余錦華，趙曉彤，陳成

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

論IPCC－AR4模式對(duì)影響西北太平洋熱帶氣旋的大氣動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)的氣候特征模擬性能

余錦華1，趙曉彤1，陳成1

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

評(píng)估了23個(gè)IPCC-AR4模式在低緯地區(qū)1948—1999年7—9月大尺度環(huán)流場(chǎng)的模擬性能，重點(diǎn)關(guān)注西北太平洋區(qū)域的西太副高、季風(fēng)槽以及臺(tái)風(fēng)活動(dòng)海域的垂直風(fēng)切變。結(jié)果顯示，絕大多數(shù)模式的7—9月低緯地區(qū)500 hPa平均高度場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)空間分布與NCEP都具有很高的相似性，但大多模式500 hPa高度場(chǎng)存在系統(tǒng)性偏低，而850 hPa風(fēng)場(chǎng)偏強(qiáng)。所有模式模擬的西北太平洋副高脊線與NCEP都有一致的西南-東北走向，但有些模式的脊線位置偏離NCEP的較遠(yuǎn)。有4個(gè)模式?jīng)]有模擬出類(lèi)似于NCEP的季風(fēng)槽線。綜合模式對(duì)夏季熱帶環(huán)流場(chǎng)、西北太平洋副熱帶高壓、季風(fēng)槽以及西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域垂直風(fēng)切變氣候特征的模擬性能，按性能優(yōu)劣，排在前10的模式依次是mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a；排在后6位的模式是inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_ cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。

IPCC-AR4模式；西北太平洋熱帶氣旋；動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)；模擬評(píng)估

1 引言

大氣環(huán)流場(chǎng)是直接影響熱帶氣旋（TC）活動(dòng)的局地動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)，夏季影響西北太平洋地區(qū)天氣氣候的環(huán)流系統(tǒng)主要有西北太平洋副熱帶高壓和季風(fēng)環(huán)流，它們是熱帶氣旋孕育、移動(dòng)和發(fā)展的大尺度環(huán)流背景。西北太平洋副熱帶高壓的位置、面積、強(qiáng)弱等除了通過(guò)引導(dǎo)氣流影響TC的路徑外［1-2］，副高與熱帶氣旋的相互作用對(duì)TC生成位置、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等也產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊懀?-4］。模式對(duì)熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性很大一部分取決于模式對(duì)副熱帶高壓的預(yù)報(bào)精度。因此副熱帶高壓的模擬性能是評(píng)價(jià)IPCC-AR4模式對(duì)TC大尺度環(huán)境動(dòng)力控制因子模擬的一個(gè)重要方面。研究認(rèn)為，西北太平洋有73%左右的TC生成于季風(fēng)槽中［5］，季風(fēng)槽位置的變化直接影響到熱帶氣旋的生成位置［6］，進(jìn)而影響TC的生命史、強(qiáng)度和耗散能量（ACE），季風(fēng)槽軸走向與熱帶氣旋路徑類(lèi)型具有密切的關(guān)系［7-8］。因此，西北太平洋海盆，IPCC -AR4模式模擬的季風(fēng)槽是需要重點(diǎn)考察的天氣系統(tǒng)。

大量研究表明環(huán)境垂直風(fēng)切變是影響TC生成、強(qiáng)度變化及結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要?jiǎng)恿刂埔蜃?。?qiáng)的垂直風(fēng)切變形成一波非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，阻礙TC深對(duì)流的軸對(duì)稱(chēng)化，并使TC不易形成暖心結(jié)構(gòu)，從而不利于TC的形成和發(fā)展［9-11］。因此環(huán)境垂直風(fēng)切變的模擬性能也是評(píng)價(jià)IPCC-AR4模式對(duì)影響TC活動(dòng)的大尺度大氣環(huán)流模擬性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

IPCC-AR4模式對(duì)大氣環(huán)流的模擬性能評(píng)估已做了很多研究工作［12-16］，但由于評(píng)估的著眼點(diǎn)不同，各模式的模擬性能必定存在差異。迄今為止，從控制熱帶氣旋活動(dòng)的大氣環(huán)流特征角度評(píng)估IPCC -AR4模式的模擬性能還未見(jiàn)有結(jié)果給出。未來(lái)全球變暖背景下，TC生成頻數(shù)是增加還是減少、TC強(qiáng)度、路徑具有怎樣的變化特征等，都是關(guān)注的重點(diǎn)，也是目前國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)界研究的熱點(diǎn)。由IPCCAR4不同模式對(duì)未來(lái)大尺度環(huán)境場(chǎng)的情景預(yù)測(cè)是TC活動(dòng)對(duì)全球增暖響應(yīng)研究的一個(gè)重要資料來(lái)源［17］。全球模式具有很多的不確定性，這種不確定性會(huì)通過(guò)降尺度途徑產(chǎn)生TC活動(dòng)的不確定性。我們已經(jīng)評(píng)估IPCC-AR4模式對(duì)熱帶地區(qū)海表溫度（SST）的模擬性能［18］，在選取下墊面SST強(qiáng)迫時(shí)，已知道該優(yōu)先選取哪些模式。本文作為系列的第二部分，從夏季低緯環(huán)流特征、西北太平洋副熱帶高壓、季風(fēng)槽以及垂直風(fēng)切變等方面就23個(gè)IPCCAR4模式對(duì)影響西北太平洋TC活動(dòng)的大氣環(huán)流場(chǎng)的模擬性能進(jìn)行客觀評(píng)估，給出模擬性能好的模式以及模式集成應(yīng)當(dāng)剔除的模式。研究成果可以在西北太平洋TC活動(dòng)的情景研究中，為挑選IPCCAR4大氣環(huán)流模式提供參考。

2 模式、資料及方法簡(jiǎn)介

本文從PCMDI（the Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison）資料集網(wǎng)（http：／／www-pcmdi.llnl.gov／）下載了由IPCC-AR4收集的控制試驗(yàn)（20c3m）23個(gè)海氣耦合模式（表1）中的大氣環(huán)流場(chǎng)，主要包括各等壓面高度場(chǎng)、緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)。用500 hPa位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)來(lái)描述副熱帶高壓特征，垂直風(fēng)切變按常規(guī)做法用200 hPa減去850 hPa風(fēng)場(chǎng)得到。用850 hPa高度上，一定區(qū)域的緯向西風(fēng)與東風(fēng)交界處作為季風(fēng)槽的位置。

表1 23個(gè)IPCC－AR4模式夏季（7—9月）500 hPa高度場(chǎng)（0°～40°N，0°E～180°～0°W）及850 hPa風(fēng)場(chǎng)（20°S～40°N，0°E～180°～0°W）與NCEP／NCAR氣候態(tài)的相似系數(shù)和均方根誤差

續(xù)表1

模式驗(yàn)正資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）再分析資料各等壓面的位勢(shì)高度和環(huán)流場(chǎng)，時(shí)間為1948—1999年，其空間分辨率為2.5°×2.5°。

場(chǎng)評(píng)估最常用的方法是比較空間相似系數(shù)和場(chǎng)的均方根誤差?？臻g相似系數(shù)和均方根誤差的計(jì)算公式如下：

式中，xi，yi為兩個(gè)物理量場(chǎng)在第i格點(diǎn)的值，n為格點(diǎn)數(shù)。r描述了兩個(gè)場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)相似程度，等于1說(shuō)明兩場(chǎng)的分布完全相同。但是分布完全一致并不能表示同一格點(diǎn)的值完全相同，有時(shí)甚至?xí)町惡艽?，?dāng)某一物理量場(chǎng)系統(tǒng)性偏低或偏高于另一場(chǎng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。均方根誤差則描述了兩個(gè)場(chǎng)對(duì)應(yīng)格點(diǎn)上數(shù)值相差大小的平均，物理量的分布及格點(diǎn)數(shù)值的差異對(duì)它都有影響，該值越小，則說(shuō)明兩物理量場(chǎng)的空間分布相似，而且對(duì)應(yīng)格點(diǎn)上的值相近，該值為零，表示兩場(chǎng)完全相同。因此，均方根誤差也是一個(gè)描述兩個(gè)場(chǎng)之間差異大小的重要指標(biāo)。在以下的模式評(píng)估中，主要基于這兩個(gè)參數(shù)（對(duì)于曲線，則用相關(guān)系數(shù)及均方根誤差兩個(gè)指標(biāo)）來(lái)給各模式模擬性能評(píng)分，分?jǐn)?shù)從空間相似系數(shù)的最大到最小，高分到低分依次排序；均方根誤差從最小到最大，高分到低分依次排序。最后對(duì)各評(píng)估項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)進(jìn)行等權(quán)重平均，從高到低給模式排序，得分高者，模式模擬性能較好，反之則相對(duì)較差。

3 熱帶環(huán)流氣候平均場(chǎng)的對(duì)比

氣候場(chǎng)的模擬性能是評(píng)估模式模擬優(yōu)劣的基礎(chǔ)?？紤]到西北太平洋臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在北半球低緯地區(qū)的夏季月份，因此，主要比較北半球低緯地區(qū)（0°～40°N）7—9月的環(huán)流模擬情況。大多數(shù)模式500 hPa氣候高度場(chǎng)與NCEP／NCAR（后面簡(jiǎn)稱(chēng)NCEP）的空間相似系數(shù)較大（表1第2列），表明它們平均高度場(chǎng)的空間分布與NCEP都相近，只有模式giss_er和giss _eh與NCEP的相似系數(shù)很小，圖1a為giss_eh與NCEP／NCAR的差值場(chǎng)，可見(jiàn)，giss_eh與NCEP高度場(chǎng)相差較大的區(qū)域主要位于陸地上，在歐亞大陸前者比后者要大100～250位勢(shì)米，而在海盆里，它們的高度場(chǎng)比后者偏小60位勢(shì)米以下。giss_er與NCEP的500 h Pa高度差值場(chǎng)與圖1a的很相似（圖略）。均方根誤差最大的模式是ipsl_cm4，為156位勢(shì)米（表1第2列），其差值場(chǎng)表現(xiàn)為一致性偏低（見(jiàn)圖1b），相似系數(shù)也偏小，只有0.6。此外模式csiro_ mk3_5、ncar_ccsm3_0的均方根誤差大于50位勢(shì)米，這兩個(gè)模式的位勢(shì)高度氣候值在各區(qū)域普遍高于NCEP（圖略）。如果將所有模式集成，得到氣候場(chǎng)的相似系數(shù)為0.907，均方根誤差為12.4位勢(shì)米；如將giss_eh、giss_er和ipsl_cm4剔除，其余模式集成后的氣候場(chǎng)與NCEP的空間相似系數(shù)為0.95，均方根誤差為6.9位勢(shì)米，即空間相似系數(shù)提高了0.05，均方根誤差減小了近50%，由此可見(jiàn)，從北半球低緯地區(qū)位勢(shì)高度場(chǎng)的模擬性能來(lái)看，剔除giss_eh、giss_er和ipsl_cm43個(gè)模式后，剩余20個(gè)模式的集成與NCEP更為接近。

圖1 1948—1999年7—9月平均500 hPa高度場(chǎng)之差場(chǎng)（位勢(shì)米）a.giss_eh-NCEP，b.ipsl_cm4-NCEP

圖2 ncar_pcm1 1948—1999年7—9月平均850 hPa全風(fēng)速場(chǎng)、緯向風(fēng)速及經(jīng)向風(fēng)速與NCEP的差場(chǎng)（m／s）a.全風(fēng)速，b.緯向風(fēng)速，c.經(jīng)向風(fēng)速

夏季南半球越赤道氣流對(duì)北半球的天氣氣候具有重要影響，以下重點(diǎn)考察模式對(duì)20°S～40°N 850 h Pa 7—9月的風(fēng)場(chǎng)模擬性能。由表1第3列可見(jiàn)，20°S～40°N 850 hPa 7—9月全風(fēng)速氣候場(chǎng)與NCEP的空間相似系數(shù)在0.7以下的有7個(gè)模式，其中最小的是ncar_pcm1（0.56），其次為giss_eh（0.573）。均方根誤差最大的模式是miroc3_2_ medres，為2.77 m／s，其次是模式iap_fgoals1_0_g（2.56 m／s），這兩個(gè)模式的空間相似系數(shù)位居倒數(shù)第3、第4（0.607，0.608）。模式ncar_pcm1與NCEP的差值場(chǎng)（見(jiàn)圖2a）表現(xiàn)為太平洋西部和東側(cè)為正值，特別是西部的正值中心在10 m／s以上，太平洋中部的負(fù)值中心達(dá)-6 m／s。進(jìn)一步比較該模式的緯向風(fēng)及經(jīng)向風(fēng)與NCEP的差場(chǎng)（見(jiàn)圖2b、c），顯示北太平洋地區(qū)誤差的貢獻(xiàn)主要來(lái)自緯向風(fēng)場(chǎng)，東亞沿岸主要來(lái)自經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)，其他區(qū)域緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的貢獻(xiàn)相當(dāng)，另一重要特征是孟加拉灣、南海地區(qū)的西風(fēng)、南風(fēng)減弱；赤道印度洋、太平洋越赤道氣流增強(qiáng)。該模式整個(gè)場(chǎng)的平均風(fēng)速偏低于NCEP（圖3）。giss_eh與NCEP的全風(fēng)速差場(chǎng)和圖2a的相似，只是在太平洋的正值偏小，而在印度洋負(fù)值的數(shù)值偏大一些（圖略）。模式miroc3_2_medres及iap_fgoals1_0_g與NCEP的氣候差場(chǎng)以負(fù)值為主（圖略）。平均的時(shí)間序列顯示（圖3），大多數(shù)模式的全風(fēng)速系統(tǒng)性偏差大于NCEP。模式iap_fgoals1_0_g，miroc3_2_medres的空間相似系數(shù)偏小、均方根誤差大的原因是自20世紀(jì)50年代后期模擬的風(fēng)速出現(xiàn)了異常情況，iap _fgoals1_0_g的風(fēng)速在0.32～2.5 m／s間出現(xiàn)高頻振蕩，miroc3_2_medres的風(fēng)速則出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，直降到1990年的0.63 m／s，之后維持一低值水平（0.7～1.0 m／s）?？傦L(fēng)速的變化，主要是由緯向風(fēng)速的異常變化造成的，即iap_fgoals1_0_g的平均緯向風(fēng)在20世紀(jì)50年代后期之前變化于-2～-3 m／s，之后在0～-2.5 m／s高頻振蕩（圖略），振蕩頻率與全風(fēng)速一致；模式miroc3_2_medres的緯向東風(fēng)從50年代開(kāi)始減弱，直到零，再增加到0.7 m／s左右。

圖3 NCEP／NCAR及模式在20°S～40°N、7—9月850 hPa平均全風(fēng)速的時(shí)間演變序列

所有模式集成與NCEP氣候風(fēng)場(chǎng)的空間相似系數(shù)為0.851，均方根誤差是2.17 m／s。將上述miroc3 _2_medres、iap_fgoals1_0_g、ncar_pcm1和giss_eh 4個(gè)模式剔除，余下19個(gè)模式合成后與NCEP氣候風(fēng)場(chǎng)的空間相似系數(shù)為0.859，均方根誤差是2.44 m／s。如將表1第3列中的相似系數(shù)在0.7以下，均方根誤差也排在前7的7個(gè)模式剔除，剩下16個(gè)模式的集成與NCEP氣候風(fēng)場(chǎng)的空間相似系數(shù)也為0.859，均方根誤差反而增大到2.57 m／s?？梢?jiàn)，集成模式似乎不能從風(fēng)場(chǎng)的角度來(lái)考慮。因?yàn)轱L(fēng)為矢量，評(píng)估時(shí)只考慮到其大小，沒(méi)有考慮其方向，模式集成時(shí)又需要考慮到方向性。由表1可見(jiàn)，第2列全風(fēng)速的相似系數(shù)和均方根誤差并不是第3至第5列緯向u風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)向v風(fēng)場(chǎng)的平均。大多模式u、v風(fēng)場(chǎng)各自的相似系數(shù)都大于全風(fēng)速。

4 西北太平洋副熱帶高壓模擬性能對(duì)比

4.1 西北太平洋副熱帶高壓指數(shù)

國(guó)家氣候中心定義了一系列指標(biāo)，包括強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)、脊線位置、西界位置、北界位置等，來(lái)表征西北太平洋副熱帶高壓特征。如副熱帶高壓位置在南北方向，以副高脊線所在緯度的平均值代表，東西方向以588線西伸端點(diǎn)所在經(jīng)度代表，副熱帶高壓面積指數(shù)常用588線所圍的面積表示。這些指標(biāo)的給出是基于高空探測(cè)資料，與用NCEP再分析資料得到的有些區(qū)別。這些描述副熱帶高壓特征的指數(shù)可以分為兩類(lèi)，一是與位勢(shì)高度的氣候平均值有關(guān)，如強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)，另一類(lèi)是與位勢(shì)高度的氣候平均值無(wú)關(guān)，而與其梯度有關(guān)，如用東、西向風(fēng)速為零描述的脊線位置、關(guān)鍵區(qū)的相對(duì)渦度等。以下主要通過(guò)脊線位置、副高強(qiáng)度及面積指數(shù)的氣候特征來(lái)評(píng)估模式對(duì)副熱帶高壓的模擬性能。

圖4 NCEP和IPCC-AR4 23個(gè)模式（a）及模式集成（b）在10°～40°N 120°E～180°、每間隔2經(jīng)度對(duì)應(yīng)的500 hPa高度上平均緯向風(fēng)速為零的連線（脊線氣候位置）

4.2 西北太平洋副熱帶高壓的模擬評(píng)估

4.2.1 西北太平洋副熱帶高壓脊線的模擬評(píng)估

副熱帶高壓脊線描述了副熱帶高壓的南北位置，其走向還反映了副熱帶高壓的形態(tài)。以500 hPa等壓面上，10°～40°N，120°E～180°區(qū)域東、西向風(fēng)速為零的連線來(lái)描述西北太平洋副熱帶高壓脊線位置。每間隔2°經(jīng)度（共31個(gè)經(jīng)度）每一經(jīng)度上脊線位置的時(shí)間平均來(lái)描述該經(jīng)度上副高脊線的平均南北位置，自西向東各經(jīng)度上脊線點(diǎn)的連線反映了副高脊線的走向，將所有經(jīng)度上脊線位置的再次平均描述了模式模擬的1948—1999年平均副高脊線南北指數(shù)（副高脊線的氣候值）的大小。將23個(gè)模式副高脊線的氣候值（表2第2列）與NCEP的相減，得到表2第3列，可見(jiàn)，與NCEP相比，脊線偏北的模式有9個(gè)，偏南的有14個(gè)。有5個(gè)模式的脊線位置與NCEP的靠近，按均方根誤差由小到大，排在前10的模式依次是gfdl_cm2_1、csiro_mk3_5、bccr_cm2、ingv_echam4、cccma_t67、cnrm_cm3、iap_fgoals1_0_g、ukmo_hadgem1、mpi_echam5和gfdl_cm2_0。有7個(gè)模式均方根誤差在3°以上，其中偏差最大的模式是giss_er（6.69°），其后依次是ipsl_cm4（5.19°）、ukmo_hadcm3（4.63°）、ncar_pcm1（4.14°）、miroc3_2_hires（3.77°）、miroc3_2_medre（3.57°）和inmcm3_0（3.1°）。這7個(gè)模式中除了ncar_pcm1偏向于NCEP以北外，其余的脊線位置都偏南。絕大多數(shù)模式副高脊線走向與NCEP的比較一致，都為西南—東北走向（圖4a），與NCEP的相關(guān)都很高（表2第4列）。除了giss_er模式外，它的脊線走向與NCEP的相關(guān)不顯著，其脊線平均偏南NCEP 6.42°，是偏差最大的。由圖4a可見(jiàn)，該模式在同一經(jīng)線上的脊線位置都明顯偏南于NCEP，相關(guān)很小的原因是120°～126°E和160°～170°E區(qū)間脊線走向與NCEP的相反。

表2 IPCC－AR4 23個(gè)模式7—9月西北太平洋脊線（10°～40°N、120°～180°E，500 hPa風(fēng)速U為零的連線）平均緯度（NCEP的風(fēng)速U為零的緯度位置平均為27.77°N，均方差1.6）及其與NCEP的差、序列相關(guān)、均方根誤差

如果將所有模式合成，則脊線位置（圖4b正方形連線）偏離于NCEP南側(cè)1.29°。去除偏南最大的3個(gè)模式giss_er，ipsl_cm4和ukmo_hadcm3，剩下20個(gè)模式合成的脊線位置（見(jiàn)圖4b三角形連線）平均誤差是0.52°，脊線位置及走向與NCEP最接近（對(duì)比圖4b三角形連線與菱形連線）。如將另兩個(gè)偏南的模式miroc3_2_hires和miroc3_2_medres也去除，剩余模式合成的脊線位置（見(jiàn)圖4b×連線）與NCEP平均相差0.47°，雖有改進(jìn)，但效果不明顯。因此，對(duì)于西太平洋副熱帶高壓脊線的模擬，至少剔除giss_er、ipsl_cm4和ukmo_hadcm3這3個(gè)模式。而前兩個(gè)模式也是在熱帶環(huán)流場(chǎng)評(píng)估中要剔除的模式。

4.2.2 西北太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度及面積的模擬性能

用10°～40°N，120°E～180°7—9月平均584線所圍區(qū)域內(nèi)平均格點(diǎn)位勢(shì)高度及格點(diǎn)數(shù)分別描述西北太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度和面積。NCEP的西北太平洋副高強(qiáng)度為5 865位勢(shì)米、面積為427個(gè)格點(diǎn)。由表3可見(jiàn)，模式ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a，由于西北太平洋地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度系統(tǒng)性偏低于NCEP太大，以至于沒(méi)有出現(xiàn)584位勢(shì)什米等值線。剩下21個(gè)模式中，有13個(gè)模式的副高強(qiáng)度弱于NCEP，偏弱最大的模式是inmcm3_0為-25位勢(shì)米；有8個(gè)模式的副高強(qiáng)度強(qiáng)于NCEP，偏強(qiáng)最大的模式是ingv_ echam4為55位勢(shì)米。有15個(gè)模式的副高面積小于NCEP，而且偏小300格點(diǎn)以上的模式有4個(gè)，以inmcm3_0偏少417格點(diǎn)為最；在副高面積偏大的6個(gè)模式中，最大的是ingv_echam4為64個(gè)格點(diǎn)。

表3 IPCC－AR4 23個(gè)模式1948—1999年7—9月平均西北太平洋副高強(qiáng)度和面積（NCEP的強(qiáng)度及面積分別為5 865位勢(shì)米，427格點(diǎn)）及其與NCEP差值。西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)海域（10°～26°N，110°～170°E）7—9月垂直風(fēng)切變的空間相似系數(shù)

將所有模式集成后的平均副高強(qiáng)度為5 873位勢(shì)米，面積平均為280格點(diǎn)。與NCEP相比，副高強(qiáng)度強(qiáng)8位勢(shì)米，但副高面積偏小147格點(diǎn)。將ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a剔除，剩余21個(gè)模式集成后的平均副高強(qiáng)度為5873位勢(shì)米，面積平均為307格點(diǎn)；把副高面積偏小最大的模式inmcm3_0從集成中剔除，得到副高強(qiáng)度為5 873位勢(shì)米，面積為322格點(diǎn)；再將副高面積偏小超350格點(diǎn)的模式bccr_cm2和giss_eh剔除，得到集成后的副高強(qiáng)度為5 874位勢(shì)米，副高面積為351格點(diǎn)?？梢?jiàn)，從氣候平均西北太平洋副高強(qiáng)度和面積的角度，剔除ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、inmcm3_05、bccr_cm2和giss_eh 5個(gè)模式是比較合適的。

圖5 NCEP和IPCC-AR4 23個(gè)模式每個(gè)模式（a）及模式集成（b）在0°～25°N、120°～150°E每間隔2經(jīng)度對(duì)應(yīng)的1948—1999年7—9月850 hPa平均緯向風(fēng)速為零的連線（季風(fēng)槽氣候位置）

5 季風(fēng)槽模擬性能對(duì)比

基于前人的很多研究［5—8］，本文以1948—1999年7—9月的0°～25°N，120°～150°E區(qū)域、850 hPa高度場(chǎng)上緯向風(fēng)速為零的連線作為西北太平洋季風(fēng)槽的氣候位置。圖5a是NCEP和19個(gè)IPCC-AR4模式的西北太平洋季風(fēng)槽線，4個(gè)模式giss_eh、miroc3_ 2_hires、miroc3_2_medres和ukmo_hadcm3沒(méi)有模擬出季風(fēng)槽。從圖5a可見(jiàn)，NCEP季風(fēng)槽線呈西北-東南走向，絕大數(shù)模式模擬的季風(fēng)槽線走向與NCEP的一致，除了ncar_pcm1在120°～130°E為西南—東北走向，130°～150°E近似東—西走向外。模式模擬的季風(fēng)槽西段有些在NCEP的南側(cè)，多數(shù)在NCEP的北側(cè)，而模式模擬的季風(fēng)槽東段都位于NCEP的北側(cè)。有6個(gè)模式（iap_fgoals1_0_g、bccr_cm2、giss_ aom、giss_er、gfdl_cm2_0和ingv_echam4）的季風(fēng)槽較短，只出現(xiàn)在西段，約在120°～130°E或120°～142°E之間，特別是模式iap_fgoals1_0_g，季風(fēng)槽只從120°E向東南伸展到124°E。圖5b分別給出了幾種不同模式集成得到的季風(fēng)槽氣候位置，如前所述，因?yàn)榇蠖鄶?shù)模式模擬的季風(fēng)槽位置偏北，這幾種不同模式集成得到的季風(fēng)槽氣候位置依然偏向于NCEP的北側(cè)，但偏離程度以及向東伸展的程度不同。23個(gè)模式集成后的季風(fēng)槽位置偏西，最東端只伸展到146°E（正方形連線）。剔除4個(gè)無(wú)季風(fēng)槽模式，19個(gè)模式集成得到的季風(fēng)槽位置比23個(gè)模式集成的偏北，其東伸點(diǎn)伸到148°E以東（三角形連線）。同時(shí)將季風(fēng)槽偏西的6個(gè)模式剔除，剩下的13個(gè)模式集成，顯示季風(fēng)槽位置相對(duì)于NCEP偏北更加顯著，其最東點(diǎn)伸到了157°E（×連線，圖中只畫(huà)到150°E）。如果剔除4個(gè)無(wú)季風(fēng)槽模式，同時(shí)將季風(fēng)槽位置最偏北的兩個(gè)模式（ncar_ pcm1和ukmo_hadgem1）也剔除，剩余17個(gè)模式集成得到的季風(fēng)槽位置與NCEP最接近，其東端正好伸到150°E（·連線）。在挑選模式時(shí)，從對(duì)季風(fēng)槽的模擬性能角度應(yīng)當(dāng)剔除giss_eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_ medres、ukmo_hadcm3、ukmo_hadgem1和ncar_pcm1 6個(gè)模式。

6 熱帶氣旋活動(dòng)區(qū)域垂直風(fēng)切變的模擬性能對(duì)比

垂直風(fēng)切變綜合反映對(duì)流層高層和低層環(huán)流特征的影響。下面的分析集中于西北太平洋TC主要活動(dòng)海域（10°～26°N，110°～170°E）以及TC活躍季節(jié)（7—9月）的垂直風(fēng)切變。由表3可見(jiàn)，空間相似系數(shù)最大的模式是cccma_t63為0.922。有4個(gè)模式與NCEP的空間相似系數(shù)為負(fù)值，它們是miroc3_2_medres（-0.344）、miroc3_2_hires（-0.114）、giss_er（-0.079）和iap_fgoals1_0_g（-0.064），還有2個(gè)模式的相似系數(shù)為小的正值，它們是giss_aom（0.086）和bccr_bcm2（0.09）。這些空間相似系數(shù)為負(fù)或較小正值的模式與NCEP的均方根誤差也較大，在5.0 m／s以上，但均方根誤差最大的模式是ncar_pcm1為9.26 m／s。NCEP整個(gè)場(chǎng)的氣候平均值為8.2 m／s。有18個(gè)模式的垂直風(fēng)切變系統(tǒng)性大于NCEP，有5個(gè)模式系統(tǒng)性小于NCEP。將所有模式集成后的垂直風(fēng)切變與NCEP的空間相似系數(shù)為0.855，均方根誤差為2.33 m／s。將空間相似系數(shù)為負(fù)的4個(gè)模式剔除，剩余模式集成與NCEP的空間相似系數(shù)為0.88，均方根誤差為2.29 m／s。再將空間相似系數(shù)較小正值的兩個(gè)剔除，剩余模式與NCEP的空間相似系數(shù)為0.889，均方根誤差為2.38 m／s?？梢?jiàn)，垂直風(fēng)切變因涉及風(fēng)矢量的問(wèn)題，在考慮模式集成時(shí)，可以不考慮。如果要剔除的話，可以剔除4個(gè)模式miroc3 _2_medres、miroc3_2_hires、giss_er和iap_fgoals1_ 0_g，剩下19個(gè)模式集成也是合適的。

7 小結(jié)與討論

本文基于影響熱帶氣旋活動(dòng)的大尺度環(huán)流場(chǎng)，對(duì)IPCC-AR4 23個(gè)模式模擬的與西北太平洋TC活動(dòng)關(guān)系密切的大尺度環(huán)流系統(tǒng)_副熱帶高壓和季風(fēng)槽以及環(huán)境垂直風(fēng)切變等的氣候場(chǎng)與NCEP進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論，

（1）北半球低緯地區(qū)（0°～40°N）7—9月模擬的500 hPa高度場(chǎng)與NCEP對(duì)比顯示，大多數(shù)模式的高度場(chǎng)系統(tǒng)性偏低于NCEP。綜合空間相似系數(shù)和均方根誤差的大小，模擬性能較好的前10個(gè)模式依次是cccma_t47、cnrm_cm3、cccma_t63、mpi_echam5、miroc3_2_hires、gfdl_cm2_1、bccr_cm2、ukmo_hadgem1、ncar_pcm1和ukmo_hadcm3。模擬性能排在倒數(shù)3位的依次是giss_er、giss_eh和ipsl_cm4。

（2）20°S～40°N 850 hPa 7—9月1948—1999的全風(fēng)速，大多數(shù)模式系統(tǒng)性偏高于NCEP，模式模擬的緯向風(fēng)速的偏東氣流系統(tǒng)性強(qiáng)于NCEP。綜合氣候場(chǎng)空間相似系數(shù)和均方根誤差的大小，模擬性能較好的前10個(gè)模式依次是mpi_echam5、ingv_echam4、gfdl_cm2_0、csiro_mk3_5、gfdl_cm2_1、cccma_t63、cccma_t47、mri_cgcm2_3_2a、cnrm_cm3和ukmo_ hadcm3）。模擬性能差的模式是miroc3_2_medres、giss_eh、ncar_pcm1、iap_fgoals1_0_g、inmcm3_0、giss_ er、ipsl_cm4和giss_aom。

（3）模式模擬的西北太平洋副熱帶高壓脊線的走向都與NCEP的一致，即東北—西南向；脊線偏北的模式有9個(gè)，偏南的有14個(gè)，5個(gè)模式的脊線位置與NCEP的靠近。根據(jù)脊線走向及位置與NCEP的接近程度，模擬性能較好的前10個(gè)模式依次是cccma_ t63、ukmo_hadgem1、gfdl_cm2_1、gfdl_cm2_0、mpi_ echam5、bccr_cm2、giss_aom、csiro_mk3_5、ncar_ccsm3 _0和cccma_t47。模擬性能差的模式是giss_er、ipsl_ cm4、ukmo_hadcm3、inmcm3_0、csiro_mk3_0和ncar_ pcm1。集成時(shí)至少剔除的模式是giss_er，ipsl_cm4和ukmo_hadcm3。

（4）模式ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a，由于西北太平洋地區(qū)500hPa位勢(shì)高度系統(tǒng)性偏低于NCEP太多，沒(méi)有出現(xiàn)584位勢(shì)什米等值線。21個(gè)模式中，有13個(gè)模式的副高強(qiáng)度弱于NCEP，8個(gè)模式強(qiáng)于NCEP。與NCEP相比，模式模擬的西北太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度及面積指數(shù)較好的前10個(gè)模式依次是mpi_echam5、cnrm_cm3、giss_aom、cccma_t63、cccma_ t47、miroc3_2_hires、ukmo_hadcm3、iap_fgoals1_0_g、giss_er和ncar_pcm1。挑選模式時(shí)應(yīng)踢除ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、inmcm3_05、bccr_cm2和giss_eh 5個(gè)模式。

（5）4個(gè)模式?jīng)]有模擬出季風(fēng)槽，它們是giss_eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_medres和ukmo_hadcm3。與NCEP季風(fēng)槽位置較接近的前10個(gè)模式依次是ncar_ccsm3_0、gfdl_cm2_1、ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、cccma_t63、cnrm_cm3、mpi_echam5、csiro_mk3_5、csiro _mk3_0和inmcm3_0。集成時(shí)應(yīng)剔除的模式是giss_ eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_medres、ukmo_hadcm3、ukmo_hadgem1和ncar_pcm1。

（6）模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)關(guān)鍵海域（10°～26°N，110°～170°E）、TC活躍季節(jié)（7—9月）垂直風(fēng)切變的模擬表現(xiàn)為，19個(gè)模式模擬的垂直風(fēng)切變偏大于NCEP，4個(gè)模式偏小于NCEP。前10個(gè)模擬性能好的模式依次是ingv_echam4、cccma_t63、ukmo_hadgem1、mpi_echam5、gfdl_cm2_1、mri_cgcm2_3_ 2a、cccma_t47、cnrm_cm3、csiro_mk3_5和；ncar_ccsm3 _0。模擬性能較差的6個(gè)模式依次是miroc3_2_ hires、miroc3_2_medres、giss_er、giss_aom、iap_fgoals1_ 0_g和ncar_pcm1。

將模式在上述6個(gè)方面的得分進(jìn)行等權(quán)重平均，按分?jǐn)?shù)從高到低（模擬性能從高到低），模式的排序依次是：mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_ 0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a、gfdl_cm2_0、csiro_ mk3_0、giss_aom、bccr_cm2、miroc3_2_hires、ukmo_ hadcm3、ncar_pcm1、inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_ cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。從模式的模擬性能可以看到，分辨率的影響很明顯，如最后的兩個(gè)模式是美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）戈德空間研究所（GISS）提供，大氣模式水平分辨率都為4°lat×5°lon，是所有模式中最大的，兩者海洋模式的分辨率稍有差別，giss-eh用的是HYCOM 2×2×L16，giss-er用的是Russell 4×5×L13，giss-er的模擬性能比giss-eh差，說(shuō)明海洋模式分辨率也會(huì)影響到大氣物理量的模擬結(jié)果。miroc3_2_medres是日本東京大學(xué)氣候系統(tǒng)研究中心及國(guó)家環(huán)境研究所提供，分辨率為T(mén)42L20，該機(jī)構(gòu)同時(shí)提供了高分辨率（T106L56）模式miroc3_ 2_hires等。表明，在模式其他條件都大體相同的情況下，高分辨率模式的模擬性能好于低分辨率模式。不同機(jī)構(gòu)提供的模式模擬性能的差異涉及很多因素，如各種物理過(guò)程的參數(shù)化方案，有待于今后深入探討。

本文使我們對(duì)IPCC-AR4 23個(gè)模式在西北太平洋影響熱帶氣旋活動(dòng)的夏季大氣環(huán)流場(chǎng)模擬性能有初步了解。對(duì)用這些模式做有關(guān)研究時(shí)，該選擇哪些模式集成，該選何種模式，有所幫助。單獨(dú)使用時(shí)，應(yīng)選用模擬性能在前10的模式；模式集成時(shí)，可以考慮剔除模擬性能排在后6的模式，否則對(duì)集成效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響。目前，海-氣耦合模式對(duì)類(lèi)似于副熱帶高壓、季風(fēng)槽低緯地區(qū)重要的環(huán)流系統(tǒng)以及影響TC活動(dòng)的垂直風(fēng)切變的模擬性能對(duì)比只能在氣候場(chǎng)這個(gè)層次上，沒(méi)有達(dá)到像SST時(shí)間變化的評(píng)估層次上。此外，我們發(fā)現(xiàn)，模式對(duì)全球大氣環(huán)流模擬的水平很大一部分取決于模式對(duì)太平洋地區(qū)的模擬性能，這可能與缺乏對(duì)太平洋地區(qū)復(fù)雜的海-氣相互作用，東亞地區(qū)復(fù)雜的陸氣相互作用的理解有關(guān)。

本文僅通過(guò)對(duì)比影響西北太平洋TC活動(dòng)的主要大尺度動(dòng)力環(huán)境因素與NCEP環(huán)流場(chǎng)來(lái)評(píng)估IPCC -AR4模式性能，剔除性能差的模式。從TC活動(dòng)情景預(yù)估的角度，這么做也許還不夠，今后進(jìn)一步將挑選模式的大尺度環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)迫區(qū)域中尺度模式，通過(guò)一定的熱帶氣旋識(shí)別技術(shù)，診斷TC活動(dòng)，與NCEP環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)迫得到的TC活動(dòng)特征相對(duì)照。從多方面著手，找出適合西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)情景預(yù)估研究的IPCC-AR4模式。

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Abstruct：The fidelity of atmospheric circulation over tropical regions，especially subtropical high，monsoon trough and vertical wind shear over the regions of tropical cyclone activity in the coupled general circulation models（CGCM）participating in the Forth Assessment Report（AR4）of Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）is accessed by virtue of comparing simulated climate field with that of National Center Environmental Prediction（NCEP）／National Center Atmospheric Research（NCAR）during 1948—1999 from July to September.It is found that vast majority of 23 IPCC-AR4 models show a good performance in mean state in 500 hPa height field over the domain 0°—40°N，0°E—180°—0°W and 850 hPa wind field over the region 20°S—40°N，0°E—180°—0°W—180°—0°W，but in comparison to that of NCEP／NCAR，most of models show a low bias in 500 hPa height and a strong bias in 850 hPa wind flow.The subtropical high ridge over the western North Pacific of all models is in NE-SW orientation which is similar to that of NCEP／NCAR，but some of models'ridge locates to far away from the latter.Monsoon troughs of four models are absent from 850 hPa flow and six of monsoon troughs in models occur to the west of 140°E.According to the performance of simulation in spatial structure of atmospheric circulation over tropical area，subtropical high ridge，monsoon trough in the western North Pacific and vertical wind shear in active regions of tropical cyclone over western North Pacific in summer（from July to September），the first ten excellent models are successively mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a and the last six models are successively inmcm3_ 0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er.

Assessments on climatologic simulation of atmospheric dynamic environment of tropical cyclone over western North Pacific in IPCC－AR4 models

Yu Jinhua1，Zhao Xiaotong1，Chen Cheng1

（1.Key Loboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China）

IPCC-AR4 models；western North Pacific tropical cyclone；dynamic environment；simulation assessment

P732.4

A

0253-4193（2014）03-0061-12

2012-09-12；

2013-07-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41375098）；國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2010DFA24650）；公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY200806009）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）。

余錦華（1964—），女，安徽省黟縣人，教授，博士，主要從事熱帶氣旋、氣候變化等方面的研究。E-mail：jhyu＠nuist.edu.cn

余錦華，趙曉彤，陳成.論IPCC-AR4模式對(duì)影響西北太平洋熱帶氣旋的大氣動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)的氣候特征模擬性能［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（3）：61—72，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.007

Yu Jinhua，Zhao Xiaotong，Chen Cheng.Assessments on climatologic simulation of atmospheric dynamic environment of tropical cyclone over western North Pacific in IPCC-AR4 models［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：61—72，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.007