北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于FGOALS-g3模式的诊断分析.pdf
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1、邱慧,周天军,陈梓明,等.2023.北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于FGOALS-g3 模式的诊断分析J.大气科学,47(4):10651084.QIUHui,ZHOUTianjun,CHENZiming,etal.2023.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilityoftheNorthAfricanMonsoon:AnAnalysisBasedonFGOALS-g3ModelJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):10651084.doi:10.3878/j.
2、issn.1006-9895.2111.21141北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析邱慧1,2周天军1,2陈梓明1,2张文霞1陈晓龙1李立娟1林鹏飞11中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG),北京 1000292中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049摘要本文基于参加第六次“国际耦合模式比较计划”(CMIP6)的 IAP/LASG 气候系统模式 FGOALS-g3 的耦合(Historical)与非耦合(AMIP)试验结果,通过与观测和再分析资料的比较,评估了 FGOALS-g3 模式Histor
3、ical 与 AMIP 试验对北非地区 19792010 年 79 月降水气候态和年际变率的模拟能力;利用水汽收支方程与回归分析研究了模式模拟降水偏差的原因;通过比较耦合与非耦合试验的模拟结果,分析了海气耦合过程对非洲季风模拟偏差的影响。结果表明,在气候平均态上,Historical 与 AMIP 试验模拟的降水均较观测偏少且位置偏南,模拟的北非夏季西南季风环流偏弱。AMIP 试验模拟的萨赫勒和北非季风区降水与观测降水的空间相关系数分别为 0.80、0.62,而 Historical 试验仅有 0.74 和 0.46,且 AMIP 试验对应的均方根误差为 2.58、3.23mm,Histori
4、cal 试验为 3.30mm、4.01mm,说明与 Historical 试验相比,AMIP 试验的模拟偏差更小。水汽收支分析表明,Historical 与 AMIP 试验均低估了北非季风区水汽辐合,同时低估了垂直水汽平流项与蒸发项,高估了水平水汽平流项,导致模式模拟的降水偏少,且 Historical 试验的偏差大于 AMIP 试验。在年际变率方面,观测中,北非夏季风降水ENSO 呈负相关关系。AMIP 试验能够模拟出 ENSO 正位相时北非夏季降水的负异常,且较观测的负异常偏强,而 Historical 试验模拟的负相关关系并不显著。AMIP 试验高估了北非地区垂直运动、热带东风急流与低层
5、季风环流对 ENSO 的响应强度,导致降水异常偏强,而 Historical 试验低估了上述响应强度,产生弱降水负异常。水汽收支表明,北非夏季降水ENSO 的负相关关系由垂直水汽平流项的动力项主导。AMIP 试验高估了垂直平流项及其动力项的贡献,但 Historical 试验高估水平平流项与垂直热力项异常的贡献,说明Historical 试验模拟的北非夏季降水ENSO 相关关系偏差与水平平流项异常的抑制作用有关。关键词北非夏季风FGOALS-g3 模式模式评估气候态年际变率文章编号1006-9895(2023)04-1065-20中图分类号P467文献标识码Adoi:10.3878/j.iss
6、n.1006-9895.2111.21141Simulation of Climatology and Interannual Variability of the NorthAfrican Monsoon:An Analysis Based on FGOALS-g3 ModelQIUHui1,2,ZHOUTianjun1,2,CHENZiming1,2,ZHANGWenxia1,CHENXiaolong1,收稿日期2021-07-26;网络预出版日期2022-01-05作者简介邱慧,女,1997 年出生,博士研究生,主要从事气候模拟和季风研究。E-mail:通讯作者周天军,E-mail:资助
7、项目国家重点研发计划项目 2017YFA0604601,中国科学院“国际伙伴计划国际大科学计划培育专项”“全球季风模拟研究国际计划”134111KYSB20160031,第二次青藏科考(STEP)项目 2019QZKK0102Funded byNationalProgramonKeyBasicResearchProjectofChina(Grant2017YFA0604601),InternationalPartnershipProgramofChineseAcademyofSciences(Grant134111KYSB20160031),theSecondTibetanPlateauSci
8、entificExpeditionandResearch(STEP)Program(Grant2019QZKK0102)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023LILijuan1,andLINPengfei11State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Acad
9、emy of Sciences,Beijing 1000292College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049AbstractBasedonthecomparisonwithobservationandreanalysisdata,thestudyevaluatedtheperformanceoftheAtmospheric Model Intercomparison Project(AMIP)and the Coupled Model Interco
10、mparison Project historicalexperiments(Historical)oftheIAP/LASGclimatesystemmodelFGOALS-g3insimulatingclimatologyandinterannualvariabilityofJulyAugustSeptemberseasonal-meanNorthAfricasummermonsoon(NASM)andSahelprecipitation,explained the bias by moisture budget and regression analysis,and investigat
11、ed the influence of ocean-atmospherecoupling by comparing AMIP and Historical.The results showed that both Historical and AMIP experimentsunderestimatedprecipitation,withweakersouthwestmonsoonwindsandfurthersouthernrainfallpositions.ThepatterncorrelationcoefficientsofprecipitationintheSahelandNorthA
12、fricamonsoonregionssimulatedbyAMIPare0.80and0.62,respectively,whichare0.74and0.46simulatedbyHistorical,andthecorrespondingrootmeansquareerrorsare2.58and3.23mm,whichare3.30and4.01mmintheHistoricalexperiment,indicatingthatthedeviationofAMIPissmallerthanthatofHistorical.HistoricalandAMIPbothunderestima
13、tedwatervaporconvergenceovertheNASMregion,estimatinglessverticalmoistureadvectionandevaporationandmorehorizontalmoistureadvectionthanobserved,resultingindrybiases.Intermsofinterannualvariability,theobservationshowsthatsummermonsoonrainfallinNorthAfricaisnegativelycorrelatedwithENSO.AMIPcanreproducet
14、heENSONASMnegativerelationshipbetterthanobservation.However,Historical cannot reasonably simulate the relationship on the interannual time scale.AMIPoverestimatesENSOcirculationresponses,includingdescendinganomalies,weakertropicaleasterlyjets,anddecreasedlow-levelmonsoonsoverNorthAfrica,allofwhichco
15、ntributetothestrongerprecipitationnegativeanomaly.Incontrast,HistoricalunderestimatestheaboveENSO-relatedresponse,resultinginfeebleprecipitationnegativeanomaly.Verticalmoistureadvectionanomalies,particularlythedynamicelementofverticalmoistureadvectionanomalies,dominatetheENSONASM negative relationsh
16、ip,according to moisture budget research.AMIP agrees with observation,but itoverestimatestheaboveterm,resultinginmorenegativerainfallanomalies,whileHistoricaloverestimateshorizontaladvectionandverticalthermodynamicanomalies,whichindicatesthathorizontaladvectionanomaliescausetheinhibitedsimulationoft
17、heENSONASMnegativerelationship.KeywordsNorthAfricasummermonsoon,FGOALS-g3model,Modelevaluation,Climatology,Interannualvariability 1 引言北非季风区又称西非季风区,一般指(515N,15W30E)范围内的广大区域(图 1),南北向自赤道向北延伸至撒哈拉边缘,东西向自大西洋沿岸向内陆拓展,包括多哥、几内亚比绍、冈比亚、塞内加尔、毛里塔尼亚、几内亚、塞拉利昂、利比里亚、马里、科特迪瓦、布基纳法索、加纳、贝宁、乍得、佛得角、喀麦隆北部、尼日尔、尼日利亚、中非共和国等国(A
18、dedokun,1978)。与非洲季风相关的另一个地理区域是萨赫勒地区(图 1),指(1020N,20W40E)范围内的季风边缘区(GianniniandKaplan,2019)。非洲季风本质上是由于海陆热力差异(如撒哈拉与热带大西洋冷洋面)而产生的对流层低层明显的季节性风向转变(Rajetal.,2019),对应的季节性降水对该地区的经济、农业、水资源以及生态系统有重要影响。因此,理解北非地区降水的变化规律,准确模拟和预估未来变化是国际季风研究领域关注的重点之一。北非季风是一个多尺度过程的复杂系统,包括行星尺度到积云尺度,并且受地形的影响。经典理论认为,来自撒哈拉的东北向 Harmattan
19、 风与来自大西洋的西南季风的汇合形成 ITCZ(Inter-TropicalConvergenceZone),该区域内辐合导致局地热力不稳定,产生季风降水(Griffiths,1972)。当前理论认为,赤道大西洋东岸附近的冷舌与撒哈拉热低压之间的西南气流向陆地输送水汽(Peyrilletal.,2007;Thorncroftetal.,2011),夏季撒哈拉热低压很强,该气旋环流的西南气流与其西侧的 Harmattan大气科学47卷1066ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47风辐合,有利于降水的发生(Lavaysseetal.,2010)。北非季风
20、的主要环流系统包括非洲东风急流(AfricanEasterlyJet,简称 AEJ)、非洲东风波(AfricanEasterlyWaves,简称 AEWs)、热带东风急流(TropicalEasterlyJet,简称 TEJ)、撒哈拉热低压(SaharanHeatLow,简称 SHL)以及热带辐合带 ITCZ(Rajetal.,2019)。北非夏季风降水具有两个水汽辐合与垂直运动的中心(Nicholson,2008;Thorncroftetal.,2011),一支位于 TEJ 与AEJ 之间,10N 附近,属于深经向翻转环流的一部分,是北非季风区降水的主雨带。另一支上升运动位于降水最大值中心偏
21、北 8 个纬度,是浅经向翻转环流的一部分,该上升运动与撒哈拉热低压有关(Nicholson,2009)。北非季风的发展包括四个阶段,分别是海洋阶段、沿海阶段、过渡阶段与萨赫勒阶段。海洋阶段是指 11 月至次年 4 月中旬,此时降水主要位于赤道以北地区,萨赫勒降水偏少;沿海阶段为 4 月中旬至 6 月中旬,降水集中在沿海地区,几内亚湾降水达到峰值,萨赫勒降水逐渐开始;过渡阶段指的是 6 月中旬至 7 月上旬,代表季风降水北移;萨赫勒阶段处于 7 月中旬至 9 月,萨赫勒降水在此阶段达到峰值,也是北非地区的主要雨季。因此,本文主要关注萨赫勒阶段,即 79 月。总之,在四个阶段中,两个经向翻转环流系
22、统逐渐北移,伴随着主降雨带北移(Thorncroftetal.,2011;Nicholsonetal.,2018)。北非季风区降水与全球 Hadley 环流以及区域季风环流密切相关,其年际变率与海温有关(Biasutti,2019)。关于北非夏季降水年际变率与海温的关系,有研究发现几内亚湾降水异常增多的年份,热带大西洋海温正异常(Lamb,1978a,1978b)。此外,也有研究强调北非夏季风降水与地中海海温、印度洋海温、和半球间海温梯度的关系(Follandetal.,1986;BaderandLatif,2003,2011;Rowell,2003)。El NioSouthern Oscil
23、lation(ENSO)作为太平洋海温年际变化的重要信号,调控北非夏季风降水的年际变化。利用基于奇异谱分解(SVD)的最大协方差分析发现,西非 69月季风降水与同期全球 SST 的年际变化有两种主要遥相关关系,其中主模态反映萨赫勒降水与东太平洋海温负相关关系(Jolyetal.,2007)。但北非夏季风降水的年际变化与 ENSO 的关系并不稳定。前人研究表明,在年际尺度上,79 月几内亚湾沿岸与萨赫勒地区的降水异常可分为偶极型(即两地降水异常相反)与非偶极型(即两地降水异常一致)两类(Rowelletal.,1995)。20 世纪 70 年代前,两地夏季降水异常表现为偶极型特征,与热带图1北非
24、表面高度(填色,单位:m)分布,其中粗黑框表示北非季风区,红框表示萨赫勒地区Fig.1SurfaceelevationofNorthAfrica(shadedcolor,units:m).TheblackboldlinearearepresentstheNorthAfricasummermonsoonregion,andtheredlinearearepresentstheSahel4期邱慧等:北非季风气候态及其年际变率的数值模拟:基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析No.4QIUHuietal.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilit
25、yoftheNorthAfrican.1067大西洋海温的年际变化密切相关,而与 ENSO 相关性弱,20 世纪 70 年代后,该偶极型降水异常消失而呈现非偶极型特征,降水的年际变化与ENSO 的相关性增强,在 ElNio 年北非夏季风降水负异常,反之亦然(Ward,1998;Mohinoetal.,2011;Losadaetal.,2012)。ENSO北非夏季风降水遥相关响应通常可利用大尺度环流解释,在 ElNio 发展年,赤道中东太平洋海温增暖,Walker环流减弱东移,赤道中东太平洋对流层高层异常辐散,而印度洋上空异常辐合,产生异常下沉运动并延伸至北非地区,导致降水异常减少(Jolyan
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