海温日变化对气候模式中热带SST模拟的影响机制研究

Climate models are key tools for climate change simulation, prediction and climate dynamic analysis. However, the bias of tropical sea surface temperature (SST) is still one of the challenges during the development of climate models. It has been shown that the inclusion of diurnal variation of SST in climate models can improve the simulation of tropical SST effectively. However, due to the limitation of spatial and temporal resolution, few studies could reasonably simulate diurnal variation of SST in their climate models. Most of the previous studies with SST diurnal cycle in their climate models only focus on the improvement of the equatorial Pacific cold bias, while the effects of diurnal variations of SST on the simulation of tropical Indian Ocean and tropical Atlantic Ocean were still unclear, which was incomplete in understand the mechanism of diurnal variation of SST on tropical SST simulation. In this project, the sublayer scheme will be incorporated into FIO-ESM in order to represent the diurnal variation of SST. Then the impacts of diurnal variation of SST on tropical areas will be evaluated, and the similarities and differences between tropical Pacific Ocean, tropical Indian Ocean and tropical Atlantic Ocean will be compared. In addition, the mechanism and key physical process of diurnal variation of ocean temperature on tropical SST simulation will be explained.

海-气耦合模式是气候变化模拟、预测和气候动力过程研究的核心工具。但是热带SST的模拟偏差仍是目前海-气耦合模式发展过程中面临的难题之一。已有研究表明，在海-气耦合模式中考虑SST日变化的作用，可以对热带模拟偏差有所改善，但机制仍不清晰，特别是现有研究大多只是关注海洋日变化对赤道太平洋冷偏差的改进，而对日变化影响热带印度洋和热带大西洋的研究十分匮乏，这限制了对SST日变化过程的深入理解和海-气耦合模式的发展。本项目拟围绕此问题，通过在地球系统模式FIO-ESM中嵌套自主发展的SST日变化参数化方案，在耦合模式中引入SST日变化作用，研究海温日变化对热带三个海域SST模拟的影响及其异同，并找出其中的关键过程和主导因子，探索海温日变化影响热带SST模拟的物理机制。

海-气耦合模式是气候变化模拟、预测和气候动力过程研究的核心工具。但是热带SST的模拟偏差仍是目前海-气耦合模式发展过程中面临的难题之一。已有研究表明，在海-气耦合模式中考虑SST日变化的作用，可以对热带模拟偏差有所改善，但是对机制认识仍不清晰，这限制了对SST日变化过程的深入理解和海-气耦合模式的发展。本项目围绕此问题，首先探讨了热带SST日变化振幅（DSST）的年际变化，发现Niño3区（5°N-5°S，150°W-90°W）的DSST年际变化与Niño3和Niño4指数均呈负相关，而Niño4区（5°N-5°S，160°E-150°W）DSST的年际变化与Niño3和Niño4指数均呈正相关。通过深入分析，Niño3区DSST的年际变化主要受到ENSO期间短波辐射、风应力和潜热通量的变化所控制。然而，Niño4区DSST的年际变化主要由ENSO期间的风应力变化所主导。该结果揭示了DSST年际变化与ENSO信号之间的关系，加深了我们对于日变化过程的认知。其次，通过在地球系统模式FIO-ESMv2.0中嵌套自主发展的SST日变化参数化方案，在耦合模式中准确模拟了SST日变化的过程，得出了海温日变化对热带SST平均态、东赤道太平洋SST季节变化以及SST年际变化的模拟均存在明显改进。该结果强调了SST日变化在耦合模式中的重要性，为耦合模式的发展提供了重要依据。最后，针对海洋模式随着计算分辨率的提高，而产生的大规模计算扩展性降低的问题，我们对其正压求解器算法进行了优化。通过优化，大幅提升了模式的计算性能，保障了模式实验的顺利进行，也为其他海洋环流模式的改进提供了参考。