CMIP6/AMIP多模式对东亚梅雨模拟能力的评估研究

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东亚夏季风于6—7月推进到中国江淮流域、日本南部以及朝鲜半岛,相对应的夏季风雨季在中国称之为“梅雨”。梅雨是东亚夏季风的重要成员之一,其降水异常将为我国长江中下游流域、韩国及日本地区带来严重的旱涝灾害。梅雨带有很大部分位于海洋,传统的观测手段难以满足海洋上空梅雨监测的需要,然而,目前高精度再分析资料与大气模式对于梅雨降水的表征仍具有不确定性。为提高模拟东亚梅雨的准确性,本文首先利用两套观测分析资料,即热带降水测量计划(TRMM),全球降水气候学计划(GPCP),及四套再分析数据(MERRA2、ERA5、JRA55和NCEP/DOE)研究了1998—2017年的梅雨降水特征,并将其中表现优异的资料作为评估模式的参考数据。在此基础上,系统评估了1998—2014年第六次国际耦合模式相互比较项目(CMIP6)中大气模式互比计划(AMIP)中的35个模式对东亚梅雨的模拟能力,主要研究结果如下:(1)在评估再分析资料模拟梅雨的工作中,MERRA2和ERA5的梅雨均值和标准差的空间分布情况与TRMM一致,而JRA55(NCEP/DOE)在中国长江中下游地区(靠近日本南部)的梅雨均值和方差偏小。各资料与TRMM年际变率的相关性从高到低依次为MERRA2、GPCP、JRA55、ERA5和NCEP/DOE。在强弱梅雨年的大尺度气象场方面,除NCEP/DOE外,所有再分析资料都显示强梅雨年时梅雨区的大气相对湿度大于弱梅雨年,日本和韩国地区的相对湿度大于长江中下游地区。推荐将TRMM和MERRA2作为模式评估梅雨及其物理过程的参考数据。(2)在评估CMIP6/AMIP模式模拟东亚梅雨的工作中,在模拟梅雨气候态方面,AMIP模式在韩国南部和日本地区的梅雨空间分布比在我国长江中下游地区模拟得更好,35个AMIP模式中有14个可以较为真实地模拟韩国南部和日本的降水,仅7个模式能准确再现长江中下游的梅雨降水。在模拟梅雨年际变化方面,GFDL-CM4和GFDL-ESM4模拟的降水标准差最接近TRMM,有12个模式的标准差与TRMM相比偏小。(3)利用空间相关系数(Pattern Correlation Coefficient,PCC)、年际变率评分指标(Interannual Variability Score,IVS)计算了模式综合评分指标(Comprehensive Ranking Measure,CRM),根据IVS和CRM两个指标分别挑选出35个模式中排名前20%和后20%的模式,进一步给出了模式模拟梅雨优劣的原因。从模拟梅雨气候态的角度,探讨了CMIP6/AMIP模式如何再现梅雨降水与西太平洋副热带高压及副热带西风急流之间的关系。结果表明,CRM排名前20%的AMIP模式能够真实地再现东亚—太平洋(East Asia-Pacific,EAP)遥相关型、副热带西风急流与西太平洋副热带高压的位置。从模拟梅雨年际变化的角度而言,IVS排名前20%的AMIP模式可以准确表征梅雨降水对赤道东太平洋和热带印度洋海温距平之间的正相关关系,相对真实的反映出了梅雨降水对厄尔尼诺—南方涛动(El Ni(?)o-Southern Oscillation,ENSO)及印度洋海温一致模态(Indian Ocean Basin Mode,IOBM)的响应。
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