热带印度洋气候态海表面温度在气候模式中的误差起源及其演变过程

A good simulation of tropical sea surface temperature (SST) climatology by the coupled ocean-atmosphere climate models is an important prerequisite for their good global climate simulations and predictions. Unfortunately, the tropical SST climatology has not been well simulated by the current generation of climate models. While the previous studies have improved our understanding of the tropical Pacific, tropical Atlantic, and tropical-wide SST climatology biases in the climate models, the details of the climatological SST biases over the tropical Indian Ocean (TIO) remain unclear. Based on the model outputs from the 20th century historical runs of 20 CMIP5 climate models and observational data sets, this program will first focus on the types of the climatological SST biases over the TIO and their time-space features. Then, the origins and evolution processes of the SST biases will be explored by considering the unique TIO climate features and using some results of the numerical experiments. These will help the model developers improve the climate models for simulating the TIO climatology. As a result, these will help improve the regional and global climate simulations and predictions of the climate models, in particular for the regions where the TIO SST is active for the regional climate formation, variability, and change (such as for China).

海气耦合气候模式能够较好地模拟热带海表面温度基本气候态是其能够较好地进行全球气候模拟和气候预测的重要基础。然而，当前气候模式在热带海表面温度气候态模拟方面普遍存在较大的误差。以往的研究大多关注热带太平洋、热带大西洋和全球热带尺度，对于热带印度洋海表面温度气候态的模拟误差还缺乏系统的研究。本项目拟利用20个CMIP5气候模式20世纪历史模拟资料和相关观测资料系统地研究热带印度洋海表面温度气候态在气候模式中的典型误差类型及其时空特征，在此基础上结合热带印度洋独特的气候特征和一些数值实验的结果探讨各类典型误差的起源及误差演变的相关物理过程。这将为模式开发者改进气候模式对热带印度洋基本气候态的模拟能力提供理论依据，从而有助于提高气候模式对热带印度洋海表面温度影响关键区域（如我国）乃至全球的气候模拟和气候预测的水平。

海气耦合气候模式在热带模拟方面普遍存在较大的误差，潜在地限制了气候模式用于气候预报和气候预测的水平。已经被学术界广泛关注的热带误差有赤道大西洋冷舌的缺失、过度的赤道太平洋冷舌、热带太平洋和大西洋双热带辐合带现象等。由于热带印度洋海表面温度（SST）模拟误差存在很强的季节性，在年平均上不是很明显，被学术界忽略了二十多年。本项目细致研究了多个当前海气耦合气候模式历史模拟结果，揭示出当前气候模式普遍在热带印度洋SST、降雨和温跃层深度等多个海气变量存在物理一致的北半球秋季印度洋偶极子型（IOD-like）典型误差，并深入研究了这一典型误差的印度夏季风起源及误差发展物理过程。同时还进一步揭示这一热带印度洋典型误差使得气候模式在模拟热带印度洋海气耦合两个主模态方面存在严重失真，严重限制了气候模式在印度洋及周边国家的区域气候预报水平。在此基础上，本项目还发现热带印度洋典型误差使得气候模式在全球变暖背景下印度洋和印度夏季风未来变化的预估方面存在显著偏差，通过“观测约束”技术消除气候模式典型误差的影响得出了更加可靠的区域气候变化的预估结果，大大降低了区域气候预测的不确定性。通过本项目的实施，在地学/环境类国际一区SCI期刊Nature Climate Change、Journal of Climate和Climate Dynamics发表学术论文7篇。其中项目负责人为第一作者发表在Nature Climate Change的本项目代表性成果被国家自然科学基金委网站“资助成果”一栏给予特别报道。本项目执行期间，项目负责人获得“广东省自然科学杰出青年基金”、“中国科学院青年创新促进会会员”、“广州市珠江科技新星”等荣誉。