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。
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。