HadGEM 1家族的耦合模式和纯大气模式中水平分辨率的提高对南美洲气候模式的影响外文翻译资料

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HadGEM 1家族的耦合模式和纯大气模式中水平分辨率的提高对南美洲气候模式的影响

Maria de Souza Custodio^1,2 · Rosmeri Porfiacute;rio da Rocha² · Teacute;rcio Ambrizzi² · Pier Luigi Vidale³ · Marie‑Estelle Demory³

(1 Departamento de Fiacute;sica, Universidade Estadual Paulista and Centro de Meteorologia de Bauru (IPMet), Bauru, Satilde;o Paulo, Brazil;

2 Departamento de Ciecirc;ncias Atmosfeacute;ricas, Universidade de Satilde;o Paulo, Satilde;o Paulo, Brazil;

3 Department of Meteorology, National Centre for Atmospheric Science, University of Reading, Reading, UK)

摘要：这项研究讨论了耦合和仅大气的全球气候模式中水平分辨率的提高对南美洲气候模式模拟的影响。我们分析了HadGEM1模型族的模拟，在大气中选取了三种不同的水平分辨率，分别为：N96（在50°N时约135 km），N144（~90 km）和N216（~60 km）；在海洋中选取了两种不同分辨率，分别为1°和1/3°。一般来说，具有最高分辨率（大气中60 km和海洋中1/3°）的耦合模拟在南美洲（SA）上的季节性平均降水，温度和大气环流中的系统误差小于仅大气模式在所有分辨率下的系统误差。耦合模式和纯大气模式都能很好地模拟热带间辐合带(ITCZ)的季节变化、南大西洋辐合带(SACZ)的形成和定位以及副热带大西洋和太平洋高压的空间格局。然而，这些模型高估了降雨量，特别是在ITCZ和智利南部等高海拔地区的西部边界。这种耦合与更高的分辨率相结合，可以产生更真实的降雨空间模式，特别是在大西洋ITCZ和SACZ的大陆分支上。所有模型都能正确模拟南美大部分地区年降水量和气温的相位和幅度。总体结果表明，尽管存在一些问题，但提高HadGEM1模型族的分辨率可以更准确地表示南美洲和邻近海洋的气候模式。

关键词：南美洲；耦合；大气；分辨率

1 介绍

南美洲(SA)是一个纬度伸展很大的大陆，地表地貌多样化，山脉大，位于其西侧的安第斯山脉(Andes)，从60°S延伸到热带。该大陆具有热带、亚热带和温带特征，由于其面积大，受不同时空尺度的各种动力系统的影响，导致其分区的气候制度不同。在决定南美洲（SA）气候的各种系统中，最突出的是南大西洋辐合带(SACZ; Kodama 1992; Satyamurty et al. 1998; Car- valho et al. 2004)，热带间辐合带(ITCZ; Uvo and Nobre 1989; Waliser and Gautier 1993)，中尺度对流系统(MCS; Machado and Ros- sow 1993; Sakamoto et al. 2011)，上层涡旋(Gan and Kousky 1986)，和玻利维亚高压(BH; Gutmann and Schwerdtfeger 1965; Lenters and Cook 1997)。强调厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）现象和海表温度（SST）变化也很重要，这种变化直接影响气候变化，是气候模拟的主要挑战之一(Grimm and Silva Dias 1995; Ambrizzi et al. 1995)。

全球各地都在不断分析气象变量的大规模季节性模式，更真实地反映它们的特征仍然是气候建模的一个挑战。在决定气候多变性并尚未被气候模型很好地模拟的系统中，尽管有明确的季节周期，但会聚带是其中之一。为了理解模型误差，不断地对这些系统进行仿真评估。例如，Custodio等人（2012）和Bombardi以及Carvalho (2009)讨论了作用在SA上的收敛区域在强度、位置和位移方面的误差。此外，耦合气候模式在热带间辐合带的分解（Ma et al. 1996；Yu和Mechoso 1999；Cavalcanti et al. 2002；Biasutti et al. 2006；Silva et al. 2014）以及安第斯高原环流模式和降雨的表征方面存在系统误差。人们普遍认为，全球气候模型需要不断进行评估，以便识别模拟误差并指出改进方向。

从政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4; Solomon et al. 2007）和耦合模型比对项目—第3阶段（CMIP3）开始，对大气环流模型（GCM）进行了改进，并改进了CMIP5的分辨率。气专委第五届会议(IPCC，2013年)表明，同第四届会议相比，这些模型模拟地表温度的能力在许多方面，但并非所有方面都有所提高。与CMIP 3相比，CMIP 5模型还显示年平均降雨量有所改善，模拟和观测之间的全球空间相关性增加。然而，降水在区域尺度上仍然存在很大的误差，由于观测的不确定性，在这种尺度上对其进行评估仍然很困难(Hegerl et al. 2015)。

世界各地气候模拟中心不断测试大气环流模型(GCM)中水平分辨率的提高（例如Shaffrey et al. 2009; Delworth et al. 2012; Kinter et al. 2013; Bacmeister et al. 2014; Mizielinski et al. 2014; Small et al. 2014）。在耦合模式中同时提高大气和海洋分辨率的第一批举措之一是在英国高分辨率全球环境模型(HiGEM)项目(Shaffrey et al.)和英国-日本气候合作(Roberts et al.)内开展的。

根据Roberts等人（2009）的说法，增加HadGEM1模型族的水平分辨率改善了模拟的某些方面，如热带不稳定波及其与热带大气的相互作用。这些作者指出，热带不稳定波与近地面风响应之间的相互作用会影响赤道太平洋的平均状态，从而影响全球平均气候和厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)。在Shaffrey等人（2009）和Roberts等人（2009）的研究中，大气层以更现实的方式对SST中的小尺度结构作出反应的能力是显而易见的。高分辨率的大气模拟显示，许多特征都有了显著的改善，例如热带气旋轨迹的表示和降水的空间分布，特别是在地形影响很重要的地方(Pope and Stratton 2002; Jung et al. 2006, 2012; Manganello et al. 2012; Kopparla et al. 2013; Van Haren et al. 2015)。对于海洋而言，分辨率会影响海洋漩涡的表现，从而可以改善风向，环流和西风流（起源于西方；Shaffrey et al. 2009）。

在南美洲，由于大气环流模型(GCM)与海表温度(SST)异常有很强的联系，GCM显示出一定的季节性降水预报能力，尤其是在巴西东北部(Nobre et al. 2001; Moura and Hastenrath 2004)。耦合GCM描述了南美洲降雨模拟中的主要问题，特别是南大西洋辐合带(SACZ)的强度，位置和季节演变，以及该大陆主要盆地季节平均降水的精确量化(Vera et al. 2006)。例如，CMIP3 GCM不会再现在寒冷季节期间在SA东南部（SESA）观测到的降雨量最大值(Vera et al. 2006; Seth et al. 2010)。根据Cavalcanti等人（2002）的说法，全球模式CPTEC-COLA低估(高估)了辐合带热带(亚热带)区域的降雨量。另一方面，这一模式高估了安第斯山脉和巴西东北部的降水量，而南美洲大陆的内陆地区，包括亚马逊盆地，则出现了大量降雨不足的现象。

尽管物理表述略有不同，利用Custodio等人（2012）的方法，对南美洲上方具有较精细水平网格(大气中135公里和90公里)的HadGEM 1家族的耦合模型进行了分析，并指出了ITCZ和太平洋和大西洋副热带高压的迁移和定位方面有所改善。此外，这些模型再现了SACZ井的位置和季节演变，表明与较粗的水平分辨率模型相比有了显著的改进(Vera et al. 2006; Seth et al. 2010)。相比之下，由Nobre等人（2013）分析得，由CPTEC / INPE开发的具有中间水平网格（大气中1.875°）的巴西气候模型（BESM-OA2.3），出现了与其他耦合模型类似的错误，例如向南移位的双重热带间辐合带(ITCZ)和几乎不存在的南太平洋辐合区（SPCZ）。此外，BESM-OA2.3模拟了海洋上的过量降雨和整个大陆，特别是在亚马逊河流域的亏空。

本研究的目的是评估全球耦合模式和纯大气模式中水平分辨率对SA气候学的影响。在HadGEM 1模型族中，采用不同的水平网格间距：在大气中为N96（在50°N时约135 km），N144（在50°N时约90 km），N216（在50°N时约60 km）；在海洋中全局选取1°（在赤道处逐渐增加到1/3°）和1/3°。这里讨论了两个重要方面：(1)该模式中水平分辨率的提高是否会影响南美洲的模拟气候；(2)海表温度对这一气候学的影响是什么？

表1 HadGEM家族的全球气候模式的配置和以后用于指每一个模拟的术语

2 材料与方法

2.1 模型

本文所描述的模型描述了一个基于英国气象局Hadley中心全球环境模型版本1 HadGEM 1 (Johns et al. 2006; Martin et al. 2006; Ringer et al. 2006)的通用模型，是一个完全耦合的大气—海洋GCM。HadGEM 1，在这里被称为HadGEM，是为IPCC AR4开发的，其水平网格间距为大气中的1.25°纬度times;1.875°经度(N96)和海洋中的1°times;1°(在赤道经向增加到1/3°；表1)。从HadGEM出发，在自然环境研究委员会(NERC)和气象局哈德利中心(MET Office Hadley Centre)合作开发的高分辨率建模方案的背景下，开发了两种高分辨率配置：(1)在英国高分辨率全球环境模拟项目下开发的HiGEM，大气分辨率为0.83°纬度times;1.25°经度 (N 144)，海洋分辨率为1/3 times;1/3°(Shaffrey et al. 2009)；(2)NUGEM是在英国—日本气候合作的背景下发展起来的，其分辨率在大气中为0.55°纬度times; 0.83°经度（N216），在海洋中为1/3 * 1/3°(Roberts et al. 2009)。HiGEM和NUGEM是基于对“母体”结构HadGEM的动力核心进行的一些小修改而开发的，这些修改对于提高海洋和大气中的分辨率是必要的，例如时间步长(Roberts et al. 2009; Demory et al. 2014)，但它们具有相同的物理参数，可以对分辨率的影响进行清晰的比较。

HadGEM的大气成分具有半拉格朗日输运的非静水动力学核心，其中方程在Arakawa C网格上离散化。此外，该模型还包括气溶胶的迭代方案。边界层和对流方案的参数化实际上与HadCM3中使用的参数化相同（Pope et al. 2000）。HadGEM有38个垂直层，模型的顶部设置在39公里，因此平流层没有完全解决。HadGEM使用了英国气象局地面交换计划的第二个版本(MOSES-II; Cox et al. 1999; Martin et al

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