耦合模式FGOALS-g中短波辐射通量对ENSO反馈的偏差分析和改进研究

The feedback between shortwave radiation and sea surface temperature anomaly is one of the dominant factors that drive El Niño-Southern Oscillation (ENSO) evolution, having important effects on the ENSO amplitude, skewness and phase lock etc. However, most contemporary coupled models have large biases, especially in the amplitude, skewness and error compensation between underestimated cloud fraction feedbacks and overestimated liquid water path feedbacks. This project will focus on the above biases analysis, attribution and improvement using the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model grid version (FGOALS-g) developed by the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences. First, the sources of these biases in the FGOALS-g would be identified, and the relationships between these feedbacks and their corresponding climatological mean variables would be described. Then the mechanisms how the physical process and resolution influence these feedbacks biases would be analyzed. At last, the further improvement for the SW feedback simulation in the FGOALS-g will be explored through modifying the model physical processes and increasing the model resolution. The successful implementing of this project will enhance the understanding of the SW feedback during ENSO and provide the reference and theoretical basis for other coupled models.

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）期间短波辐射通量对海温异常的反馈是ENSO发展演变的重要驱动因子，它对ENSO振幅、偏度和季节锁相等都有重要影响。然而目前大部分耦合模式对它的模拟偏差特别大，特别是在强度、不对称性以及弱云量反馈和强云水路径反馈的相互抵消三方面。因此，本项目拟以中国科学院大气物理研究所的耦合模式FGOALS-g为平台,研究这三方面偏差的形成原因，阐明这些反馈偏差与其对应的气候平均变量偏差之间的联系，揭示这些反馈偏差与模式某个（些）物理过程和分辨率之间的联系和物理机理，最后通过改进物理过程和提高模式分辨率，减小FGOALS-g在这三方面的偏差。项目的成功实施将将有助于更加深入理解ENSO期间短波辐射反馈模拟偏差的原因，为其它耦合模式的改进提供参考和依据。

ENSO期间由于海温异常变化引起云和到达海表的短波辐射通量变化进而影响海温变化的反馈过程称为短波辐射通量反馈，它是ENSO模拟中最难模拟的反馈过程，也是衡量气候模式模拟性能的重要指标，然而目前气候模式对此存在明显偏差。为综合探究这种偏差原因，项目从三方面开展研究：（一）定量分离了模式内部变率和外强迫对ENSO模拟影响，指出两者对ENSO振幅影响明显,而对不对称性和周期的影响比较复杂；（二）提高模式分辨率，改进边界层、积云对流和云量等物理过程方案，改进了FGOALS-g模式对ENSO及短波辐射通量反馈相关的反馈和平均态等的模拟，并揭示了反馈和平均态之间的物理机理联系；（三）全面分析第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的19个大气和耦合模式，指出大气模式对短波反馈较CMIP5有明显改进，但存在“负负得正”现象，包括云量（反馈）低估和云水路径（反馈）高估以及层云降水（反馈）低估和对流降水（反馈）高估等，这使得耦合模式较CMIP5略有退步，其中FGOALS-g3是模拟偏差最小的模式之一。此外项目还将反馈分解方法拓展应用到气候敏感度中的云反馈分析中，得出了更深入的物理理解和认识，得到了多位审稿人的高度评价。项目改进的模式已被一项国家重点研发项目作为主要模式平台应用开展超大集合样本试验，模式数据被广泛下载和应用；基于CMIP6多模式得出结论为下一代CMIP模式发展和构建提供了参考和方向；提出的反馈分解方法有望应用于气候变化和古气候模拟等领域；项目资助发表论文7篇，其中SCI论文6篇，还有2篇论文分别再审和待投。