候模式的性能对于气候建模社区一直以来都是一个挑战。在这篇文章中，我们提出了一种气候模式合成稳定性分析方法参与了CMIP5。从气候平均状态、年际变化、上新世中期、最近一千年气候变化和气候比较的角度评估CMIP5的优势和不足，也评估了与驱动全球气候模式有关的区域气候模型的额外价值。

虽然从CMIP3到CMIP5的进程中明显可见：在气候平均态模拟，年际变化，过去气候变化方面，可靠性的增长和改善令人鼓舞。但是一些事先预知的偏差，比如西北太平洋副热带高压脊位置以及相关降水距平在CMIP5模式中仍然很明显。年际振幅变化模拟中缺点也十分明显，比如ENSO和季风的关系。大致上，耦合模型在模拟平均状态和年际变化表现出比独立大气模型更好的结果。多模型比较表明，在未来气候变化的预测存在极大的不确定性，虽然通过Clausius Clapeyron关系限制的模型降水不断增加。区域的海洋-大气耦合模式被推荐用于东亚-西北太平洋区域气候变化的动力降尺度的预测。

关键词：东亚季风 西北太平洋气候 ENSO 过去气候变化 气候计划 耦合气候模式 区域气候模式

  1. 引言：气候模式在理解气候变化机制和预测未来气候变化是有用的工具。由于当前最先进的气候模式在模拟物理过程方面的局限，气候模式的模拟结果仍然存在不确定性。多模式合成是减少单个模型不确定性的一种有效方法。耦合模式比较计划是支持气候模式之间比较和气候变化预测的国际社区基础建设。它目前最新阶段是第五次耦合模式比较计划(CMIP5)。近些年，CMIP5模式分析的稳定性已经引起了越来越多的关注。最近研究的目标是基于已出版的文献提供一个CMIP5模式性能在东亚-西北太平洋地区的概述。评估模型的优缺点。这种稳定性分析旨在为CMIP5模式的可信性提供有效的参考，应该坚持模式发展和完善。
  2. 气候平均态模拟：从过去五年中气候模式改进方面受益，东亚-西北太平洋地区基础气候学特征通过CMIP5模式被合理地模拟。例如，夏季风降水模式和850hPa风场通过CMIP5大气模式很好地再现。降水模式的技巧得分只有略微提高，多模式集合中从0.75（CMIP3）到0.77（CMIP5）。降水模拟的改进和大气环流模拟的改进密切相关。CMIP5大气模式成功地再现了气候中东亚上低空南风和高空西风急流。大范围环流模式中可见大范围的扩散。几乎所有CMIP5模式显示，西北太平洋副热带高压上有一个向北的转换，这导致东亚夏季风降水带模拟偏差。虽然CMIP3和CMIP5模拟出的降水都比观测到的略少，但是CMIP5模式模拟东亚-西北太平洋气候比CMIP3更有技巧性。这在夏季风降水，环流，水汽输送和中对流层水平温度水平对流模拟，以及夏季风到来的模拟模式中是明显的。

东亚季风雨带的延长被低估了，而副热带中西太平洋的降水被高估了。尽管西北太平洋副热带高压脊线向北的偏移在CMIP3模式中也很明显，耦合模式总体上展现出比CMIP5独立大气模式更好的结果。

  1. 年际间气候变化：西北太平洋副热带高压是东亚夏季风一个重要的成员。它在年际间时间尺度有两个主要的模式。两个模式都和西北太平洋反气旋异常有关，但是和第二种模式相关的反气旋相对于与第一种有关的反气旋向北移了。他和周指出第一种模式和热带印度洋和中东太平洋地区海表面气温异常有关，而第二种模式和和局地的海平面气温异常有关。第一种模式可以通过CMIP5大气模式比较计划模拟很好地再现，表明它是一种强迫模式。然而，第二种模式不能被CMIP5-AMIP模式完美地模拟。在MME或者大多数单个模式中模拟得到的异常反气旋远比观测到的弱。这表明第二种模式与热带西北太平洋上的海气相互作用有关。在西北太平洋副高和北太平样副热带高压之间有大量的协变性。东亚-西北太平洋季风和厄尔尼诺通过热带西北太平洋的一个关键低层异常反气旋紧密联系（西北太平洋异常反气旋或者WNPAC）。WNPAC能维持超过三个季节，从冬天厄尔尼诺成熟至夏天消亡。模拟ENSO和季风关系的模式性能由它们在模拟WNPAC的能力决定。在厄尔尼诺形成的一个冬季，WNPAC西北侧异常的西南异常削弱了东亚冬季风的平均东北风。同时，它们向北输送水汽到中国东南部，极大地提高了那里的降水。大约一半的CMIP5耦合大气环流模式能够合理地模拟厄尔尼诺形成的冬季期间的WNPAC。然而，几乎所有的模式都低估了中国东南部正态降水异常。WNPAC不仅仅影响东亚冬季风，也调整了厄尔尼诺时间上的演变。WNPAC南侧的东风异常往往激发海洋上涌的开尔文波，从而加速厄尔尼诺的消亡。西北太平洋气旋异常，与拉尼娜冬季WNPAC相伴而生，相对于WNPAC向西移动。相应地，拉尼娜冬季赤道西太平洋的西风异常比厄尔尼诺冬季东风异常弱很多。因此，拉尼娜衰退往往比厄尔尼诺慢很多。CMIP5模式的结果可以支撑这个理论机制。如果一个模式能或不能模拟WNPAC和WNPC的不对称性，它可以或者不可以模拟厄尔尼诺和拉尼娜之间的不对称性。在厄尔尼诺减弱的夏季，WNPAC通过当地冷的海温异常和热带印度洋地区遥相关强迫的共同影响维持。CMIP5-CGCM MME支持WNPAC和局地冷海温异常形成阻尼耦合模式这一观点。冷海温异常在它们完全被局地负反馈减弱之前，只通过减少局地对流而维持初夏时期的WNPAC。在夏末，WNPAC的维持主要和通过大气开尔文波驱动的热带印度洋遥相关强迫有关。CMIP5-CGCN MME表明热带印度洋远距离强迫对WNPAC的影响随着7到8月份大气季风槽的建立逐渐增强。宋和周系统地比较了CMIP5-AMIPs和CMIP3-AMIPs 在

西北太平洋上与负降水异常相关的WNPAC和扬子江到日本中下游地区正降水异常延伸模拟。CMIP5-AMIPs表现出更好的契合性，从而改进了EASM年际间模式的模拟。由于耦合模式中热带印度洋强烈的遥相关强迫，在WNPAC模式运行下CMIP5-CGCMs比AMIP耦合模式表现出更好的契合性；这表明，海气相互作用在模拟EASM年际变化是很重要的

  1. 过去气候变化模拟：过去气候提供了建立东亚季风演变和动力学限制的一个机会。查看地质类似物，最近与温暖气候有关的二氧化碳值(405 plusmn; 50) ppm)高于现在的是中新世；因此中新世被认为是对于理解未来气候变暖的相似物。例如，中新世哈德莱环流被认为是对于以后方案的一个相似物。对于华北地区，MP中模拟的EAM被证明是增强的EASM和削弱的EAWM。MP中模拟的EASM和EAWM都和地质重建合理地一致。海陆热对比的增强促进了MP中东亚夏季风的增强。增强的东亚夏季风环流带给东亚地区更充足的水汽输送，通过增加固定径向速度的局地辐合，这就使得大气环流模式和CGCM模式中MP和EASM降水都增加。在过去百年中东亚夏季风的世纪变化被成功地模拟了。东亚夏季风在中世纪暖期总体上是比较强的，在小冰期比较弱。这个结果和中国万象洞石笋记录重建一致。中世纪暖期、小冰期和20世纪全球变暖东亚夏季风年际间变化模式的对比反应了类似的降水异常模式。然而，三个典型时期主要的年际变化模式的功率谱是不同的，在变暖时期一年两次的震荡是最明显的。火山爆发时期是观测东亚夏季风向外辐射强迫响应的一个好机会。东亚大陆被异常北风所控制，相应的中国东部夏季降水在大火山爆发之后减少。东亚大陆中纬度地区冷却在这种爆发之后比热带海洋上更强，这表明海气热对比的减少，它和弱的东亚夏季风环流相一致。研究表明，强热带火山爆发对东亚冬季风也有很大的影响。
  2. 气候变化计划：从未来的几十年直到21世纪末，大量的精力投入到反应西北太平洋的东北部气候，全球和地区耦合气候模式都用。对于CMIP5两种经典的假设，RCP4.5和RCP8.5分别预测到21世纪末中国年平均表面气温增长(2.58 plusmn; 0.78) °C 和 (5.19 plusmn; 1.10) °C。夏季降水，主要由季风系统影响，在西北太平洋东北部也有明显的增加，主要基于Clausius-Clapeyron关系在更暖状态下水汽的增加。21世纪末，中国年际降水的增加量在基于CMIP5多模式结果RCP4.5和RCP8.5两种假设下分别预估为大约(0.17 plusmn; 0.10) mm·dminus;1以及(0.25 plusmn; 0.12)mm·dminus;1，大约占当前数量的8%和11%。预计环流对表面温度和降水的敏感性相对于温室气体强迫更低。在MME中仅可观测到由于表面附近大量的海陆热对比还有北半球比南半球加热更快引起的东亚夏季风偏南风轻微的加强，但是季风区低层风辐合被削弱。基于500hPa风场，位涡高度和涡流相互作用多模式预测变化，西北太平洋副高预计会被削弱，在中对流层向东撤退。（图3）西太副高的东撤直到东亚副高雨带的东移。根据多模式平均图（41,45,52,52）与西太副高相关的低层环流不会变化。然而副热带地区的低层西风季风可能加速更暖的情况。对于东亚夏季风环流和降水，年际变化预计在21世纪会增加。极端气候，包括热波和强降水，当表面温度升高和降水增强都有相似的趋势，除了一些子区域[42,43,55-58]。甚至在正常方案下，中国夏季炎热的风险预计会显著增加[59,60]。当中国东南部的降水减少时，中国东北和西藏高原极端降水增加；这个现象在局部地区和全球气候模式中都很明显[43]。在RCP8.5方案下干旱严重指数和这些地区相似[61]。东亚西北太平洋副高预计变化有很大的不确定性，这些不确定性来自辐射方案，内部变化，大气模式敏感性，参数的不确定。东亚地区陆地增温的大小主要由全球平均增温决定，由不同的反馈过程控影响[62]。区域范围的极端降水，内部变化对于不确定性的影响可以达到30%，但是区域之间是不同的[63]。不同参数化对流方案可能转变温度和降水之间的联系，而不受Clausius-Clapeyron关系调节的热力学约束影响，这就导致了更大的不确定性[64]。西太副高预估中更大的不确定性和印度洋和西北太平洋海表面温度纬向梯度的改变有关[52]。不同的太平洋变暖可能对东亚夏季风预测的巨大不确定至关重要[13,65]。

图1：观测到的海表面温度（阴影；单位：摄氏度）.降水（等值线；单位mm/d）.以及在GPCP(a)和NCEP-2(b)观测到的东亚季风指数850百帕风场回归（ERA-40和NCEP-2指数）.(c)CMIP3 MME;(d)CMIP5 MME和ERA-40是两个再分析数据，GPCP和CMAP是两个观测降水数据.这些数据的细节可以在参考文献[4]中看到.绿色（紫色）线条表示正（负）降水异常.等值线间隔是0.35mm/d.忽略风速小于0.45m/s的风.红点显示，通过学生的t检验知道回归海表面温度在信度为90%时是明显的。NCEP:国家环境预测中心;ERA-40：欧洲中期天气预报中心45年再分析；GPCP:全球降水气候学项目预测中心；CMAP:气候预测中心合成降水分析。（参考文献〔4〕）

图2：(a)降水(阴影颜色；单位：mm/d和850百帕风场(矢量;单位:m/s)合成平均降水 (b)大火山爆发后的第一个夏天表面空气温度(SAT).(参考文献36)

  1. 区域气候模式的额外价值：高分辨率地区气候变化信息是对于评价气候变化对人类和自然系统的影响的必要。国际协调区域气候降尺度实验(CORDEX)项目是一个多模式类似CMIP，致力于发布有用的地区气候变化信息。关于区域气候模式(RCMs)参与到国际协调区域气候降尺度实验，重点在东亚地区 (hereafter CORDEXEA)，几乎所有都直接由驱动大气环流模式的海表面温度规定(GCMs)[66–68]。这个结果表明，在动力降尺度时，区域海气耦合过程不包括。最近研究表明，与独立区域气候模式相比，包含区域海气耦合的气候模式地区由于气候尺度的变化和年际间变化，不能再改进亚洲夏季风地区降水模拟和环流[69–77]。因此，邹立伟等应用灵活的区域海洋-大区-陆地系统(FROALS)模式到东亚地区国际协调区域降尺度。这个模式被大气环流模式的历史模式和未来气候预测的输出驱动。利用FROALS模式对当今气候模拟验证表明，FROALS模式的性能模拟1981至2005年间中国东部夏季降水气候和年际间变化比的相应独立大气环流模式更好[78]。在RCP8.5模式下预测气候变化，被FROALS模式改变的预测降水的空间模式由于相似的预测环流变化，大体上和那些大尺度大气环流模式驱动的一致。中国东部增强的南风增加了中国南部地区的水汽辐散，加强了中国北部水汽水平对流。然而，大气环流模式显示低层海温增暖异常太强了，在中国南部（或者中部）总雨量和极端降水增强（或减少）之后，中国南海北部会有一个异常气旋[79]。这个结果证明，在区域耦合模式低层海表面大气模式强迫比海温规定的区域环流模式更均衡，这表明在东亚国际协调区域气候降尺度实验，现在和未来气候变化的动力降尺度中区域海气耦合所包含的优势[78,79]。这也表明，区域海气耦合模式对于东亚国际协调区域气候降尺度实验的气候变化动力降尺度是一个重要的工具[78,79]。

图3:预测未来西北太平洋夏季500百帕平均态变化.阴影是位势高度的变化,矢量是风场的变化.风场的变化超过75%以上模型是点画的。副热带高压的边界是通过涡流方程（虚线）的零等值线涡旋重力位高度（实线）表示。二十世纪（蓝线）和二十一世纪 （红线）。历史情境。（参考文献[51]）

7.总结：CMIP5提供了一个支持气候变化和气候变化预测的国际社会基础设施。这个回顾提供了一个东亚-西北太平洋地区的CMIP5模式的增长分析。主要的发现可归结如下：(1).CMIP5模式比CMIP3在模拟东亚-

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