胡 運,宋振亞,宋亞娟

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東青島266237)

海氣耦合模式CESM1中熱帶印度洋SST模擬偏差的來源分析

胡 運1,2,宋振亞1,2,宋亞娟1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東青島266237)

熱帶海表溫度(SST)模擬偏差是困擾海氣耦合模式發(fā)展的經(jīng)典問題之一,其原因仍不完全清晰。針對海氣耦合模式CESM1(Community Earth System Model version 1)模擬的熱帶印度洋SST偏差,我設(shè)計了單獨大氣-陸面模式、單獨海洋-海冰模式以及海氣耦合模式等一系列數(shù)值實驗。在此基礎(chǔ)上,采用大氣-陸面模式和海洋-海冰模式隱式(implicit)SST偏差的分析方法,診斷了CESM1模擬的熱帶印度洋SST偏差的來源,并分析了大氣模式和海洋模式中影響熱帶印度洋上層海溫模擬的主要因素。通過分析熱帶印度洋不同地區(qū)SST的模擬偏差來源,發(fā)現(xiàn)耦合模式CESM1中孟加拉灣SST模擬偏冷主要是由海洋-海冰模式中過強的垂直混合、平流作用等海洋動力偏差引起的。在阿拉伯海和赤道西印度洋,過多的潛熱釋放導(dǎo)致SST降低,大氣-陸面模式模擬誤差是這兩個海域SST冷偏差的主要來源。對于赤道中印度洋,潛熱通量偏差和垂直混合、平流作用等模擬誤差共同影響上層海水溫度,潛熱釋放偏少、海水垂直混合偏弱以及經(jīng)向平流向南輸送過多暖水使耦合模式模擬的赤道中印度洋SST出現(xiàn)暖偏差,而在赤道東印度洋,模擬的SST偏冷是由大氣-陸面模式中短波輻射偏少和海洋-海冰模式中海水垂直混合過強引起的,潛熱通量偏差影響較小。分析表明,耦合模式中海氣相互作用只影響SST模擬偏差的大小,但不是引起SST偏差的根本原因。

熱帶印度洋SST偏差;隱式SST偏差;海氣耦合模式CESM;大氣-陸面模式;海洋-海冰模式

印度洋作為亞洲季風(fēng)區(qū)下墊面的重要組成部分,其上層海水的熱力狀況作用于西南季風(fēng)和東亞季風(fēng)過程,對我國夏季降水和氣溫變化有著重要的影響[1-6]。當(dāng)前,海氣耦合模式是研究氣候變化、開展短期氣候預(yù)測和長期氣候預(yù)估的核心工具之一,診斷分析海氣耦合模式對提高印度洋海溫的模擬能力,加深對海氣耦合系統(tǒng)的理解,提高氣候模式對我國氣候的模擬和預(yù)測能力具有重要的意義。

自Manabe和Bryan[7]的開拓性工作以來,海氣耦合模式已得到了極大發(fā)展,模式對海洋、大氣的氣候態(tài)、多年季節(jié)平均和年循環(huán)的基本特征具備一定的模擬水平[8-9],但模式的模擬結(jié)果仍存在如東太平洋冷舌過冷、虛假的雙赤道輻合帶、熱帶印度洋南部海表溫度(SST)偏高北部偏低等熱帶共性偏差問題[10-11]。美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)研發(fā)的先進的海氣耦合模式CCSM/CESM(Community Climate System Model/Community Earth System Model)系列對熱帶印度洋SST的模擬也存在類似的偏差:在熱帶印度洋地區(qū)表現(xiàn)出了明顯的南暖北冷的模擬偏差,在赤道印度洋地區(qū)模擬的SST偏暖,使得印度洋經(jīng)向溫度梯度過強和越赤道風(fēng)模擬過弱,緯向東風(fēng)模擬偏強,進而會影響西南季風(fēng)和降水的模擬[12-15]。

已有研究認(rèn)為,海氣耦合模式中印度洋SST的模擬偏差主要來自于大氣模式[12-20],如赤道印度洋地區(qū)的SST暖偏差與夏季風(fēng)時期模擬的云量偏少有關(guān)[14,17-18],同時,大氣模式誤差會引起北阿拉伯海SST模擬偏冷,進而會加強經(jīng)向溫度梯度和減弱夏季風(fēng),導(dǎo)致赤道印度洋緯向溫度差異[12,19,21]。另一些研究者認(rèn)為熱帶印度洋SST偏差是傾斜的赤道印度洋溫躍層與東風(fēng)異常、緯向溫度梯度偏差在Bjerknes正反饋作用下增強的結(jié)果[13,15-16,22];潛熱通量偏差也是造成赤道印度洋SST偏差的重要來源,過多的潛熱釋放產(chǎn)生負(fù)的凈熱通量,引起強對流混合,混合層加深,出現(xiàn)負(fù)的SST偏差[23-26]。此外,也有研究認(rèn)為模式的分辨率不足是造成耦合模式中印度洋SST模擬偏差的主要原因[27-28],如大氣模式中青藏高原過于平滑的地形。雖然增加模式分辨率能夠在一定程度上減小SST的模擬偏差,但偏差依然存在[27,29-31]。

(李 燕 編輯)

已有的關(guān)于海氣耦合模式的結(jié)果分析多是基于模式已經(jīng)完全調(diào)整好并達到準(zhǔn)平衡態(tài)的結(jié)果。在海氣耦合系統(tǒng)中,通過海氣相互作用,海洋模式的偏差會影響到大氣模式的模擬結(jié)果,反過來大氣模式的偏差也會影響到海洋模式的模擬結(jié)果。在達到準(zhǔn)平衡態(tài)時,整個海氣耦合系統(tǒng)是自洽協(xié)調(diào)的,因此從準(zhǔn)平衡態(tài)的模擬結(jié)果中確定熱帶SST偏差的發(fā)展過程是比較困難的。同時,在以往研究中,對印度洋SST偏差來源與發(fā)展過程分析時,多采用單獨大氣/海洋模式的模擬結(jié)果與海氣耦合模式的模擬結(jié)果進行對比分析的研究方法。但是,在分析大氣環(huán)流模式對熱帶SST偏差的貢獻時,通常只對大氣環(huán)流模式自身的變量(如風(fēng)場、熱通量等)進行診斷分析與評估,并未將大氣模式偏差與SST偏差直接聯(lián)系起來;而在分析海洋環(huán)流模式對熱帶SST偏差的貢獻時,通常對SST(或上混合層)進行診斷分析。雖然可以定量評估海洋環(huán)流模式偏差對熱帶SST偏差的貢獻,但是在單獨海洋環(huán)流模式的模擬時,短波和長波輻射來自于觀測,而其他2種熱通量——潛熱和感熱通量則通過塊體公式進行計算,在這種情況下海洋模式的SST(和上混合層)最終會向觀測的大氣表層溫度恢復(fù)[31],相當(dāng)于存在一個負(fù)反饋機制使得SST(和上混合層)的變化被抑制(若海洋模式采用恢復(fù)性邊界條件,同樣存在一個類似的負(fù)反饋機制),因此導(dǎo)致以往研究中多認(rèn)為海洋環(huán)流模式的偏差只在近岸地區(qū)(相對大洋地區(qū),在近岸地區(qū)海洋模式本身偏差非常大)對熱帶偏差的貢獻比較大,而在大洋中熱帶偏差多來自于大氣環(huán)流模式。這種對比分析不同模式準(zhǔn)平衡態(tài)的模擬結(jié)果的方法,增加了診斷分析偏差的難度。我們針對CCSM/CESM中印度洋SST模擬偏差問題,基于Song[32]提出的實驗方案,通過分析初始耦合階段模擬偏差發(fā)展的過程,采用隱式SST的診斷方法將大氣熱通量模擬偏差和海洋動力過程模擬偏差與SST模擬偏差合理的聯(lián)系起來,探討大氣模式和海洋模式模擬偏差對耦合模式SST模擬偏差的貢獻。

1 模式介紹與實驗設(shè)計

1.1 模式介紹

CESM(The Community Earth System)是美國國家大氣研究中心(NCAR)在2010-06推出的通用地球系統(tǒng)模式,它是在CCSM 4.0基礎(chǔ)上發(fā)展的地球系統(tǒng)模式。CESM模式是以海洋、大氣、陸面和冰圈等為研究主體,并考慮大氣化學(xué)、生物地球化學(xué)和人文過程的地球氣候系統(tǒng)模式。在氣候與環(huán)境的演變機理、自然和人類與氣候變化的相互作用以及氣候變化的研究和預(yù)測等諸多方面廣泛應(yīng)用。本文研究采用的是CESM 1.1版本,數(shù)值實驗采用了其默認(rèn)配置,即不考慮生物地球化學(xué)過程。

1.2 實驗設(shè)計

本文主要研究大氣模式和海洋模式初始耦合階段SST偏差的發(fā)展過程,因此設(shè)計了表1中的3組實驗:1)單獨大氣-陸面模式實驗(EXP_ATM)。由觀測的SST作為強迫場驅(qū)動大氣模式CAM4和陸面模式CLM4運行30 a,取后10 a的結(jié)果進行分析,大氣模式和陸面模式的水平分辨率為1.9°×2.5°。2)單獨海洋-海冰模式實驗(EXP_OCN)。以COREv2(version 2 forcing for Common Ocean-ice Reference Experiments)資料作為強迫場驅(qū)動海洋模式POP2和海冰模式CICE4,完成210 a積分并取后10 a的結(jié)果進行分析,海洋環(huán)流模式和海冰模式水平分辨率為gx1v6,即1.1°×(0.54°～1°)。3)耦合實驗(EXP_CPL)。利用海氣耦合模式CESM1.1開展數(shù)值實驗,大氣和陸面模式分辨率與EXP_ATM相同,海洋和海冰模式分辨率與EXP_ OCN相同。考慮到海氣耦合模式冷啟動時前期的調(diào)整時間較長,不容易跟蹤和分析偏差的發(fā)展過程,因此在本文中采用了熱啟動的方式進行積分,即大氣模式CAM4和陸面模式CLM4初始場來自于EXP_ATM,海洋模式POP2和海冰模式CICE4初始場來自于EXP_OCN。為了減少耦合模式對初值的不確定性,EXP _CPL采用集合的方式運行,分別選取EXP_ATM和EXP_OCN不同時刻作為初始場,比如EXP_CPL_01分別選用EXP_ATM第21年1月1日和EXP_OCN第201年1月1日的模式場作為初值,EXP_CPL_02分別選用第22年1月1日和EXP_OCN第202年1月1日的模式場作為初值。實驗中集合成員數(shù)目為10個,取集合平均作為EXP_CPL的模擬結(jié)果。

表1 大氣-陸面實驗(EXP_ATM)、海洋-海冰實驗(EXP_OCN)、耦合實驗(EXP_CPL)基本信息Table 1 Brief description of numerical experiments

2 隱式SST方法

為了更加準(zhǔn)確合理地定量評估大氣模式和海洋模式模擬偏差對熱帶SST偏差的貢獻,本文采用了隱式SST偏差[32],即大氣隱式SST偏差和海洋動力偏差(海洋隱式SST偏差)的分析方法對印度洋SST進行診斷分析。該分析方法能夠合理反映大氣和海洋模式偏差與SST偏差之間的關(guān)系,即大氣隱式SST可以將大氣模式偏差與SST偏差的關(guān)系進行定量化,海洋動力偏差反映了海洋模式本身即海洋動力過程的偏差。

2.1 大氣隱式海表溫度偏差

在以往研究中,多認(rèn)為熱帶偏差主要來自于大氣環(huán)流模式偏差,但只是進行了定性分析,并沒有給出定量的評估。這是因為,在以往研究中,只對大氣環(huán)流模式自身的變量進行診斷分析與評估,未直接將大氣模式偏差與SST偏差聯(lián)系起來[12,15-20]。為了更好地理解和定量化分析大氣模式模擬偏差對SST的影響, Song等[32]提出了大氣隱式海表溫度偏差(implicit SST bias),即

式中,ρw是海水密度,Cpw是海水比熱容,D是混合層深度(比表層溫度低0.5℃的溫度所在的深度),QNET[EXP_ATM]和QNET[OBS]分別是大氣模式實驗(EXP_ATM)和觀測資料(如COREv2)的凈熱通量。式(1)表示若大氣模式與一個完美的海洋模式進行耦合,經(jīng)過時間t之后,大氣模式的凈熱通量偏差會導(dǎo)致海洋上混合層出現(xiàn)ΔTEXP_ATM的偏差,考慮到海洋混合層中溫度差別較小,ΔTEXP_ATM可以近似理解為海表溫度的偏差,由于在EXP_ATM實驗中,因為SST強迫場是給定的觀測資料,大氣模式的這種熱通量偏差并不會改變模式的SST,因此,稱之為大氣隱式海表溫度偏差。

2.2 海洋動力偏差(海洋隱式SST偏差)

如前面所述,對于海洋環(huán)流模式,熱通量中的短波和長波輻射來自于觀測,而潛熱和感熱通量則通過塊體公式進行計算,海洋模式的SST(和上混合層)最終會向觀測恢復(fù),相當(dāng)于存在一個負(fù)反饋抑制SST(和上混合層)的發(fā)展。因此,為了更好的理解和定量化海洋內(nèi)在的偏差,Song等[32]提出海洋模式的隱式海表溫度偏差,即海洋動力偏差(Ocean Dynamics Bias)。

式(2)給出了一個海洋上混合層的控制方程:

式中,ΔTm是海洋模式中上混合層的溫度偏差,um和vm是上混合層中的水平流速,we是混合層底冷水上涌速度(entrainment rate),Te是上混合層底的溫度,ρw是海水密度,Cpw是海水比熱容,D是混合層深度,QNET[EXP_OCN]和QNET[OBS]分別是海洋模式實驗(EXP_OCN)和觀測資料(如COREv2)的凈熱通量。根據(jù)物理含義,式(2)中右端前三項可以看作海洋模式動力過程的偏差,那么對式(2)進行積分后可以得到式(3):

式中,ΔTEXP_OCN即是海洋模式的隱式海表溫度偏差——海洋動力偏差,它反映了海洋模式中包括對流、混合等動力過程的內(nèi)在偏差,可以更好的表征海洋模式本身的偏差。

2.3 熱收支計算

為了揭示海洋動力過程對模擬的SST變化的貢獻,本文使用了基于海洋溫度方程的上混合層熱收支方法進行診斷分析[33-34]:

以及

式(4)的Tt=?Ta/?t,是溫度Ta的變化趨勢,a代表海洋表層到混合層深度D的平均值。式(5)中Qu=-u?Ta/?x為緯向平流項,Qv=-v?Ta/?y為經(jīng)向平流項,Qw=-(?D/?t+vD·?D+wD)?T/?z為垂直混合項,Qq=Qadj/(ρwCpwD)為凈熱通量項,Qzz=Qdiff/(ρwCpwD)為垂直熱擴散項,wD,vD是混合層底垂向速度和水平速度,而凈熱通量項的Qadj表示為凈熱通量與穿過混合層的短波輻射通量的差值,Qdiff是混合層底的熱擴散。

3 結(jié)果分析

圖1是EN4觀測資料和CCSM/CESM模擬的1949—2005年多年平均SST以及其EN4的偏差在印度洋的空間分布。從圖1可以看出,無論觀測還是模式模擬的多年平均氣候態(tài)的SST在10°S以北的印度洋地區(qū)均呈現(xiàn)西低東高的趨勢,但CCSM/CESM模擬的SST仍存在較大偏差,SST偏差在空間上主要呈現(xiàn)南暖北冷的空間分布特征,極大值位于赤道西印度洋地區(qū),超過了0.6℃。

圖1 多年(1949—2005年)平均SST和SST偏差在印度洋的分布Fig.1 Climatological(1949-2005)annual mean SST and its bias in tropical Indian Ocean

圖2a給出了耦合實驗?zāi)M的第一年(以下簡稱EXP_CPL)熱帶印度洋地區(qū)年平均SST及其與觀測(EN4)的偏差。從圖中可以看到,與CCSM/CESM多年平均模擬結(jié)果類似,EXP_CPL模擬的SST在印度洋赤道地區(qū)出現(xiàn)了高溫表層水,SST偏差主要呈現(xiàn)南暖北冷的空間分布特征,極大值區(qū)也位于赤道西印度洋(圖2a)。這說明耦合模式CESM1中印度洋SST的偏差在大氣-陸面模式和海洋-海冰模式耦合后很快形成了,因此下文中主要對耦合模式中第一年SST模擬結(jié)果進行診斷分析。

圖2 實驗結(jié)果的第一年年平均SST、SST偏差和年平均隱式SST偏差的分布Fig.2 Annual mean SST,SST bias and implicit SST bias based on the first year simulation of experiments.

圖2b是大氣-陸面模式中大氣隱式偏差與海洋-海冰模式中海洋隱式偏差之和(以下簡稱EXP_ATM+ EXP_OCN),這反映了在不考慮海氣反饋作用的情況下,大氣-陸面模式與海洋-海冰模式直接進行耦合后,耦合模式應(yīng)出現(xiàn)的SST偏差,即分量模式內(nèi)在偏差對耦合模式SST偏差的貢獻。從圖中可以看出,EXP_ ATM+EXP_OCN的SST偏差在北印度洋阿拉伯海和孟加拉灣地區(qū)為負(fù),而在赤道印度洋地區(qū)隱式偏差為正,主要呈現(xiàn)南暖北冷的空間分布特征,與EXP_CPL模擬的SST偏差分布特征基本一致(圖2a)。EXP_ CPL和EXP_ATM+EXP_OCN模擬的SST偏差空間分布的相似性說明耦合模式CESM中熱帶印度洋SST偏差可能主要是直接由耦合模式中大氣-陸面模式和海洋-海冰模式的模式誤差引起的。圖2c是大氣-陸面模式(EXP_ATM)凈熱通量模擬偏差引起的年平均隱式SST偏差,在印度洋大部分地區(qū)為暖偏差,在印度洋西邊界沿岸(特別是阿拉伯半島沿岸)和印度洋半島南端兩側(cè)沿岸地區(qū)為冷偏差。圖2d中海洋-海冰模式(EXP_OCN)模擬的隱式SST偏差在孟加拉灣整個海區(qū)為負(fù),而在EXP_ATM中隱式SST偏差為正,這表明耦合模式在孟加拉灣地區(qū)的SST冷偏差可能主要來源于海洋-海冰模式。而在阿拉伯海西部地區(qū),耦合模式模擬的SST冷偏差可能主要來源于大氣-陸面模式。在赤道印度洋地區(qū),SST暖偏差很大程度上是由大氣-陸面和海洋-海冰模式共同造成的。由于印度洋不同地區(qū)SST偏差的來源不盡相同,為了更清晰地認(rèn)識引起SST偏差的原因,本文將印度洋分為了5個區(qū)域(圖2b中紅色方框A～E),分別對不同區(qū)域SST偏差的來源進行診斷分析。

3.1 阿拉伯海海域(區(qū)域A)

比較圖2a和圖2b,可以看出EXP_CPL SST冷偏差與EXP_ATM+EXP_OCN SST冷偏差空間分布相似,68°E附近的偏差較小,其東西兩側(cè)偏差較大。進一步比較EXP_ATM與EXP_OCN隱式SST偏差可以看出,在阿拉伯海西部沿岸地區(qū),海洋模式偏差(EXP_OCN)為正,大氣模式偏差(EXP_ATM)為負(fù)且較大,因此耦合模式在該區(qū)域的冷偏差應(yīng)該主要是由大氣模式偏差引起的。而在阿拉伯海68°E附近大氣模式偏差為正,海洋模式偏差為負(fù),因此耦合模式在該區(qū)域冷偏差主要是由海洋模式引起的,并且由于兩者誤差量級基本相當(dāng),耦合模式在此區(qū)域的冷偏差較小。在阿拉伯海其余地區(qū),海洋模式和大氣模式偏差都為負(fù),進而使得耦合模式模擬的SST呈現(xiàn)出冷偏差。但總體來看,耦合模式中阿拉伯海SST相對于觀測偏差的空間分布特征和EXP_ATM的隱式SST冷偏差更為一致且量值較大,因此該海域SST模擬偏差應(yīng)該主要源于大氣-陸地模式模擬誤差。

圖3是由EXP_ATM中的短波輻射通量、潛熱通量、長波輻射通量引起的年平均隱式SST偏差。由于熱帶大洋感熱交換(特別是夏季)向大氣輸送的熱量,占輻射平衡熱盈余比重較小,本文暫不考慮。從圖3a, 3c中可看出,短波輻射偏差在阿拉伯海造成隱式SST冷偏差,阿拉伯海中部海域(60°～70°E,8°～9°N)降溫幅度最大,長波輻射偏差造成大面積隱式SST暖偏差(絕對值比前者小約1℃),僅在阿拉伯海西北部有隱式SST冷偏差,兩者空間分布特征反映出大氣-陸面模式在阿拉伯海海域模擬的短波輻射偏少,在阿拉伯半島沿岸模擬的長波輻射偏多,其他地區(qū)的長波輻射偏少,一部分的短波輻射缺失抵消了長波輻射變化對SST造成的影響,會導(dǎo)致SST冷偏差強度增大。對比圖3b與圖2c可看出,潛熱通量偏差與凈熱通量偏差導(dǎo)致的年平均隱式SST偏差的空間分布特征十分相似,該海域東西兩側(cè)沿岸地區(qū)為冷偏差,中部偏東一側(cè)(68°E附近)的海域為暖偏差,因此潛熱通量偏差是該區(qū)域大氣-陸面模式模擬誤差的主要來源,短波輻射偏差一定程度上加強了SST冷偏差強度。

3.2 孟加拉灣海域(區(qū)域B)

從圖2c中可以看出,大氣-陸面模式的凈熱通量會引起大范圍的SST暖偏差,EXP_CPL模擬的孟加拉灣SST和觀測相比偏冷(圖2),因此,海洋動力偏差應(yīng)是孟加拉灣海域SST模擬偏差形成的主要原因。

圖4是EXP_OCN海洋動力過程(緯向平流、經(jīng)向平流、垂直混合、垂直擴散)和凈熱通量引起的年平均熱收支狀況。緯向平流引起EXP_OCN中孟加拉灣西側(cè)沿岸及東南部海域SST變冷,中部海域變暖,而經(jīng)向平流使得孟加拉灣西部海域變冷,東部海域變暖(圖4a,4b)。垂直混合作用使得孟加拉灣東西兩側(cè)沿岸的上層海水冷卻,而中部地區(qū)海水垂直混合不足,海表熱量向下輸送減弱而使得SST出現(xiàn)暖偏差趨勢(圖4c)。在孟加拉灣最北端上層海水向下的熱擴散減小,引起海水升溫(圖4e)。在海洋模式中,凈熱通量尤其是潛熱和感熱通量是由大氣和海洋的狀態(tài)進行計算的,因此,凈熱通量總是與海洋SST的變化相反,即其作用是使得大部分地區(qū)的SST出現(xiàn)升溫趨勢(圖4d)。

圖3 EXP_ATM中各輻射通量偏差引起的年平均隱式SST偏差及表面風(fēng)場偏差Fig.3 Annual mean implicit SST biases due to radiation flux biases and associated surface wind stress biases in EXP_ATM

綜上所述,平流作用對孟加拉灣西側(cè)地區(qū)海水有增暖作用,對東側(cè)地區(qū)海水有一定的降溫作用,垂直混合相比于平流作用,對孟加拉灣西側(cè)地區(qū)上層冷海水的貢獻更大,從圖4中看出孟加拉灣東側(cè)SST冷偏差是由垂直混合與平流共同作用的結(jié)果。

3.3 赤道西印度洋海域(區(qū)域C)

在赤道西印度洋近岸海域(0～10°S),EXP_CPL中SST偏差與EXP_ATM+EXP_OCN中SST偏差均為負(fù)(圖2a,2b),而離岸較遠(yuǎn)海域偏差為正,說明模式是否耦合對SST偏差的空間分布特征影響不明顯,因此海氣耦合作用的偏差可能不是SST模擬偏差的根本來源。EXP_OCN中西南印度洋存在SST暖偏差,而EXP_ATM中近岸為SST冷偏差,離岸海域SST偏差為正,說明大氣-陸面模式模擬誤差是造成赤道西印度洋近岸SST冷偏差形成的主要原因,而離岸海域暖偏差由大氣-陸面模式和海洋-海冰模式誤差共同影響的。

進一步對大氣模式進行分析表明,EXP_ATM中該海域沿岸海區(qū)模擬的潛熱釋放過多,出現(xiàn)SST冷偏差(圖3b),短波輻射和長波輻射模擬偏少,造成隱式SST冷偏差(與阿拉伯海海域相同)和暖偏差,這2種偏差的絕對值分布狀況相近,差值為1℃(圖3a,3c)。所以,耦合模式赤道西印度洋SST偏差的形成原因與阿拉伯海相同,潛熱通量偏差是該區(qū)域大氣-陸面模式模擬誤差的主要來源,短波輻射偏差加強了SST冷偏差的強度。

3.4 赤道中印度洋海域(區(qū)域D)

在赤道中印度洋,圖2b～2d大部分區(qū)域為SST暖偏差,極大值區(qū)位于5°～10°S附近,圖2a中SST暖偏差極大值區(qū)位于赤道西印度洋,大氣-陸面模式和海洋-海冰模式中SST暖偏差極大值均位于西部,因此耦合模式赤道中印度洋SST模擬偏差應(yīng)主要由兩者共同造成,海氣耦合反饋作用仍然對耦合模式結(jié)果造成了影響。耦合模式模擬西側(cè)地區(qū)SST升溫幅度總體高于東側(cè)地區(qū)(圖2b),而觀測中赤道印度洋年平均SST分布特征為西冷東暖(圖1a),年平均風(fēng)場為西風(fēng),SST增溫幅度的區(qū)域性差異使得緯向溫度梯度減弱,西風(fēng)減弱,表層暖水在赤道印度洋西部海域堆積,出現(xiàn)圖2a中位于赤道印度洋西側(cè)海域的SST暖偏差極值區(qū)(與印度洋偶極子發(fā)生初期和發(fā)展階段的熱帶印度洋SST異常的空間分布和形成類似[35-36])。海氣耦合反饋作用在該海域并不是耦合模式SST偏差的來源,它只影響了SST偏差的量值。

圖4 EXP_OCN中上混合層熱收支各項的分布Fig.4 Contributions of different terms to heat budget of ocean upper mixed layer in EXP_OCN

從圖3b中可看到,大氣-陸面模式模擬的潛熱釋放偏少,造成SST暖偏差,且在西側(cè)海域偏大(與圖2b相同)。長波輻射偏差也會造成SST暖偏差,但強度較小。短波輻射偏差僅在南部區(qū)域引起SST暖偏差,西部海域主要表現(xiàn)為SST冷偏差(圖3a)。整體而言,凈熱通量偏差會使得赤道中印度洋海洋上層海水所獲得的熱量增多,SST增高(圖2c),其中潛熱通量偏差是大氣-陸面模式在赤道印度洋模擬誤差的主要原因。而在海洋-海冰模式,SST偏高只可能有兩個原因,一是經(jīng)向平流向南輸送較多的暖水(圖4b),另一個是垂直混合作用偏弱,SST降溫幅度小。從熱帶印度洋年平均流場上分析,赤道印度洋南部海域海洋流動為一個閉合反氣旋式海洋環(huán)流,赤道印度洋緯向溫度梯度減弱導(dǎo)致西風(fēng)偏弱,緯向平流減弱,表層暖海水在赤道印度洋(特別是赤道西印度洋)匯聚,海洋環(huán)流異常使得上層暖水的南北熱輸送更容易通過經(jīng)向平流表現(xiàn)出來;另一方面,該海域溫躍層和混合層較深,不利于上層暖水和下層冷水的混合,海洋混合層內(nèi)的海洋垂向動力過程對上層海洋熱力狀況影響不明顯。

3.5 赤道東印度洋海域(區(qū)域E)

從圖2b～2d中可看出,大氣-陸面模式和海洋-海冰模式隱式SST偏差在蘇門答臘島沿岸也均為負(fù),與耦合模式CESM SST偏差相似(圖2a),說明海氣相互作用也不是引起赤道東印度洋SST模擬偏差的主要原因。潛熱通量偏差引起的SST冷偏差在區(qū)域E內(nèi)范圍很小,該地區(qū)SST冷偏差是短波輻射通量偏差的結(jié)果(圖3a,3b)。蘇門答臘島東側(cè)沿岸模擬的上升流偏強,冷海水上涌,SST降溫幅度大,海洋-海冰模式中對垂直混合作用的模擬誤差可能是引起SST偏差的主要原因。

4 結(jié) 論

本文針對海氣耦合模式CESM1的熱帶印度洋偏差,基于Song等[32]提出的數(shù)值實驗方法,通過分析初始耦合階段模擬偏差發(fā)展的過程,采用隱式SST的診斷方法將大氣熱通量模擬偏差和海洋動力過程模擬偏差合理的與耦合模式SST模擬偏差聯(lián)系起來,分析了大氣-陸面模式和海洋-海冰模式模擬偏差對耦合模式熱帶SST模擬偏差的貢獻。數(shù)值模擬結(jié)果表明,CESM1能較真實地模擬出熱帶印度洋多年平均SST的空間分布特征,但也存在著與大多數(shù)耦合模式相同的模擬誤差,即模擬的熱帶印度洋北部海域SST偏冷,赤道印度洋SST偏暖。進一步分析表明,在熱帶印度洋,大氣-陸面模式和海洋-海冰模式模擬誤差是耦合模式SST偏差的主要來源。在熱帶印度洋地區(qū),大氣-陸面模式中短波輻射、長波輻射和潛熱通量模擬偏差,對凈熱通量的模擬影響較大;海洋-海冰模式中,熱帶印度洋上層海洋熱力狀況主要受凈熱通量和海水垂直混合作用控制,前者主要會使海水升溫,而后者會冷卻上層海水,平流作用對SST變化也有一定的影響。

在不同區(qū)域,大氣-陸面模式和海洋-海冰模式模擬偏差的貢獻不盡相同:

1)大氣-陸面模式的凈熱通量偏差極大影響了耦合模式在阿拉伯海海域和赤道西印度洋近岸海域SST的模擬,主要原因可能是潛熱釋放過多,同時短波輻射模擬偏少,一定程度上加強了SST冷偏差強度,凈熱通量作用下SST降低。

2)耦合模式中孟加拉灣SST和觀測相比偏低,這主要是海洋-海冰模式的模擬誤差導(dǎo)致的。該海域上層海洋熱力狀況對海洋動力偏差較為敏感,海洋模式中模擬的混合層深度比觀測結(jié)果深,混合作用偏強,混合層夾卷過程描寫不真實,造成了孟加拉灣SST模擬偏冷。此外,東部海域的平流作用也一定程度上降低了海水溫度。

3)大氣-陸面模式和海洋-海冰模式模擬誤差共同影響著赤道中印度洋至赤道東印度洋SST的模擬。在赤道中印度洋,大氣-陸面模式模擬的潛熱釋放偏少,海洋-海冰模式垂直混合作用偏弱、緯向平流作用向南輸送暖水,引起赤道中印度洋SST偏暖,而在赤道東印度洋近岸海域,模擬的SST則偏冷,潛熱釋放和垂直混合增強,短波輻射模擬偏少,是導(dǎo)致SST偏冷的主要原因。

我們通過對大氣-陸面模式、海洋-海冰模式中模擬誤差進行診斷分析,給出了耦合模式SST偏差的來源和不同海區(qū)引起SST偏差的主要因素。但本文中并未討論SST偏差的發(fā)展過程,耦合模式印度洋年平均SST偏差很可能來源于夏季風(fēng)時期的SST偏差,在某些地區(qū),大氣-陸面模式春季的凈熱通量模擬誤差與海洋-海冰模式夏季的海水垂直混合模擬誤差都能對夏季印度洋上層海水溫度的模擬造成影響,另外,春季或夏季時,海氣耦合反饋作用也可能是某些地區(qū)SST偏差的主要來源。為了進一步理解耦合模式SST偏差,這些問題將在今后的工作中繼續(xù)研究。

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Analysis of Biases of the Simulated Tropical Indian Ocean SST in CESM1

HU Yun1,2,SONG Zhen-ya1,2,SONG Ya-juan1,2
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266063,China)

Bias in simulated tropical sea surface temperature(SST)is one of common problems in coupled ocean-atmosphere models,and the reason for it is still not clear.In order to identify the causes of the SST bias in Community Earth System Model version 1(CESM1),three numerical experiments based on atmosphere-land model,ocean-sea ice model and ocean-atmosphere coupled model are designed.Then implicit SST biases in atmosphere-land and ocean-sea ice model are utilized to analyze the source of SST biases in the tropical Indian Ocean.Results show that both the atmosphere-land model and ocean-sea ice model of CESM1 contain large errors and contribute to SST biases in different regions of the Indian Ocean.The biases related to ocean dynamics,vertical entrainment and advection in ocean-sea ice model,lead to cold SST biases in the Bay of Bengal.While excessive release of latent heat in the atmosphere-land model is the major source of cold SST biases in the Arabian Sea and western tropical Indian Ocean.In the central equatorial Indian Ocean,less latent heat release in the atmosphere-land model,weaker vertical entrainment and meridional advection in the ocean-sea ice model cause the warm SST biases,while the less shortwave radiation and stronger vertical entrainment is the main cause of cold SST biases in eastern tropical Indian Ocean. Further analysis shows that the air-sea feedback can only influence the magnitude of SST biases but not the fundamental source of SST biases.

tropical Indian Ocean SST bias;implicit SST bias;the ocean-atmosphere coupled model CESM;atmosphere-land model;ocean-sea ice model

May 19,2016

P731.11

A

1671-6647(2017)03-0350-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.03.005

2016-05-19

國家自然科學(xué)基金項目——海氣耦合模式中熱帶SST偏差的來源與發(fā)展過程研究(41476023)

胡 運(1991-),男,山東煙臺人,碩士研究生,主要從事氣候診斷分析方面研究.E-mail:huy@fio.org.cn