海洋所研究揭示海洋垂向混合過程在次表層模式誤差形成中的重要作用

  中國科學院海洋研究所張榮華研究員課題組利用最新發布的海洋模式比較計劃(OMIP)數據,結合湍流微尺度觀測資料和數值模擬試驗等,開展熱帶大西洋次表層溫度誤差歸因和模式模擬改進研究,相關成果發表在國際學術期刊Journal of ClimateIF=5.148)上。 

  氣候模式是進行氣候及其變化研究的重要工具,自上世紀60年代開始構建基于數理方程的海氣耦合模式以來,氣候模式的發展和應用都已取得重大成果。例如,已能再現大氣溫室氣體增多所引發的全球變暖現象;其中,2021年發布了第六次國際耦合模式比較計劃(CMIP6產品,這些基于氣候模式的模擬結果是 IPCC(政府間氣候變化專門委員會)等評估未來氣候變化的主要依據。特別地,2021年諾貝爾物理學獎被授予Syukuro Manabe等氣候學家,以表彰他們對“地球氣候系統的物理建模,并可靠地預測全球變暖”等研究方面的卓越貢獻。但目前,氣候模式模擬結果與觀測相比仍存在較大的差異和不確定性,這些系統性誤差的存在大大削弱了模式對于氣候預測和未來預估的可靠性。誤差的歸因和模式性能的改進一直是模式發展中的熱點和難點問題,也是CMIP6所關注的三大科學問題之一。過去關于氣候模式誤差的研究大多局限于海表面誤差,而對于海洋次表層的模擬關注較少。 

  本工作利用最新發布的OMIP數據發現,熱帶大西洋次表層存在海盆尺度的暖誤差現象。該誤差主要出現在100-150 米的次表層海區,并且在赤道外存在兩個暖誤差中心。與南側誤差相比,北側誤差強度更強、所在的深度更深。作為OMIP模式中典型的系統性誤差特征,該誤差沒有明顯的季節變化性。進一步,本工作通過進行單獨海洋模式的敏感性試驗,從大氣和海洋兩方面探究了該誤差產生的原因。從大氣的角度來看,該誤差的產生可部分地歸因于模式中風場的不確定性;從海洋的角度來看,該誤差主要歸因于上層海洋垂向混合參數化方案的不確定性。與湍流微尺度觀測相比,海洋模式高估了內部垂向混合的強度。通過使用觀測估算的擴散系數替換現有模式中的給定值,模式上層層結得到加強,熱帶大西洋次表層模擬得到顯著改善,次表層暖誤差減小了約50%。進一步的熱收支分析表明,次表層海溫模擬的改善主要歸因于垂向混合冷卻作用的加強。此外,由于次表層熱力結構模擬的改善,熱帶流系的模擬也得到相應的改進,包括北赤道流加強等更真實的模擬。 

  該研究揭示了海洋垂向混合過程在次表層模式誤差形成中的重要作用,對于提高海洋和氣候數值模式的模擬和預測能力具有重要意義,為改進氣候模式提供理論指導。研究由博士研究生張秋實、朱聿超副研究員和張榮華研究員(通訊作者)完成,研究得到了中科院海洋大科學研究中心、青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中科院第四紀科學與全球變化卓越創新中心、中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金等項目資助。 

熱帶大西洋次表層溫度誤差(>3℃)空間結構及歸因示意圖。其中,表面為OMIP模式集合平均的風應力旋度誤差(單位:10-8 N m-3),次表層展示了OMIP模式集合平均的三維溫度誤差(單位:)及其在經度-緯度平面和深度-緯度平面的投影) 

  相關文章及鏈接: 

  Zhang, Q.,Y. Zhu, and R.-H. Zhang, 2022: Subsurface Warm Biases in the Tropical Atlantic and Their Attributions to the Role of Wind Forcing and Ocean Vertical Mixing. Journal of Climate, 35, 2291-2303. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-21-0779.1. 


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