过去千年北大西洋涛动演变的模拟研究

The North Atlantic Oscillation (NAO) has a substantial influence on climate at regional and global scales. It is generated by internal atmospheric processes but also modulated by air-sea interaction process and a series of external forcings mechanisms, featuring a broadband frequency. However, studies on the multi-timescale NAO variability and the associated mechanisms are hampered by inadequate length of the observation and uncertainty in the reconstruction. In this project, the past millennium transient simulation with the climate system model BCC_CSM1.1, devoloped in the NCC/CMA (National Climate Center, Chinese Meteorolgical Administration), will be used for the investigation. The project is devated to evaluate the model with the NAO reconstructions, examine the multi-timescale NAO variability, and determine the contributions of internal variability，natural and anthropogenic external forcings, including total solar irradiation, volcanic eruption and concentration of greenhouse gasses. Comparisons with the millennium runs conducted by the other models participated in CMIP5, will also be done for model dependence examination and uncertainty quantification. This project is important to erich recent NAO thery, provide a global perspective for NAO prediction, and improve our understanding of furture climate change.

已有研究指出，北大西洋涛动（NAO）对北大西洋以及全球气候均有重要影响。NAO产生于大气内部动力过程，但由于受海气以及一系列外强迫影响机制的作用，其多时间尺度变率特征十分显著。然而，受观测序列长度以及重建序列不确定性所限，NAO多时间尺度变率特征及形成机理目前仍然是学术界亟待解决的重要科学问题。本项目将利用国家气候中心发展的气候系统模式BCC_CSM1.1对过去千年气候的瞬变模拟结果，结合重建资料，在模式评估的基础上，重点考察过去千年NAO多时间尺度变率特征，并探讨气候系统内部变率以及太阳辐射、火山活动、温室气体等自然和人为外强迫对NAO不同时间尺度变率的贡献。项目将同时利用参与CMIP5千年模拟实验的多模式数据探讨结果的模式依赖性和不确定性。本项目研究，有助于丰富现有NAO变率理论，提高NAO变率预报技巧，对于理解未来气候预估变化具有重要指导意义。

本项目利用国家气候中心发展的气候系统模式BCC_CSM1.1对过去千年气候的瞬变模拟结果，考察该模式模拟的过去千年北大西洋涛动NAO及其变率，重点探讨模式模拟性能，内部变率和外部强迫对NAO变率的贡献，以及大西洋经圈翻转环流AMOC和大西洋多年代际变率AMO的可能作用。研究表明，BCC_CSM1.1模式能合理再现近千年各个特征时期（中世纪气候异常期MCA、小冰期LIA和20世纪全球增暖期）气候变化的基本特征，模式的敏感度处于同时期模式的平均水平。当今模式对MCA时期海表面气压相对于LIA偏 NAO 正位相型的模拟普遍不理想，说明 NAO 变率中受气候系统内部变率的影响较大。用于项目研究的BCC_CSM1.1模式对此位相转换的模拟相对合理。贡献率分析发现：气候系统内部变率主要影响NAO的中短期尺度变率；外强迫可能能通过一定机制影响NAO长期变率。在长期变率尺度上，太阳辐照度使NAO趋于负位相，温室气体有利于NAO正位相发展；火山活动对NAO的变率的影响主要在年际尺度上，其对NAO的位相影响并不确定。NAO变率与AMOC存在正响应机制，AMO与AMOC存在正响应负反馈机制，但响应和反馈时间尺度具有模式依赖性。项目结合重建资料从内部变率、外部强迫及大西洋主要变率等角度对NAO变率进行分析研究，在相对长的时间尺度上验证并充实了当今的NAO变率理论，有助于提高NAO变率的预报技巧，并在一定程度上预估和理解未来气候变化。