太平洋北赤道逆流的模拟偏差研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenzhensheng0
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
在海洋模式比较计划中(The Ocean Model Intercomparison Project,OMIP),几乎所有CORE-Ⅱ(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments version2)强迫场驱动的海洋模式模拟的太平洋北赤道逆流(the Northem Equatorial Countercurrent,NECC)和实测相比都偏弱很多。针对这个海洋模式普遍存在的问题,我们使用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的耦合模式CESM2(The Community Earth System Model version2)、海洋模式POP2(The Parallel Ocean Program version2)及大气物理研究所研发的LICOM3海洋模式(LASG/IAP Climate System Ocean Model Version3)对太平洋NECC的模拟偏差进行了深入分析。其中CESM2和POP2模式能够在线输出动量方程中的所有外强迫项,这里包括:水平海流的时间变化项,平流项,水平压力梯度力项,表面风应力项和水平摩擦项。我们通过动量收支分析发现,对于海洋模式中气候态年平均NECC的模拟,线性风应力项、非线性平流项及摩擦项是三个最主要的外强迫项:风应力是最主要的驱动项,摩擦项是最主要的耗散项,平流项和余项的影响都较小。
  CORE-Ⅱ外强迫风场偏差是海洋模式中太平洋北赤道逆流模拟偏弱的重要原因。CORE-Ⅱ外强迫风场是在NCEP/NCAR再分析风场数据的基础上,用QuikSCAT卫星反演风场数据进行修正得来的。修正过程对太平洋NECC模拟偏弱的影响有2点:(1)QuikSCAT中的风场数据并不是绝对10m风(→U10m),而是等效10m中性风(→U10n)。等效10m中性风(→U10n)通常被定义为:中性稳定的海气界面条件下,在给定应力下产生的风。等效中性风(→U10n)和海表风应力有着一一对应的关系。在海气交界不稳定的区域,尤其是热带海洋(例如暖池)和冬天的西边界流区域,等效10m中性风(→U10n)比观测10m风(→U10m)要强很多,二者之间的差异通常为几十厘米/秒,如果风速较低,二者的差距会更大。因此,如果我们用QuikSCAT中的等效10m中性风(→U10n)订正NCEP/NCAR再分析绝对10m风(→U10m),会造成这些不稳定区域风速的虚假增长。而将订正后的风场作为“观测风”驱动海洋模式会造成热带海洋区域海表西向风应力的虚假增强,进一步影响太平洋NECC上空(3°N~8°N)的风应力旋度,使NECC上空形成风应力旋度经向梯度的负偏差,导致太平洋NECC的模拟偏弱。(2)等效10m中性风(→U10n)中已经包含表层海流的信息,→U10n是和相对风(→U10m-→Uo)有关的变量,其中→U10m是10m矢量风,→Uo是表层海流。目前,海表风应力的计算中已经把海流的作用考虑在内,公式如下:→τ=ρaCDN|→U10m-→Uo|(→U10m-→Uo),也就是说表层海流的作用已经通过相对风(→U10m-→Uo)算入通量公式中了。所以如果我们用QuikSCAT修正后的10m风计算海表风应力,表层海流对海表风应力的影响在模式中会被计算两次。NECC上空平均态的纬向海表风和表层海流的方向相反,所以NECC上空的西向风应力会被虚假增强,NECC南北两侧的SEC和NEC上空的西向风应力会被虚假减弱,进而使NECC上空风应力旋度梯度及其经向梯度发生变化。因此,表层海流二次计算的偏差会造成海洋模式中NECC模拟偏弱。
  OMIP试验中新强迫场JRA-55(Japanese55-year Reanalysis)中也存在QuikSCAT订正这一步骤。分析发现,QuikSCAT修正、风应力中表层海流的二次计算也会使JRA-55试验中太平洋NECC变弱,二者的影响途径都是通过改变赤道太平洋上空海表风应力及风应力旋度的分布。其中QuikSCAT修正的影响较大。和CORE-Ⅱ强迫场相比,JRA-55试验在中西太(232°E以西)模拟的NECC强于POP试验,和Johnson观测更接近。东太(232°E以东),JRA-55试验模拟的NECC弱于POP试验。从整个太平洋海盆(150°E-270°E)NECC的空间分布和NECC流量平均值来看,JRA-55强迫场更有利于NECC的模拟研究。
  NECC的模拟差异在各个季节是不同的。由于目前可用的赤道太平洋海流观测数据有限,我们将CESM试验结果作为参考,分析CESM和POP间太平洋NECC的模拟差异,用于理解单独海洋模式的偏差。分析发现,CESM和POP之间的差异在2、3、4月(春季)最大,这也正是NECC较弱的月份;而在9、10、11月(秋季)偏差最小,这是NECC较强的月份。通过对NECC模拟中各强迫项的单独分析,我们发现,春季,CESM和POP之间的模拟差异主要来自平流项(13.9Sv),其次是风应力项(11.2Sv),余项的贡献最小(-7.7Sv)。而在秋季,风应力项对模式差异的贡献最大(9.1Sv),平流项(0.1Sv)和余项(-0.6Sv)的作用较小。这个结果表明了NECC的模拟差异在各个季节的原因也是不同的。
  同时,季节分析的结果和年平均结果差异很大。年平均的CESM和POP中NECC的模拟差异主要来自于风应力项,平流项和余项的作用很小。而季节偏差分析中,平流项、余项的贡献和风应力项一样重要,不可忽略。这种存在于季节和年平均结果之间的较大差异表明:线性Sverdrup理论适用于模式的气候态年平均结果,但是在年以内的季节时间尺度上,非线性项的作用变得非常重要,线性Sverdrup理论已经不再适用。
其他文献
作为亚洲季风系统重要的组成部分,东亚冬季风的变化对北半球甚至全球的天气气候都有重要的影响。东亚大气环流存在6月和10月两次行星尺度的突变。大气环流的季节转换与季风的爆发之间既密切联系,又差异明显。6月行星尺度环流突变对应于江淮梅雨的开始,而非南海夏季风的爆发。那么,10月份大气环流突变是否意味着东亚冬季风的建立?这是一个值得研究的科学问题。本文利用NCEP/NCAR、CRU、OLR、HadISST
物种多样性的大尺度格局是物种空间分布最显著的特征之一。200多年前,生物地理学家就注意到物种丰富度表现出巨大的空间(地理)差异,其中最明显的现象就是从赤道附近的热带到两极物种丰富度具有显著差异。这一现象吸引了众多生态学家和生物地理学家对其成因机制的探索,并提出了100多种假说来解释它的形成机制。如水热动态假说、生态位保守假说、生境异质性假说等。本研究将以分布广泛且物种多样性丰富的杨柳科(Salic
学位
雷电可以分为云闪和地闪,是伴随强对流天气发生的一种强烈放电现象,也是重要的自然灾害之一。为了有效地减少雷电灾害,发展有效的雷电定位和监测技术(包括云闪和地闪),了解雷电的活动规律至关重要。同时,对雷电的科学认识,不仅需要了解雷暴整个生命史的雷电活动规律,也需要确定雷电辐射源的三维空间位置,甚至要求对雷电进行放电通道可分辨的三维动态精细定位和探测。为此,我们发展了一个兼有研究和业务功能的北京闪电定位
学位
土壤参数的精度对陆面过程模型的模拟具有重要意义。站点尺度的土壤参数调查,其空间代表性与陆面过程模型所需要的格点尺度不一致,而利用卫星遥感数据有可能估算模型格点尺度的土壤参数值,但需要有效的地面验证。青藏高原高寒草甸土壤有机碳含量高,可显著改变土壤水热力学性质,进而影响土壤温湿度状态和陆地表层水热收支。本论文的研究目标是使用低时间频率的土壤水分观测资料作为输入,估计土壤有机碳含量,为使用卫星土壤水分
风电场与复杂的非均匀大气边界层有着重要的相互作用。风能行业开展的主要工作并不能关注这方面的变化。然而,最近的研究报告表明,通过提高对大气与风力发电机之间相互作用的理解,不但找到了促使风力发电机技术进步的新方法而且改进了风力发电机性能验证和操作流程。风力发电机与大气的相互作用发生在不同的尺度上。了解中尺度大气和风力发电场之间的相互作用可以有助于使风能产业成为电网的基本能源来源。此外,理解大气对风电间
学位
为了满足世界人口增长的需求,合成氮肥被越来越多地生产和消费。肥料的施用伴随着气体损失,带来了巨大的环境问题、气候变化和经济损失。氨挥发是肥料向环境中损失的途径之一。氮肥性质、环境条件和管理条件的不同,会导致不同程度的氨排放到大气中。例如,尿素施用引起的氨排放占全球合成氮肥氨挥发总量的一半以上。一些方法已经被用于估算氮肥施用引起的氨排放。目前,考虑了影响氨挥发的多种生物地球化学因素的日尺度机理模型,
学位
ICM(Integrated Climate Model)模式是2008年在中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心黄荣辉院士的倡议下开始发展,最初目的是服务于东亚-西北太平洋地区季节气候预测。2014年发表第一版本ICM.V1,发现它对气候平均态、ENSO以及ENSO对东亚地区影响的关键物理过程,尤其是西北太平洋印度洋-西北太平洋电容器效应(IPOC)均表现出较高的模拟技巧。为了传承ICM.V1
降雪是北京冬季的重要降水天气过程,也是开展人工增雪作业的重要天气对象,但目前对该地区降雪形成物理过程及降水机理的研究并不多,尤其是对降雪过程及其人工播云催化进行超高分辨率的模拟研究工作还没有。为满足2022年北京冬奥会气象服务和人工增雪保障的需求,本论文针对北京冬季三次典型降雪云系微物理特征进行观测与数值模拟研究分析,揭示了降雪形成的微物理机制,在此基础上开展复杂地形和边界层方案对降雪过程影响以及
学位
等密度层厚度扩散系数(简称厚度扩散系数)作为目前主流中尺度涡参数化方案(GM90方案)中的重要参数,对温盐、环流以及气候变化响应的模拟都有显著影响。理解厚度扩散系数是如何产生影响的,对气候海洋环流模式中尺度涡参数化发展具有重要意义。本文分别离线和在线诊断了三大类厚度扩散系数对温盐和环流模拟的影响,并且分析了其对气候变化响应模拟的影响。同时,通过增加被动示踪物来分离厚度扩散系数的直接和间接影响,说明
本文针对前人对于特定状态的可预报性研究的不足,提出了新的两类可预报性:向前可预报性和向后可预报性。在非线性局部Lyapunov指数(NLLE)理论方法的基础上,给出了定量确定向前与向后可预报期限的算法。将算法应用到理论模型中,定量估计了理论模型中相空间状态点的局部向前与向后可预报期限。随后研究了初始误差、参数误差以及模型参数的变化对于向前与向后可预报性的影响。同时文中还考察了向前与向后可预报性的关
学位