ENSO与气候平均态的相互作用---基于海气耦合模式的数值模拟研究

The interaction between the tropical Pacific ENSO and the climatological mean state is an important issue but remains unsolved, the key of this issue is investigating the mechanism of the nonlinear process in the air-sea interaction and how it influences the tropical Pacific decadal variability. Consequently, the applicant uses the simulations of newest International Climate Model Intercomparison Project and coupled model sensitivity experiments to study the above issue. Through evaluating the simulated nonlinear process in coupled models for analyzing the source of the nonlinear process in ENSO cycle, especially the dynamic mechanism resulting in ENSO Asymmetry. The coupled models are classified researching according to the simulated ENSO Asymmetry so that the interaction between ENSO and the tropical Pacific and the coupled model bias could be well examined. The corresponding numerical simulation experiments are designed in this project to make a concrete analysis of the effect of atmospheric feedback process in the tropical Pacific decadal variability and its mechanism.

热带太平洋ENSO与气候平均态的相互作用是一个至关重要但尚未研究透彻的问题, 解决这个问题的关键在于探讨海气相互作用中的非线性过程机理及其对热带太平洋年代际变化的影响。为此，申请人拟评估分析最新的国际气候模式比较计划模拟结果并结合耦合模式敏感性试验进行相关研究。通过评估耦合气候系统模式对非线性过程的模拟能力，加深对ENSO循环中非线性过程成因的理解，特别是导致ENSO事件不对称性背后的动力机制。根据多耦合模式模拟的ENSO不对称性对模式进行分类对比分析，深入理解多耦合模式模拟的ENSO-太平洋相互作用过程及其模式偏差的原因。设计相关的数值模拟试验，具体地分析大气反馈过程在热带太平洋年代际变化中的作用及其物理机制。

热带太平洋ENSO与气候平均态的相互作用是一个至关重要但尚未研究透彻的问题, 本项目利用最新CMIP6数据集以及耦合模式敏感性试验等重点关注了此问题中的两个要点：海气相互作用中的非线性过程和热带太平洋年代际变化TPDV，为气候模式的改进和全球变暖背景下年代际气候变化的预测提供参考价值。关于ENSO非线性过程，我们利用CMIP6的历史试验探讨了ENSO暖位相和冷位相时非线性动力加热NDH、大气对海表温度异常的不对称响应（即风强度响应的不对称性），以及风型态的不对称性等三个因子对ENSO非对称性的可能贡献，发现它们的贡献并不显著；随后利用中国气象科学研究院气候系统模式开展敏感性试验，发现耦合模式中大气部分的云方案以及海洋部分的海洋平流项中相关分量对ENSO非对称性有贡献。关于TPDV，我们利用CMIP6的piControl试验发现绝大部分CMIP6模式都能较为合理地刻画TPDV及ENSO对平均态的影响；随后利用中科院大气物理研究所耦合模式进行敏感性试验（仅在热带太平洋南北纬10度间存在海气相互作用），发现热带地区ENSO的存在对TPDV有贡献。同时探讨了海气相互作用中的非线性过程与TPDV之间的关系，发现前者对后者的贡献并不显著，但TPDV模拟不好的少数几个模式也无法合理再现观测中的ENSO非对称性。基于上述两个科学问题，利用敏感性试验探讨大气反馈过程的贡献也是项目的重要研究内容。我们对比了仅大气模式水平分辨率不一致而海洋模式一致的三个敏感性试验结果，发现高分辨率对ENSO非对称性的模拟好坏贡献不显著；但高分辨率可以更好地模拟纬向风和温跃层异常，进而改进TPDV及ENSO对平均态的影响的模拟；高分辨率对ENSO相关反馈过程的模拟也有改进，主要表现在热动力、纬向平流和温跃层反馈等三项，热动力反馈的改进归咎于气候平均态中冷偏差的改进，而另两项反馈的改进归咎于纬向风的经向结构改进。另一方面，通过替换耦合模式中的大气模式后，发现ENSO事件发生时大气表面温度对海温异常的响应机制不同。项目衍生出一个新科学问题：ENSO现象发生的原因，对此我们也进行了相关研究。