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CMIP6模式对SAM空间模态的模拟能力评估及偏差分析

  SAM是南半球热带外最主要的大气模态,也称为南极涛动(AAO),其特征是从海平面到平流层,高纬度和中纬度纬向对称偶极模态中的压力或位势高度异常,它的成因主要与波流相互作用有关,对南北半球的天气和气候变化有着重要影响。对CMIP6模式模拟的SAM开展评估对人们进一步理解和提高气候模式的模拟能力具有重要意义。

  最近,基于CMIP6发布的AMIP试验和historical试验数据,大气所LASG吴国雄院士研究团队评估了CMIP6多模式模拟的SAM空间模态的季节分布。侧重于理解在目前CMIP6最新模式的模拟结果中,historical试验和AMIP试验对SAM空间分布模拟能力如何?两组试验模拟之间的差异以及不同季节模拟的差异如何?其可能原因是什么?

  针对上述问题,我们采用客观的评估标准,包括空间分布的相关系数和标准差等来进行分析。结果表明(图1),AMIP试验和historical试验的多模式集合平均(MME)能很好地刻画出SAM的空间模态,中高纬度相反位相,中纬度三波结构(正SAM位相)。而AMIP试验的整体模拟能力优于historical试验。这可能是由于AMIP试验中采用了实际海温强迫的结果。季节模拟能力的差异如下:北半球春季(MAM)模拟技巧最低,北半球冬季(DJF)模拟技巧最高。对于MME,大部分模式的SAM振幅都高估,特别是在DJF季节。对于SAM非对称部分模态的模拟,MME对于西半球的中心模拟较好,然而对于东半球模拟较差,特别是在MAM季节。对于SAM非对称部分振幅的模拟,MME低估了非对称部分的振幅。文章还指出,SAM空间模态的模拟对集合数目很敏感,而SAM振幅模拟对集合数目不太敏感。SAM对于集合数目的敏感程度依赖于模式。

图1 在ERA-interim和多模式集合平均(MME)中,SAM四个季节的空间模态

  进一步的分析表明(图2),SAM 的非对称部分对SAM来说非常重要。 MME 可以刻画非对称部分的空间模态,尤其是西半球的正负中心。然而,无法捕捉到东半球的模态,尤其是 MAM。此外,在 MME 中严重低估了 SAM 非对称部分的振幅。研究发现SAM非对称部分的模拟对SAM空间模态的模拟很敏感,尤其是在MAM季节。DJF季节的模拟技巧虽然高,但DJF中非对称部分的模拟能力相对较低。这个结果意味着在实际中,SAM非对称部分对DJF季节的SAM总场的贡献很小。因此,我们主张SAM的评估需要关注MAM季节,以清楚地了解非对称部分产生的模式偏差并在未来改进模式。

图2 AMIP试验和historical试验中四个季节的相关系数的散点图。 X 轴表示SAM非对称部分(集合成员和 ERA-interim)的相关系数。Y 轴表示SAM 全场(集合成员和 ERA-interim)的相关系数。黑线代表线性趋势。红点和线代表 AMIP 试验,蓝点和线代表historical试验。 (a) DJF,(b) MAM,(c) JJA 和 (d) SON。

  本文工作“Evaluation of the seasonality and spatial aspects of the Southern Annular Mode in CMIP6 models”于近日在《International Journal of Climatology》在线发表。论文的第一作者为南京信息工程大学和大气物理研究所联合培养博士生张晓祺,通讯作者为大气物理研究所何编副研究员,刘屹岷研究员,其他作者有大气所包庆研究员,中山大学郑菲副研究员,大气所李矜霄博士、胡文婷副研究员、吴国雄院士。该研究得到中国科学院先导项目(XDA19070404),国家自然科学基金(42030602),科技部重点研发项目(2020YFA0608903, 2017YFA0604004)资助。

  参考文献:

  Zhang, X., He, B., Liu, Y., Bao, Q., Zheng, F., Li, J., Hu, W. and Wu, G. (2021), Evaluation of the seasonality and spatial aspects of the Southern Annular Mode in CMIP6 models. International Journal of Climatology. https://doi.org/10.1002/joc.7447

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