IPCC模式对印太暖池模拟的研究

【摘要】：众所周知,印度洋-西太平洋暖池在全球气候系统中起着十分重要的作用,是整个地球气候系统的热动力引擎。同时印太暖池所包含的巨大热容量,也大大影响着亚洲和太平洋区域的气候变化和自然灾害。关于暖池在全球气候模式中的模拟,已有的研究结果发现冷舌过度西伸是耦合模式的一个主要缺陷,但是以往研究局限于几个耦合模式,没有人精确地分析暖池的模拟情况,系统的分析很多模式甚至是同一个模式不同实验的暖池模拟情况。 本文系统分析了19个没有进行海表热通量调整的IPCC模式以及每一个模式所包含的子实验的20世纪模拟情况,研究发现模式在暖池热力状况模拟方面存在以下系统误差:冷舌过度西伸,西太暖池局限于赤道附近,印度洋暖池向南偏移。大部分模式模拟的暖池又小又热。并且模式低估了20世纪后50年在全球变暖背景下的暖池面积扩大和暖池增暖。模式在最高海温的制约上表现出了明显缺陷,模式模拟的最高海温气候态值偏高,最高海温增暖趋势过强,该特征突出表现在东印度洋暖池的最高海温模拟中,这归因于印太暖池的最高海温模拟过多地分布在印度洋,而非观测中的西太平洋。同时冷舌过度西伸也是造成西太平洋暖池面积模拟过小,进而导致印太暖池面积模拟过小的主要原因。模式对整个热带海洋SST分布的模拟呈现出最高海温制约差,最大分布海温偏低的特性。 模式对暖池地区的降水的模拟存在以下系统误差:19个没有热通量调整的IPCC模式都高估了暖池地区的降水,并且模拟出了减少的降水趋势,与观测结果相反。双ITCZ问题在IPCC耦合模式里依然普遍存在。模式里热带中东太平洋地区降水与海温的非线性关系与观测差别较大,降水异常对SST异常响应弱于观测,其中降水异常对SST暖异常的响应偏弱的特征更为明显。 大部分模式都高估了暖池地区的潜热释放,低估了暖池地区的净短波辐射,因此低估了暖池地区的净热通量;大部分模式都大大低估了20世纪后50年暖池地区潜热释放的增长,因而大大低估了20世纪后50年暖池地区的净热通量的减少。耦合模式模拟的暖池平均海温过高,海温与潜热通量的反馈过强是导致耦合模式模拟的潜热释放偏高的主要原因,这种过高的海温模拟弥补了短波辐射对海温反馈不足的缺陷,导致了暖池地区净短波辐射模拟不足。低估的海温增暖趋势也导致了低估的潜热释放增长。暖池地区的热量收支被动反馈于暖池的背景海温模拟。 通过对ENSO统计特征的分析,发现模式在ENSO模拟方面存在以下误差:大部分IPCC模式模拟的ENSO活动强度过强而ENSO的不对称性很弱。大部分IPCC模式都不能捕捉到20世纪后30年ENSO活动强度显著增强的趋势。甚至大部分IPCC模式模拟的ENSO不对称性在整个20世纪是减弱的,这与观测是相反的。以上发现让我们提出这样的猜测:模式里ENSO的不对称性太弱,导致模式模拟的ENSO对暖池背景海温的调控过弱,即El Ni?o的剩余效应过弱,从而导致了暖池过小过热的模拟偏差。 基于NCAR PBM的相关敏感性实验的结果表明,模式里的ENSO的热搅拌机的效应偏弱可能会导致冷舌强化问题或者较暖的热带西太平洋,同时也会导致较弱的次表层海温增暖。而FOAM敏感性实验的结果表明,比较好的模式暖池模拟,可以导致增强的ENSO活动强度(冷暖事件强度都增强)和增强的ENSO非对称性。但是仅仅采用暖池辐射参数化方案,并不能根本性解决同样存在于FOAM模式里的ENSO模拟误差。并且暖池热通量加热实验会导致FOAM模式对暖池和ENSO非对称性的模拟变差。暖池作为背景海温对ENSO活动强度和ENSO非对称性的贡献是需要继续探讨的问题。 此外,如何改善耦合模式模拟的ENSO非对称性问题的研究工作正在进行当中。其他影响暖池模拟误差的机制,如海洋环流模拟误差、季风模拟误差对暖池模拟误差的贡献是需要继续探明的因素。 此外,ENSO活动模拟越强的IPCC模式对应的暖池面积模拟似乎也越大。暖池背景海温与ENSO活动的相互关系仍需要进一步的深入研究。 【关键词】：暖池 IPCC模式 ENSO非对称性
【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】：P731.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 引言14-15
• 1.2 IPCC 气候模式15
• 1.3 印太暖池研究综述15-19
• 1.3.1 印太暖池简介15-16
• 1.3.2 印太暖池成因16-17
• 1.3.3 暖池在全球气候系统中的重要性17-18
• 1.3.4 暖池在区域气候系统中的重要性18-19
• 1.4 主要科学问题和创新之处19-20
• 本章附图20-28
• 第二章 IPCC 模式对暖池气候要素的20 世纪模拟28-84
• 2.1 引言28-29
• 2.2 资料和方法介绍29-32
• 2.2.1 资料介绍29-31
• 2.2.2 方法介绍31-32
• 2.3 IPCC 模式对暖池热力状况的20 世纪模拟32-41
• 2.3.1 热带海洋整体SST 分布的模拟32-34
• 2.3.2 印太暖池热力状况的年际变化模拟34-37
• 2.3.2.1 印太暖池面积和平均海温的模拟35-36
• 2.3.2.2 印太暖池最高海温的模拟36
• 2.3.2.3 描述暖池热力状况的各指数之间的关系36-37
• 2.3.2.4 小结37
• 2.3.3 印度洋暖池热力状况的年际变化模拟37-38
• 2.3.4 西太平洋暖池热力状况的年际变化模拟38-39
• 2.3.5 暖池热力状况的季节变化模拟39-40
• 2.3.6 小结40-41
• 2.4 IPCC 模式对热带降水的20 世纪模拟41-43
• 2.4.1 IPCC 模式对暖池降水的20 世纪模拟41
• 2.4.2 热带降水与SST 的关系41-43
• 2.5 IPCC 模式对暖池地区热量收支的20 世纪模拟43-47
• 2.5.1 暖池平均潜热释放的模拟45
• 2.5.2 暖池平均净短波辐射的模拟45-46
• 2.5.3 暖池平均净热通量的模拟46
• 2.5.4 暖池热量收支与暖池热力状况模拟的关系46-47
• 2.5.5 讨论和结论47
• 2.6 结论47-49
• 本章附图49-84
• 第三章 IPCC 模式对 ENSO 的20 世纪模拟84-97
• 3.1 ENSO 简介84-88
• 3.1.1 ENSO 基本现象84
• 3.1.2 ENSO 机制84-86
• 3.1.2.1 ENSO 的正反馈机制84-85
• 3.1.2.2 ENSO 的负反馈机制85-86
• 3.1.3 ENSO 对气候的影响86-88
• 3.1.3.1 ENSO 对全球气候的影响86-87
• 3.1.3.2 ENSO 对我国气候的影响87-88
• 3.2 ENSO 的不对称性及其机制88-89
• 3.3 模式对ENSO 的20 世纪模拟89
• 3.4 模式对ENSO 不对称性的20 世纪模拟89-90
• 3.5 模式模拟的ENSO 的不对称性和ENSO 活动强度的关系90
• 3.6 ENSO 模拟与暖池热力状况模拟之间的关系90-91
• 3.7 结论91-92
• 本章附图92-97
• 第四章 ENSO 模拟差异对暖池模拟差异的可能影响97-108
• 4.1 前言97
• 4.2 可能的物理机制97-98
• 4.3 数值模式实验98-101
• 4.3.1 PBM 模式和实验介绍98-100
• 4.3.2 PBM 模式实验结果100-101
• 4.3.2.1 观测风场强迫实验结果100
• 4.3.2.2 耦合模式CCSM3 风场强迫实验结果100-101
• 4.3.2.3 大气模式CAM3 和CAM2 风场强迫实验结果101
• 4.4 结论101-103
• 本章附图103-108
• 第五章 暖池模拟差异与 ENSO 模拟差异之间的关系108-121
• 5.1 前言108-109
• 5.2 FOAM 模式和实验方法介绍109-111
• 5.2.1 FOAM 简介109-110
• 5.2.2 实验设计110-111
• 5.2.3 方法介绍111
• 5.3 实验结果111-114
• 5.3.1 FOAM RADOE 实验结果111-113
• 5.3.1.1 FOAM RADOE 对暖池的模拟111-112
• 5.3.1.2 FOAM RADOE 对ENSO 的模拟112
• 5.3.1.3 FOAM RADOE 对ENSO 的不对称性的模拟112-113
• 5.3.2 FOAM FLUX_WP 实验结果113-114
• 5.3.2.1 FOAM FLUX_WP 对暖池的模拟113
• 5.3.2.2 FOAM FLUX_WP 对ENSO 的模拟113
• 5.3.2.3 FOAM FLUX_WP 对ENSO 的不对称性的模拟113-114
• 5.4 结论114-115
• 本章附图115-121
• 第六章 全文总结与讨论121-126
• 6.1 本文主要结论121-125
• 6.2 讨论和展望125-126
• 附录126-129
• 参考文献129-138
• 致谢138-139
• 个人简历139
• 发表的学术论文139

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