海气耦合模式中热带SST偏差的来源与发展过程研究

The coupled ocean-atmosphere general circulation models (CGCMs) widely used in the global climate research can provide credible simulations of fundamental properties of the climate system. However, the tropical sea surface temperature (SST) biases, such as the too cold tongue, warm SST bias in the eastern tropical basins and a reversed zonal SST gradient along the Atlantic equator, are the classical problem for CGCMs even now. Since the air-sea coupled system is quite complex, to understand the mechanism and feedback process related to these tropical SST biases still remains a big challenge. To understand the source and development process of tropical SST bias is the first and foremost task of study. In this study, in order to identify and quantify inherent errors in the atmosphere-land model and the ocean-sea ice model components of Community Climate System Model version 4 (CCSM4), and their contributions, especially the ocean dynamics bias contributions, to the tropical SST bias in the CCSM4, we propose a new method of diagnosis named implicit SST bias and apply it to a series of CCSM4 experiments simulations. In an effort to identify the exact processes that cause the tropical SST biases, here we focus on the initial development of the SST bias by through the comparisons and analysis of the series of experiments results. Ultimately, we wish to identify processes and/or parameterizations in the CGCMs that are responsible for generating the tropical SST bias and provide suggestions for the CGCMs improvement.

海气耦合模式是进行气候研究和气候预测的重要工具，但是，当前非通量调整海气耦合模式的模拟都存在显著的热带偏差问题，其主要的表现之一是热带气候态海表温度（SST）模拟偏差，由于海气耦合系统的复杂性，其原因仍不完全清晰。要从根本上解决热带偏差问题，首先应是理解热带偏差的来源、发展以及维持过程。本研究将围绕大气模式和海洋模式初始耦合阶段热带SST偏差的来源与发展过程这一核心内容，在CCSM4的框架下设计相关数值试验，以隐式海表温度偏差和海洋动力偏差的分析入手，结合单独大气模式和单独海洋模式的模拟结果，从印度洋、太平洋和大西洋三个大洋分别入手定量评估大气模式和海洋模式对热带SST偏差的贡献，逐步阐明热带SST偏差的发展维持机制，为模式的改进与发展提供建议与参考。

自上世纪七十年代以来，海气耦合模式取得了很大的发展，已经成为气候变化模拟、预测以及气候动力过程研究的核心工作。然而海气耦合模式取得显著进展的同时，他们仍然面临着一些共性问题，特别是热带海表温度（SST）模拟偏差问题，这也是海气耦合模式发展过程中长期存在的问题之一。提高模式的空间分辨率可以对热带SST偏差有所改善，但偏差依然存在。要从根本上或从物理上解决热带SST偏差问题，首先应是理解热带SST偏差的来源、发展以及维持过程，然后从分量模式改进入手，最终减小和解决热带SST偏差问题。. 本项目提出了一种新的诊断分析方法——隐式（implicit） SST偏差诊断方法，该方法能够更合理反映大气和海洋模式偏差与SST偏差之间的关系：大气模式隐式海表温度偏差可以将大气模式偏差与SST偏差的关系进行定量化，海洋模式隐式海表温度偏差反映了海洋模式中包括对流、混合等动力过程的内在偏差（即海洋动力过程的偏差）。随后，围绕大气模式和海洋模式初始耦合阶段热带SST偏差的来源与发展过程这一核心内容，设计了相关数值试验，采用大气隐式海表温度偏差和海洋动力偏差的分析方法，结合单独大气模式和单独海洋模式的模拟结果，从大西洋、印度洋和太平洋三个大洋分别入手定量评估大气模式和海洋模式对热带SST偏差的贡献，逐步阐明热带SST偏差的发展维持机制，为模式的改进与发展提供建议与参考。. 隐式SST偏差诊断分析方法以及上述相关分析结果为气候模式的改进提供了针对性建议。同时，该方法还可用于敏感实验的诊断分析，提高对物理过程的理解，促进和推动气候模式发展与应用。. 本项目执行期间发表学术论文3篇，其中SCI论文2篇；培养硕士研究生2名；项目负责人获2015年度海洋领域优秀科技青年、2016年度国家海洋局第一海洋研究所束星北青年学者称号，2017年入选青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山人才优秀青年学者计划，2018年作为核心成员获得国家自然科学基金创新研究群体项目。