全球地形影响大气和海洋经圈环流的耦合模式研究

利用气候系统模式(CESM1.0)研究陆地地形改变对大气海洋经圈环流的影响。模式首先给出真实海陆分布及陆地地形情况下的大气海洋气候态,然后给出平板陆地情况下(陆地海拔均匀10 m)的气候态。与真实世界相比,平板陆地情形下大气海洋经圈环流发生重大改变:首先,年平均大气对流中心南移到赤道附近,使得大气哈德雷环流相对于赤道对称;其次,海洋的经向翻转流变强,大西洋经向翻转流完全消失,取而代之的是在太平洋出现强大的经向翻转流及热盐环流。在平板陆地情形下,北半球中高纬度大气抬升减弱,向北的大气热量输送减少,北半球温度降低,大气对流中心因而向赤道迁移;同时,海洋向极地的热量输送也减弱,中高纬度海洋变冷,北太平洋海水密度增加很多,北大西洋海水密度降低,导致海洋经向翻转流从大西洋转移到太平洋。

大西洋热盐环流减弱对热带太平洋气候平均态及年际变率的影响

利用一个完全耦合的海气模式,通过对比分析两组试验中海表温度、盐度、风应力等气候态变化特征以及ENSO强度和频率的变化,研究热带太平洋气候平均态及年际变率对热盐环流减弱的响应。在北大西洋高纬地区注入1 Sv淡水后,大西洋经向翻转流(AMOC)减弱约90%,这直接导致向北的经向热量输送减少,使北大西洋有明显降温,南大西洋略有升温。这些变化会经过大气和海洋的远程传播以及局地海气反馈作用,影响热带太平洋气候平均态:赤道东西太平洋的SST都略有增温,但纬向温度梯度和纬向风应力并没有太大变化,赤道太平洋温跃层的深度和倾斜度也基本保持不变。相应地,ENSO强度和频率也没有明显变化。由此得出结论:热盐环流减弱会引起全球气候平均态的变化,但对热带太平洋的年际变率没有太大影响。

水球世界气候态与经向热量输送的数值模拟试验

利用完全耦合的气候模式(FOAM),通过两组理想的水球试验,研究水球气候系统中的平均气候态和经向热量输送。两组水球试验分别是Aqua和Ridge,前者整个星球完全被水覆盖,没有任何陆地,后者与前者的唯一区别是从南极到北极有一道连续的地脊。相比于现实世界,水球世界的气候更加温暖,极地几乎没有海冰。北半球的经向温度梯度较现实世界弱,导致北半球的大气经向热量输送较小。这些差别主要来源于海陆分布改变造成的行星反照率的改变,而云量的增加部分抵消了这种改变。尽管在两个水球试验中海洋环流和平均温度场差别很大,但大气平均气候态差别不大。不同于Ridge,在Aqua中赤道区域出现"反"哈德雷环流,使得低纬度大气向赤道方向输送热量。尽管水球世界的海洋环流与现实世界相比发生了巨大改变,但总的经向热量输送及其在大气和海洋之间的分配依然保持稳定。中小尺度的涡旋和扩散引起的经向热量输送部分抵消了大尺度环流引起的经向热量输送,尤其在中纬度起着重要作用。

北大西洋热盐环流对温室气体浓度变化的响应

利用海–气耦合模式模拟了北大西洋热盐环流对外强迫的平衡响应。大气中CO2浓度加倍后,热盐环流强度将减弱约20%;大气中CO2浓度减半后,热盐环流将增强约13%。研究结果表明,热盐环流对外强迫的响应有两个阶段:瞬变阶段和平衡阶段。瞬变响应主要取决于局地海表热通量和淡水通量的变化,平衡响应还与非局地热量输送和淡水输送过程有关,两个过程作用相互竞争。在CO2加倍实验中,与淡水输送相关联的正反馈作用更强,导致热盐环流略有恢复;在CO2减半实验中,热量输送与淡水输送作用相抵,热盐环流没有明显的恢复。此外,海水密度与其温度的非线性关系导致CO2加倍和减半实验中热盐环流的响应大小是非对称的。

温室气体变化数值模拟试验中全球降水和温度变化的迟滞效应

利用耦合气候模式(GFDL-CM2.1)研究变动气候背景下全球平均降水和温度的变化。不同情景CO2强迫试验表明,降水变化存在明显的迟滞效应。全球平均降水与地表温度的变化存在显著的线性关系,但是降水同时也受到CO2浓度的直接影响。在CO2增加又恢复的试验中,降水变化滞后于地表温度变化,出现降水"迟滞效应"。在CO2增加过程中,温室效应增强会立即导致大气长波吸收增强,大气获得的净辐射能量增加,为维持大气能量收支平衡,地面向上潜热通量受到抑制,形成CO2增加对降水的抑制效应。随之而来的温度上升则主要引起大气层顶出射长波辐射以及大气对地表的长波回辐射增加,大气净辐射能量减少,地面潜热通量增加,从而引起降水的增加。在CO2减少过程中,情况正好相反,温室效应减弱会增加降水,而温度降低会减少降水。温度和CO2对降水的不同影响决定了降水的迟滞效应。

青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响

利用耦合的气候模式CESM,定量研究青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响。通过对比采用真实地形的参考实验(Real)和去掉青藏高原的敏感性实验(NoTibet)发现,去掉青藏高原会使北半球大气变冷、变干,对南半球的影响不明显。北半球中高纬度从地表至平流层均有强烈降温,地表的降温中心在北大西洋,年平均降温幅度达5oC,高空的降温中心在100 hPa的平流层,年平均降温幅度达2oC。北大西洋和南亚地区湿度减少,南大西洋和东非地区湿度增加。北半球变冷主要是海洋向北经向热量输送减少的结果,一方面增强了北半球的经向温度梯度,导致Hadley环流增强,加强了中低纬地区向北的大气热量输送,部分补偿了海洋向北减少的热量输送,维持了北半球中低纬度的能量平衡;另一方面,使得北半球中高纬度蒸发作用减弱,大气中水汽含量减少,北半球变得寒冷干燥。初步的研究表明,青藏高原对北半球气候有重大影响,影响范围可达北半球高纬度地区。

导致西太平洋海温异常的主要因素研究

通过对不同区域海表面温度（SST）资料做超前/滞后相关性分析,研究导致西太平洋SST异常的主要因素。基于东、西太平洋相互作用理论和印度洋电容器效应理论,将热带西太平洋SST异常的变化分别与热带东太平洋和印度洋SST异常做超前/滞后相关性分析,得到每个格点与强迫场之间相关性最显著的月份,从时间的角度研究西太平洋SST异常变化与东太平洋和印度洋之间的关系。按照上述两种理论,由于海洋的比热大,热响应时间较长,西太平洋SST变化应滞后于东太平洋或印度洋2~3个月。分析结果显示,在El Nino和La Nina事件下,西太平洋SST异常变化均超前于东太平洋1~2个月时相关性最显著;同时,西太平洋SST异常变化超前于印度洋3~4个月时相关性最显著。这表明热带东太平洋和印度洋都不是导致西太平洋SST异常变化的主要因素,西太平洋SST异常可能由多种因素共同作用所导致。

副热带太平洋海温异常对赤道海洋的影响

利用完全耦合的气候模式进行敏感性试验,定量研究副热带太平洋不同经度带的海表面温度异常(SSTA)对赤道太平洋的影响。研究发现,赤道表层和温跃层海温对副热带太平洋(20°—30°N)西部、中部和东部SSTA的热力响应是相当的。研究中强调大气海洋耦合在副热带SSTA影响赤道温跃层过程中的决定性作用,并提出一种间接的、较"海洋通道"机制更为快速的机制:副热带SSTA引发局地大气的气旋性响应,继而引起局地海洋内区的上升流和其面向赤道一侧海洋内区的下沉流,该下沉流造成的局部温跃层暖异常向着赤道传播,导致赤道温跃层增暖。

估计变动气候中大气和海洋经向热量输送

气候系统准平衡态的维持决定于大气-海洋的经向热量输送.由于全球海陆分布南北半球严重不对称,海洋向极热量输送关于赤道也是非对称的.然而,全球热量输送的一个最显著特征就是大气-海洋总经向热量输送关于赤道反对称.这暗示着大气经向热量输送会弥补海洋热量输送的非对称性,同时也说明大气与海洋热量输送之间存在着某种约束关系.对这一基本问题的深入研究有可能揭示一些气候系统的关键约束因素,减少复杂气候系统的自由度或不确定性,使得人们能以更简洁的方式理解气候系统及其变化.在变动气候背景下,大气-海洋经向热量输送的变化以及这二者之间可能存在的"Bjerknes补偿"关系的研究,是目前气候变化研究领域前沿课题之一."Bjerknes补偿"所暗示的大气-海洋经向热量输送的协同变化揭示了海气系统的一个耦合方式,将极大加深人们对复杂气候系统变化的理解.

东亚季风区植被变化对局地气候的短期影响

利用CCSM(Community Climate System Model)模式3.5版本,研究了东亚季风区森林覆盖度增加对局地气候的短期影响.模拟结果显示森林覆盖度增加后,全年平均气温降低0.93℃,其中夏季降低1.46℃,冬季降低0.40℃,有利于缓解全球变暖在该地区的影响.森林覆盖度增加后,全年平均降水增加,其中4月份降水增加最显著,达到7%.森林覆盖度增加后植被的蒸散作用增加是导致该地区降温的主要原因.夏季比冬季降温明显主要是由于夏季蒸散比冬季大.蒸散增大的同时也导致了大气中水汽含量增加,再加上森林覆盖度增加引起地表粗糙度增加,从而形成气旋式辐合及异常的垂直上升运动,导致降水增加.此外,森林覆盖度增加也使地表反照率降低,造成地表反射短波辐射明显减少.

2021年河南极端降水的气候变化归因:对流组织的影响

本文研究了河南“21·7”极端降水事件的气候归因.研究利用区域云解析模式模拟,对该事件采用了基于准地转单柱模拟方法的条件归因.在准地转单柱模拟中,大尺度垂直运动是由简化的准地转垂直速度方程在由动力强迫(基于观测的再分析数据)和潜热释放(基于云解析模拟)共同作用下计算得到.研究发现,气候变暖可能导致区域尺度和台站尺度强降水的显著增强,分别为10~14%K^(-1)(取决于对流组织)和7~9%K^(-1).通过比较无对流组织、由地表温度异常导致的团状对流组织和由垂直风切变导致的线状对流组织这三种情况,我们进一步探讨对流组织如何影响极端降水及其气候响应.研究发现,线状对流对大尺度动力强迫更为敏感,其造成的极端降水在区域和台站尺度上都较无组织的对流更强;而团状对流较无组织的对流只稍微增强了台站尺度极端降水.由于线状对流具有更强的潜热反馈,其区域尺度极端降水气候敏感性较无组织对流大2~3%K^(-1).同时,模拟结果没有发现台站尺度极端降水气候敏感性对于对流组织的系统性依赖.

不同分辨率下青藏高原对大西洋经向翻转流影响的耦合模式研究

利用耦合地球系统模式CESM1.0,探究不同分辨率下青藏高原对大西洋经向翻转流(AMOC)的影响。对比有青藏高原地形与无青藏高原地形的试验,发现移除青藏高原后AMOC的变化与模式分辨率有关,不同分辨率下AMOC的变化不一致,低分辨率试验中AMOC强度降低89%,高分辨率试验中仅降低13%。产生这种差异的原因是,不同分辨率下对深水形成有重要贡献的混合层潜沉位置和强度的变化显著不同:低分辨率试验主要位于格陵兰海?冰岛海?挪威海(GIN),高分辨率试验主要位于拉布拉多海,移除青藏高原后,高、低分辨率试验中潜沉均减弱,但低分辨率试验中减弱幅度大于高分辨率试验,高分辨率试验中位于拉布拉多海的潜沉强度减弱最明显,低分辨率试验中所有海域的潜沉强度均减弱,GIN海域尤其明显。模拟结果与观测风场数据以及北大西洋深水形成最新观测结果的对比表明,在所研究海域,低分辨率耦合模式的模拟结果更接近观测值。

两种可能演变情形下20世纪热盐环流演变特征的重建

作为气候系统中的重要成员,热盐环流在20世纪的演变特征对于其自身演变规律及其相应气候影响的研究十分关键.研究该问题两种途径(直接观测与间接重建)的结论存在显著差异(减弱与非减弱),且可信度皆有待进一步提高.本文基于热盐环流强度改变所引起的最显著气候影响—南北半球间海气界面温度(表面海温及气温)的"翘翘板"现象,在两种可能的演变情形下,由相应的模式试验建立海气界面温度"跷跷板"现象强度与热盐环流强度异常间的统计模型,继而由多个实测海气界面温度资料集对该时期热盐环流的强度异常进行重建.模式试验结果表明,减弱情形下热盐环流的强度异常与"跷跷板"现象的强度之间在10a以上尺度范围内显著相关,非减弱情形下两者在40a以上尺度范围内显著相关.本文两种情形下的重建结果相一致,同时指出工业革命以来热盐环流的演变经历了"减弱-增强-减弱-增强"4个阶段,且年代以上尺度范围内的变化幅度约1Sv.4个演变阶段的转换时间分别为20世纪10年代中期、20世纪40年代及20世纪70年代中期.本文结论进一步验证了前人的重建结果,指出该时期热盐环流可能未发生趋势性的减弱,还是以年代际波动为主.