气候模式海洋模块中热含量的模拟能力检验方法研究

全球气候变化是当前国际关注的热点问题，其预测技术主要依赖于耦合数值模式模拟。近50年来使地球系统升温的能量84%进入了海洋，从而控制了气候变化的过程，因此海洋模块的模拟能力对整个耦合模式预测结果的可信度起重要作用。其中海洋热含量的时间、空间分布及变化特征，体现了热量受环流及垂向混合作用进行再分配过程，可以作为判断模式可靠性的限定条件。当模拟结果同时符合海表面温度和热含量的时空分布特征，可说明该模式可信度较高。.本申请项目将采用经验模态分解(EMD)方法，对海洋热含量及SST的模拟结果进行分析，从不同时间尺度上量化模式的可靠性，找出降低可靠性的可能物理机制以及改进办法，从而提高模式预测能力。本项目中的实测资料将采用 ISHII6.2 和 EN3 数据集，气候模式重点选择 GFDL、NCAR_CCSM3、NCAR_PCM1，以及一所正在使用的 CCSM+WAVE 模式

本项目对气候模式在海洋热含量方面的模拟能力进行评估，针对CMIP3、CMIP5的数值模式，重点分析历史试验在年循环、多年代际尺度上的变化特征。..在年循环尺度上，CMIP3气候模式在北半球与观测资料基本一致，能够描绘出调制年循环的基本非线性特征，与观测资料的相关性大多高于0.95，其瞬时频率的变化形态也基本一致。而在南半球，虽然在调制年循环的形态上模式结果与观测资料能够保持大体一致，但其瞬时频率差距十分明显；由于模式结果集体偏离了观测资料，而南半球观测资料缺乏，推测该偏差源于观测资料处理缺测值的方法。在赤道地区，虽然观测资料比较充分，但模式结果与观测资料仍有很大的差异，说明模式对于该地区的物理机制的模拟仍有欠缺。 在北半球中高纬度地区，各模式年循环振幅普遍低于观测，说明气候模式模拟上层海洋热量吸收释放过程仍存在欠缺。..在多年代际尺度上，采用CMIP5位温和SST数据，进行海洋上层热含量及SST的对比分析。海洋上层热含量无论300m层还是上700m层，均在1900年之后表现出较为一致的多年代际震荡，然而在1900年前，由于观测数据的缺失，各模式时间产生了较大分歧。位温观测数据历史较短，模式与观测之间的差距则更大，1970年观测数据出现的小幅震荡，在模式数据中均不存在；此外，观测数据在2000年后出现了停滞，而模式结果则一直在加速上升，这些都显示出模式数据在多年代际尺度上存在的缺陷。..SST数据具有较长的观测历史，大部分模式数据可描绘出2个主要震荡，且振幅与观测值相当。然而部分模式在第二个震荡的低值超出其他一半以上，又在2000年后表现出高速升温过程。这说明模式数据虽然在表层温度上受观测数据的控制可以得到较好的观测结果，但是其内在机制无法合理控制多年代际震荡。..此外，对观测资料做了进一步分析发现。各数据中心的网格数据之间存在着不小的差异，这就导致观测数据与模式数据之间进行对比校验时，面临着如何判断观测数据的准确性问题。以四组ARGO观测资料为例，根据地理特征将印度洋、大西洋和太平洋三个区块区别开，发现观测资料之间的差异随着海域，纬度以及垂向分布均有区别。总体来说，上层海洋优于深层，北半球优于南半球，中纬地区优于低纬。在不同海域上，太平洋优于印度洋，又优于大西洋。从观测资料之间的关系看来，Ishii资料相对于EN3更加接近于大多数Argo