用LASG/IAP大气环流模式模拟东亚副热带西风急流外文翻译资料

 2022-12-25 12:12

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用LASG/IAP大气环流模式模拟东亚副热带西风急流

摘要

本文研究了LASG / IAP(大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室/大气物理研究所)两个大气环流模式(AGCMs),即GAMIL和SAMIL在模拟对流层上部的东亚副热带西风急流的主要特征时的性能。两个模式都很好地模拟了平均垂直和水平结构以及东亚副热带西风急流(EASWJ)位置与对流层上层经向温度梯度的对应关系。然而,相对于观测资料,两种模式都低估了冬季和夏季的东亚副热带西风急流强度,并且无法模拟夏季中期主要东亚副热带西风急流中心的双峰式分布,尤其是SAMIL模式。发现模拟东亚副热带西风急流强度的偏差与对流层中经向温度梯度偏差有关,此外还与地表显热通量和凝结潜热有关。模式捕捉了在30°-45°N之间的平均非绝热加热速率的季节演变的主要特征,以及它与西风急流的关联。然而,模拟的夏季最大非绝热加热速率与观测位置相比位于西侧,且具有较强的非绝热加热强度,特别是在GAMIL模式中。模拟非绝热加热场的偏差导致模拟对流层上层温度分布的偏差,这可能进一步影响东亚副热带西风急流的模拟。因此,有必要改进对经向温度梯度以及对流层非绝热加热场的模拟,以改进GAMIL和SAMIL模式对东亚副热带西风急流的模拟。

关键词:东亚副热带西风急流,GAMIL,SAMIL,非绝热加热

  1. 引言

东亚副热带西风急流(EASWJ)是东亚副热带地区一个窄而强的西风带,具有较大的水平和垂直切变。以往的研究发现,东亚副热带西风急流的季节性跳跃与东亚的季风气候密切相关(Yin,1949; Yeh and Zhu,1955; Yeh et al.,1958),西风急流中心的经向移动与亚洲季风爆发和东亚降雨的年际变化有关(Lau et al.,1988; Ding,1992; Liang and wang,1998;Li et al.,2004;zhou ang yu,2005)。观测研究表明,东亚一般大气环流模式和相关雨带的季节性转变与东亚副热带西风急流的经向运动以及纬向位移有关(Yeh et al.,1958;Tao et al.,1958; Li et al.,2004; Zhang et al.,2006)。杨等人(2002)指出,与ENSO相比,东亚副热带西风急流似乎与亚洲和太平洋地区的气候信号有更强的联系。东亚副热带西风急流的年代际变化与东亚夏季风区域的雨带变化密切相关。最近的一项研究发现7月和8月东亚地区300 hPa左右对流层上部有明显的降温趋势。伴随着夏季对流层降温,东亚副热带西风急流向南移动,东亚夏季风减弱,导致中国北方干旱增加,长江流域洪水泛滥(Yu et al.,2004)。气候模式模拟东亚副热带西风急流的性能与其对东亚季风的再现能力有关,但对这一问题的关注较少。东亚季风降水与对流层急流之间的密切关系为气候模式提供了良好的试验平台(Liang and Wang,1998; Liu et al.,2001; Zhou and Li,2002; Zhang and Guo,2005)。

气候系统模式是气候变化和变率研究的有力工具。自20世纪80年代以来,世界各地的模式小组已经开发了许多种类和版本的气候模式。大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,大气物理研究所(LASG / IAP)为开发综合气候模式做出了巨大努力。最近,IAP / LASG(GAMIL)的网格点大气模式和IAP / LASG的光谱大气模式(SAMIL)已被开发为气候系统模式中的大气成分(Wang et al.,2004; Wang et al.,2005a,b)。对SAMIL的早期版本R15L9及其耦合模式在模拟大气、陆地表面,海冰等气候平均状态方面的性能已经进行了评估(Liu et al.,1999a,b; Wu et al.,2004a,b; Wang et al.,2005a,b; Zhou et al.,2005a,b; Bao et al.,2006)。这表明该模式能够模拟气候平均状态和季节变化的主要特征,并且对厄尔尼诺事件的模拟响应也是非常合理的。然而,模式中仍然存在一些较大的区域偏差和不确定性,对GAMIL的评估是有限的(Dai,2006; Zhou and Yu,2006)。因此,对于这两种模式的开发,需要对模式输出进行更多诊断和进一步的物理解释。

本文的主要目的是研究LASG / IAP大气模式GAMIL和SAMIL在模拟东亚副热带西风急流的详细结构和季节演变中的性能。且对偏差的物理解释给予了特别关注。本文的另一部分组织如下。第2节简要介绍了模式和使用的数据。东亚副热带西风急流的详细结构和季节演变以及东亚副热带西风急流模拟的可能影响因素在第3节中介绍。结论在第4节中给出。

  1. 模式和资料介绍

本文使用的模式是LASG/IAP开发的网格点和光谱大气模式,分别命名为GAMIL和SAMIL。由LASG / IAP设计的GAMIL动态内核具有可调节的高分辨率,具体取决于可用的计算机的性能,并且非常稳定,没有任何滤波和平滑。一些重要的积分性质保持不变,如水平平流算子和垂直对流算子的反对称性,质量守恒,标准分层近似下的有效能量守恒等等(Yu,1994; Wang et al.,2004)。该模式的物理过程取自美国国家大气研究中心(NCAR)的社区大气模型版本2(CAM2)(Kiehl et al.,1996)。

GAMIL的水平分辨率为2.8125为times;2.8125为垂直层次为26层。本文使用的SAMIL模式是光谱模式的改进版本(Wu et al.,1996),它是光谱模式的第三个版本在水平分辨率为R42(大约2.8125°(lon)times;1.66°(lat))以及垂直层次为26的情况下截断后开发的(Wang et al.,2005a,b; Bao et al.,2006)。在周等人的参考文献中已经对该模式进行了详细的介绍(2005a)。为了与NCEP / NCAR再分析数据进行比较,将所有模式输出插值到2.5°times;2.5°的水平分辨率上。

times;

times;

利用大气模式比较计划(AMIP)提供的1980年1月至1989年12月的海面温度数据作为边界条件,分别对GAMIL和SAMIL进行10年整合。本文中用于与模式结果进行比较的其他数据是代表观察结果的月平均NCEP / NCAR再分析资料(Kalnay et al.,1996)和1980年至1989年的CMAP(Xie and Arkin,1997)数据集。所选择的NCEP/ NCAR再分析数据的气象要素包括纬向风、气温和地表显热通量。

  1. 结果

3.1 东亚副热带西风急流的水平结构

图1分别显示了冬季(12月,1月和2月)和夏季(6月,7月和8月)200 hPa的模拟和观测纬向风。在冬季,观测到东亚副热带西风急流轴位于30°N附近,日本东南部海域附近的最大纬向风速超过75米每秒。与观测结果相比,模式模拟的西风急流中心位置和急流轴的方向与观测结果吻合较好,但SAMIL再现的西风急流强度较弱,为60m/s,而GAMIL模拟的西风急流强度与观测结果相近。夏天,东亚副热带西风急流的轴线到达北方40°N,并且观测到东亚副热带西风急流的主要中心位于青藏高原北侧,强度为30m/s。对于这个季节,两个模式再现的西风急流强度都较弱,并且中心位置更偏北部,特别是SAMIL,模拟的急流中心强度观测值减弱了接近10m/s,西风急流明显向西和向北移动。

3.2 东亚副热带西风急流的垂直结构

由于海陆和地形分布的不均匀性,特别是青藏高原对大气环流的影响。在不同的地形上,西风急流的垂直结构存在明显差异(Liang et al.,2006)。为了评估模拟东亚不同地区西风急流的模式性能,给出了90°E,115°E和140°E处纬向风的纬度—高度剖面图。下垫面分别是青藏高原,平坦的地形和海洋。图2显示了冬季观测和模拟的沿90°E,115°E和140°E处的纬向风的纬度—高度剖面图。GAMIL

和SAMIL模拟的冬季西风急流的位置(高度和纬度)与观测结果一致。最大的西风出

图1. 200hPa上冬季(a,c,e)和夏季(b,d,f)各自的纬向风分布

(单位:m/s)(a,b)观测,(c,d)GAMIL,,(e,f)SAMIL

现在200hPa上25°—35°N之间。西风急流强度沿140°E最强,且向西逐渐减弱。在青藏高原周围,冬季西风急流核位于高原南侧,90°E处沿着高原两侧在的急流分叉在GAMIL和SAMIL中很好地再现。但模式模拟的南侧分支较弱,而北侧分支在40°N以南的位置重现。两个模式都再现了沿三个经度的纬向风都较弱,与沿140°E和115°E的观测值相比,西风急流中心分别在SAMIL中弱了接近20m/s,在GAMIL中减弱大约5m/s。

如图3所示,对夏季90°E、115°E和140°E的模拟和观测纬向风的分析表明,西风急流模拟存在明显的缺陷。夏季,纬向风最显著的特征是西风强度明显减弱,西风急流轴向北移动至40°N处,而西风急流中心位于青藏高原北侧。与冬季的情况相反,沿着90◦E的风速在三者中最强,在200hPa上强度为30m/s。与观测结果相比,模式模拟结果明显不同于这三个经度的观测数据,显示两种模式中西风急流强度弱5—10m/s。另外,东亚副热带西风急流的模拟位置更偏北,特别是在SAMIL中沿着140°E和115°E的。

3.3 东亚副热带西风急流的季节性演变

在本节中,我们将展示模式再现东亚副热带西风急流的季节演变的性能。图4显示了观察和模拟的90°E,115°E和140°E处纬向风的纬度—时间剖面图。观测结果中90°E处的西风急流中心1~4月稳定在28°N,4—5月北跳至32°N附近,然后向北移动到40◦N,之后在8月向南撤退。GAMIL抓住了西风急流沿90◦E的季节性演变的主要特征,但模拟的西风急流中心向北移,并在9月到达其最北端的位置。SAMIL模拟的西风急流中心3月—4月跳至40°N,7移至最北端的位置,接近53°N,该位置位于观测点北纬10°左右。沿115°E,观测到西风急流中心在4—5月明显向北跳跃,然后急流向北移动至42°N,并在8月向南撤退。由GAMIL模拟的北跳发生在3—4月,并且模拟

图2. 冬季纬向风沿(a,d,g)90°E,(b,e,h)115°E和(c,f,i)140°E的纬度—高度剖面图(单位:m/s)(a,b,c)观测,(d,e,f)GAMIL,(g,h,i)SAMIL.

的西风急流中心在7月移动至最北端的位置。对于沿115◦E的部分,在SAMIL中西风急流中心3—4月跳到37°N附近,直到8月向北移动至58◦N,在观测点北纬15°左右。与陆地上的情况相比,沿140◦E的向北跳跃不是突然的,8月西风急流中心逐渐向北移动到最北端47°N,之后又撤退到冬季的位置。在GAMIL模拟中,3月—4月和6月—7月有两次明显 的向北跳跃,模拟的西风急流在7月份移动到最北端位置52°N处。还有明确的SAMIL仿真中的差异,其中模拟的西风急流位于更北方,从6月到7月跳到56◦N附近。

东亚上空西风急流中心的的东西向位移也反映了东亚副热带西风急流的季节性演变。图5描述了东亚副热带西风急流核在东西向上观测到的和模拟的季节演变。在观测中,东亚副热带西风急流核6月前位于140°E附近,7月在90°E附近。表明东亚副热带西风急流核迅速向西移动。急流核在8月移动到最西端,8月到9月迅速向东撤退。之后急流核撤退至大约140°E。与观测值相比,在GAMIL中模拟的4月之前的经度位置与观测结果一致,但GAMIL重现了东亚副热带西风急流核的早期向西移动,东亚副热带西风急流核从4月开始向西移动,比观测结果提前3个月。在SAMIL中,东亚副热带西风急流核的位移接近于观测值,尽管SAMIL确实模拟了东亚副热带西风急流核在9月份较弱的向东撤退。

3.4 夏季中期东亚副热带西风急流的双峰分布

图6说明了观测和模拟的1980年至1989年间西风急流核的夏季中期发生频次。西风急流核的发生频次是20°—70°N和20°—120°E地区各经度的最大风速的百分比。观测中,东亚副热带西风急流核的大的发生频次出现在7月和8月的40°—60°E和80°-110°E之间,这就是夏季中期主要东亚副热带西风急流中心的双峰分布。这种现象不仅存在于五次平均观测资料中,也存在于月平均观测资料中(Zhang et al.,2002)。在图6b和6c中,GAMIL和SAMIL中东亚副热带西风急流中心的出现频次发生在80°E以东;近80%的东亚副热带西风急流核集中在那里。GAMIL和SAMIL都没能产生令人满意的东亚副热带西风急流双峰分布。

3.5 可能的机制

根据热成风原理,纬向风随高度的变化很大程度上取决于经向温度梯度。 先前的研究表明,强纬向风通常出现在对流层的锋区,并且纬向风的强度与气温经向梯度的强度成正比。非绝热加热也是对流层上下层温度变化的原因(Kuang and Zhang,2005)。我们将分析西风急流核的季节性变化与对流层上部的经向温

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