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

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Historical与AMIP试验对北非地区1979~2010年7~9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、3.23 mm,Historical试验为3.30 mm、4.01 mm,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。

全球稳定增温1.5℃下北非夏季风降水的响应及其机理

利用第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模式模拟结果,研究了21世纪末全球稳定增温1.5℃下北非夏季风降水的变化及机理。结果表明,全球稳定增温1.5℃较1985—2014年北非夏季风降水将增加0.26 mm/d,区域降水敏感度为4.8%/℃,且季风区北部降水增幅大于南部。基于水汽收支诊断发现热力项对季风区总降水增加作用明显,动力项对降水空间变化起重要作用。进一步分析当地水汽条件及相应环流场发现:在热力上,相对于1985—2014年,稳定增温1.5℃加强了北非地区表面温度及低层水汽输送,有利于当地维持更高的大气可降水量。在动力上,稳定增温1.5℃下显著的撒哈拉沙漠增温加大了海陆温度梯度,增强了对流层低层季风环流,同时非洲东风急流北移,使得季风区北部低层气流辐合加强,而高层热带东风急流减弱会导致季风区高层辐散运动减弱。总的来说,热力项增加了整个季风区降水,而动力项增强了季风区北部降水,减弱南部降水,主导了降水变化的空间格局。