大氣環(huán)流模式SAMIL模擬的夏季全球加熱場(chǎng)和東亞夏季風(fēng)

王軍 包慶 劉屹岷 吳國(guó)雄 何編 王曉聰

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10029

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049

3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044

大氣環(huán)流模式SAMIL模擬的夏季全球加熱場(chǎng)和東亞夏季風(fēng)

王軍1，2包慶1劉屹岷1吳國(guó)雄1何編3王曉聰1

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10029

2 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049

3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044

各國(guó)科學(xué)家一直致力于從理論和數(shù)值模擬上對(duì)季風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面地研究。本文根據(jù) “熱力適應(yīng)”理論，從分析中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的最新版本大氣環(huán)流譜模式 （SAMIL2.4.7）對(duì)全球非絕熱加熱場(chǎng)的模擬性能出發(fā)，分析并解釋了SAMIL對(duì)東亞夏季風(fēng) （EASM）子系統(tǒng)的模擬情況。通過(guò)與再分析資料Reanalysis－2（NCEP／DOE AMIP－II Reanalysis）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，SAMIL能很好地模擬出夏半球副熱帶地區(qū)加熱場(chǎng)的四葉型分布 （LOSECOD），但模擬的各加熱場(chǎng)在強(qiáng)度上存在一定的偏差，主要表現(xiàn)在感熱加熱在大陸上普遍偏高，而潛熱加熱在印度半島兩側(cè)、西太平洋地區(qū) （尤其在南北緯10°）偏高，赤道帶、中南半島、中國(guó)南海等地區(qū)偏弱。而對(duì)EASM子系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，SAMIL能很好地模擬南亞高壓；較好地模擬西太平洋副熱帶高壓的主體，但西太平洋 （30°N附近）潛熱偏強(qiáng)使得模擬的副高強(qiáng)度偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)過(guò)于偏西；模式也能較好地抓住夏季西風(fēng)急流的兩個(gè)中心，但中緯度潛熱、感熱的模擬偏弱造成急流兩中心風(fēng)速均小于Reanalysis－2資料10m／s左右。進(jìn)一步的討論可知，造成感熱和潛熱偏差的主要原因是模式中云參數(shù)化方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案的不足，改進(jìn)模式中相關(guān)的物理參數(shù)化方案將是SAMIL后續(xù)發(fā)展的首要工作。

大氣環(huán)流模式 東亞夏季風(fēng) 非絕熱加熱

1 引言

東亞夏季風(fēng)對(duì)我國(guó)人民的生命和財(cái)產(chǎn)具有重要的影響，其年際及年代際變化直接決定我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境，因此對(duì)東亞夏季風(fēng)的研究具有深遠(yuǎn)意義，發(fā)展一個(gè)能夠較好地刻畫(huà)東亞夏季風(fēng)的氣候模式是我們模式領(lǐng)域孜孜追求的目標(biāo)。

前人對(duì)季風(fēng)的觀測(cè)和理論研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)百年的歷史，但是由于影響季風(fēng)的因素眾多，如西太平洋副熱帶高壓 （吳國(guó)雄等，2003），副熱帶急流中的Rossby波 （陶詩(shī)言和衛(wèi)捷，2006），印度洋、太平洋的海表溫度 （SST）（Nitta and Hu，1996）及青藏高原 （Yanai and Wu，2006）等，其復(fù)雜性使得我們到現(xiàn)在對(duì)于季風(fēng)的理解還只是一知半解。在過(guò)去的20年里，科學(xué)家們開(kāi)始達(dá)成共識(shí)，季風(fēng)是一個(gè)海、陸、氣相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng) （Webster，2006）。

近些年，由于氣候模式發(fā)展迅速，眾多科學(xué)家開(kāi)始使用氣候模式來(lái)研究季風(fēng)的本質(zhì)。但是由于模式中物理參數(shù)化對(duì)模式模擬結(jié)果具有重要的影響，其中積云對(duì)流參數(shù)化是主要的不確定性之一，其對(duì)熱帶降水的模擬 （張麗霞等，2011）、水汽和云輻射強(qiáng)迫 （Wu et al.，2011）、對(duì)ENSO響應(yīng)的大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu) （Zhang et al.，2010）等均具有影響，再加之東亞季風(fēng)本身的復(fù)雜性，東亞季風(fēng)的模擬將一直是氣候模式研究領(lǐng)域的一個(gè)難題。王在志等（2007）指出耦合模式能夠較好地刻畫(huà)東亞夏季風(fēng)的前兩個(gè)模態(tài)。吳波等 （2009）的研究表明，F(xiàn)GOALS－s可以模擬出亞澳季風(fēng)的主要?dú)夂驊B(tài)特征。Zhou et al.（2009）指出大氣環(huán)流模式的多模式集合可以較好地模擬東亞季風(fēng)的第一模態(tài)，但是不能模擬出東亞季風(fēng)的第二模態(tài)。相比于CAM3.5的模擬結(jié)果 （Chen et al.，2010），其能較好地模擬東亞夏季風(fēng)環(huán)流的氣候態(tài)和季節(jié)特征，如青藏高壓、西太平洋副熱帶高壓等，但是對(duì)季風(fēng)的降水模擬偏差較大，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大氣環(huán)流譜模式 （SAMIL）的前幾個(gè)版本 （R15L9、R42L9）也能較好地再現(xiàn)真實(shí)大氣的一些基本分布形態(tài)和特征，但是模擬的西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓較觀測(cè)偏低 （周天軍等，2005），那么，最近改進(jìn)的參加政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)第五次模式評(píng)估 （IPCC AR5）的最新版本大氣環(huán)流譜模式 （SAMIL 2.4.7）對(duì)東亞夏季風(fēng)氣候態(tài)和年際變化的模擬性能又是如何？

吳國(guó)雄和劉屹岷 （2000）利用位渦性質(zhì)，闡明了大氣動(dòng)力過(guò)程向外加熱強(qiáng)迫適應(yīng)的原理。夏季非絕熱加熱場(chǎng)對(duì)環(huán)流場(chǎng)起主導(dǎo)的作用 （冬季主要受地形的影響），因此夏季風(fēng)的環(huán)流場(chǎng)主要是向非絕熱加熱場(chǎng)的適應(yīng)發(fā)展過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，本文將從模式對(duì)全球各個(gè)加熱場(chǎng)的模擬性能出發(fā)，分析東亞夏季風(fēng)各組成部分的模擬狀況，從而回答上面提出的問(wèn)題，從中發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流譜模式存在的一定問(wèn)題，為改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展大氣環(huán)流模式提供理論依據(jù)。

本文以下的內(nèi)容主要安排如下：第2節(jié)介紹大氣環(huán)流譜模式 （SAMIL 2.4.7）及所用的數(shù)據(jù)資料和統(tǒng)計(jì)方法；第3節(jié)著重分析SAMIL模擬的全球加熱場(chǎng)的分布情況；SAMIL對(duì)東亞夏季風(fēng)氣候平均態(tài)和年際變率的模擬主要在本文第4節(jié)討論；第5、6節(jié)是討論和全文的總結(jié)。

2 模式介紹及數(shù)據(jù)和方法

大氣環(huán)流譜模式 （簡(jiǎn)稱SAMIL）是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （LASG／IAP）發(fā)展的一個(gè)譜模式 （Wu et al.，1996；Wu et al.，2004；王在志等，2005；包慶等，2006）。目前最新版本的SAMIL2.4.7垂直方向上從地面到2.19hPa分為26層，采用σ－p混合坐標(biāo)系，水平方向是菱形截?cái)?2個(gè)波（R42），分辨率約為2.81°（經(jīng)度）×1.66°（緯度），積分的時(shí)間步長(zhǎng)為10分鐘，其物理過(guò)程參數(shù)化方法主要有：（1）Edwards－Slingo的輻射參數(shù)化 （Edwards and Slingo，1996），其后經(jīng)Sun and Rikus（1999a，1999b）及李劍東（2008）改進(jìn)；（2）可以刻畫(huà)深對(duì)流、中層對(duì)流和淺對(duì)流的Tiedtke質(zhì)量通量積云參數(shù)化 （Tiedtke，1989），后經(jīng)Nordeng（1994）增加了對(duì)氣塊有組織的卷進(jìn)和卷出，并由宋曉良 （2005）和王曉聰①Wang Xiaocong.Climate sensitivity and cloud process based on aqua planet experiments.（preparing）進(jìn)一步改進(jìn)；（3）行星邊界層是可以計(jì)算局地加熱的高階閉合方案 （Brinkop and Roeckner，1995）；（4）云方案是一個(gè)診斷方法 （Liu and Wu，1997）；（5）重力波拖曳 （Palmer et al.，1986）。

本文主要分析的時(shí)間段為1980～2008年29年的資料，模式數(shù)據(jù)是由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （LASG／IAP）大氣環(huán)流譜模式 （SAMIL）按照大氣模式比較計(jì)劃（AMIP）的要求采用強(qiáng)迫場(chǎng)得到的月平均資料。用于與模式參照的資料來(lái)源主要有Reanalysis－2（NCEP／DOE AMIP－II Reanalysis）再分析資料（Kanamitsu et al.，2002） 和 全 球 降 水 氣 候 計(jì) 劃（GPCP）的月平均降水資料 （Adler et al.，2003）。

為了對(duì)比模式和觀測(cè)的東亞夏季風(fēng) （EASM）的年際變率，本文采用多變量經(jīng)驗(yàn)正交分解 （MVEOF）的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，該方法主要基于經(jīng)驗(yàn)正交分解 （EOF），其細(xì)節(jié)推導(dǎo)可以參考 Wang（1992）。MV－EOF主要的好處在于它能捕捉不同變量之間的聯(lián)系，給出不同變量在同一空間上的分布。

3 夏季全球的加熱場(chǎng)

真實(shí)的大氣并不是絕熱無(wú)摩擦的理想大氣，尤其是夏半球感熱和潛熱加熱在很多地區(qū)成了主導(dǎo)的非絕熱加熱源。根據(jù) “熱力適應(yīng)”理論，大尺度的環(huán)流場(chǎng)受非絕熱加熱的影響，主要表現(xiàn)為向非絕熱加熱場(chǎng)的適應(yīng)過(guò)程。東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)大尺度的大氣系統(tǒng)，模式對(duì)EASM環(huán)流場(chǎng)的模擬性能受制于模式對(duì)全球非絕熱加熱場(chǎng)的模擬能力。所以在分析EASM各組成部分的模擬性能之前，首先著重分析SAMIL對(duì)全球加熱場(chǎng)的模擬情況。

圖1是1980～2008年平均的北半球夏季整層大氣積分的全球加熱場(chǎng)分布。之所以用加熱廓線積分的方法來(lái)求非絕熱加熱場(chǎng)，而不用表面的通量場(chǎng)資料，原因在于采用表面通量場(chǎng)資料計(jì)算的非絕熱加熱場(chǎng)忽略了大氣平流過(guò)程的影響。根據(jù)Wu and Liu（2003）基于NCEP再分析資料分析指出，夏季副熱帶地區(qū)陸地上是熱源，海洋上為冷源。海洋東側(cè)區(qū)域以長(zhǎng)波輻射冷卻 （LO）為主，海洋西部同時(shí)由長(zhǎng)波輻射冷卻和潛熱加熱控制 （D）；而大陸西部和東部分別由感熱加熱 （SE）和潛熱加熱 （CO）主導(dǎo)，形成四葉型的加熱分布 （LOSECOD）。相比于NCEP／DOE AMIP－II Reanalysis （以 下 簡(jiǎn) 稱NCEP－2）的分布圖 （圖1a），SAMIL較準(zhǔn)確地模擬出北半球夏季非絕熱加熱的整體分布 （圖1b），但是從強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，SAMIL模擬的非絕熱加熱和NCEP－2給出的強(qiáng)度在局部地區(qū)存在一定的差異。圖1c給出了SAMIL和NCEP－2資料的差異圖，從圖中可以清楚地看到SAMIL模擬的總非絕熱加熱場(chǎng)和NCEP－2的差異主要集中在30°S～40°N的熱帶和副熱帶。由于本文主要關(guān)注EASM，所以著重分析亞洲及其鄰近海洋上加熱場(chǎng)的模擬情況。從圖1c可以知道，SAMIL模式模擬的非絕熱加熱場(chǎng)在西北太平洋地區(qū)強(qiáng)度偏強(qiáng)大約60W／m2，印度半島的東西兩側(cè)及南北緯10°兩條緯度帶上強(qiáng)度偏強(qiáng)120W／m2；相反在印度半島南部、中南半島、我國(guó)南海地區(qū)、青藏高原北部和赤道西太平洋地區(qū)SAMIL模擬的非絕熱加熱場(chǎng)偏低120W／m2左右；北半球中高緯地區(qū)總非絕熱加熱場(chǎng)的模擬相對(duì)偏差較小。

圖1 1980～2008年平均的夏季整層大氣積分的總非絕熱加熱的全球分布 （單位：W／m2）：（a）NCEP－2；（b）SAMIL；（c）SAMIL－NCEP－2Fig.1 Summer－mean global distributions of air column－integrated total diabatic heating from 1980to 2008：（a）NCEP－2；（b）SAMIL；（c）SAMIL－NCEP－2.

圖2 1980～2008年29年平均的夏季整層大氣積分的 （a－c）感熱和 （d－f）凝結(jié)潛熱的全球分布 （單位：W／m2）：（a、d）NCEP－2；（b、e）SAMIL；（c、f）SAMIL－NCEP－2Fig.2 Summer－mean distributions of air column－integrated（a－c）sensible heating and（d－f）condensation heating from 1980to 2008：（a，d）NCEP－2；（b，e）SAMIL；（c，f）difference between SAMIL and NCEP－2

為了探究SAMIL中哪個(gè)非絕熱加熱場(chǎng)模擬的偏差造成了上述區(qū)域總加熱場(chǎng)的差異，下面將各個(gè)加熱場(chǎng)分開(kāi)分析。圖2是1980～2008年平均的夏季整層大氣積分的感熱和凝結(jié)潛熱加熱的全球分布，其中圖2a、b分別反映的是NCEP－2和SAMIL中感熱 （強(qiáng)度＞30W／m2）的分布，圖2d、e反映潛熱（強(qiáng)度＞50W／m2）的分布，而圖2c、f分別是它們的差。從感熱分布圖來(lái)看，夏季強(qiáng)度大于30W／m2的感熱加熱主要分布于大陸地區(qū) （圖2a、b），而與NCEP－2相比 （圖2c），SAMIL模擬的感熱加熱在大陸上整體偏強(qiáng)大約50W／m2，但在整體偏強(qiáng)的趨勢(shì)下，局部地區(qū)出現(xiàn)了偏弱，即與東亞夏季風(fēng)具有密切關(guān)系的青藏高原地區(qū) （雖然要考慮高原地區(qū)NCEP－2資料的可信度）以及我國(guó)華北地區(qū)，其偏弱的原因與潛熱在該地區(qū)偏強(qiáng)有關(guān) （圖2f），因?yàn)榻邓畷?huì)抑制表面的感熱釋放。

從凝結(jié)潛熱分布 （圖2d、e）來(lái)看，潛熱加熱（強(qiáng)度＞50W／m2）主要分布在北半球熱帶和副熱帶地區(qū)，且集中在南亞、東亞、北印度洋和西太平洋。圖2e表示SAMIL和NCEP－2的潛熱差異，從中可以知道SAMIL模擬的潛熱在印度半島兩側(cè)的印度洋、赤道印度洋及南北緯10°的兩緯度帶地區(qū)強(qiáng)度偏強(qiáng)100W／m2以上，在北緯30°N附近的西太平洋地區(qū)偏強(qiáng)大約40W／m2。相反，呈澳洲回旋鏢形的潛熱加熱偏弱帶以孟加拉灣東部、中南半島為頂點(diǎn)嵌于其中，其一條偏弱帶在赤道西太平洋地區(qū)，一直延伸至中太平洋，另外一條偏弱帶沿著中國(guó)海岸線及夏季梅雨鋒區(qū)所在位置，一直延伸至日本及日本以東的太平洋地區(qū) （偏低大約40W／m2）。在歐亞大陸的北部，模式模擬的潛熱偏弱大約60W／m2，這與該地區(qū)的感熱偏強(qiáng)可以相互抵消，從而導(dǎo)致中高緯地區(qū)總的非絕熱加熱偏差不大。對(duì)比圖2f和圖1c，可以知道，在西太平洋和印度洋上SAMIL模擬的潛熱加熱的偏差在總加熱偏差中起了主導(dǎo)作用。

圖3是對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)波輻射冷卻（小于－190W／m2）和短波輻射加熱 （大于50W／m2）的全球分布圖。對(duì)比圖3a和3b，發(fā)現(xiàn)SAMIL模擬的長(zhǎng)波輻射冷卻在南北半球副熱帶地區(qū)強(qiáng)度上存在較大的偏差，由于長(zhǎng)波輻射冷卻與溫度的4次方成正比 （∝T4），從而間接地說(shuō)明SAMIL模擬的副熱帶地區(qū)大氣的平均溫度低于NCEP－2資料。重點(diǎn)看一下青藏高原地區(qū)，SAMIL中的長(zhǎng)波輻射冷卻至少低于NCEP－2 40W／m2，根據(jù)上面的分析可知，高原地區(qū)感熱加熱模擬的偏弱是導(dǎo)致高原上空大氣溫度偏低的一個(gè)重要原因，從而導(dǎo)致長(zhǎng)波輻射冷卻偏弱。最后看SAMIL模擬的短波輻射對(duì)大氣的直接加熱情況，比較圖3c和3d，可以發(fā)現(xiàn)在高原地區(qū)SAMIL模擬的短波輻射直接加熱低于NCEP－2 40W／m2左右，印度半島、中南半島和日本以東地區(qū)（與西風(fēng)急流的中心模擬有關(guān)）偏低40～60W／m2，偏差最大的是在北非撒哈拉沙漠地區(qū)。從中也說(shuō)明SAMIL中短波輻射對(duì)大氣的直接加熱模擬偏低是導(dǎo)致高原地區(qū)大氣溫度偏低的另一個(gè)原因。

綜上所述，SAMIL對(duì)全球加熱場(chǎng)的模擬在分布上與NCEP－2較為一致，但在強(qiáng)度上存在一定的偏差，其偏差主要表現(xiàn)在感熱加熱和凝結(jié)潛熱加熱，而長(zhǎng)波輻射冷卻的偏差在一定意義上也是感熱和潛熱偏差的體現(xiàn)，其受制于溫度場(chǎng)的模擬；對(duì)短波輻射直接加熱的模擬在局部地區(qū)也存在一定的偏弱，可能與模式中使用診斷云方案對(duì)云量模擬的偏差有關(guān)。

4 夏季季風(fēng)

4.1 夏季季風(fēng)的氣候平均態(tài)

根據(jù)陶詩(shī)言和衛(wèi)捷（2006）給出的EASM的概念圖可知，EASM的主要組成部分有南海的季風(fēng)槽、西太平洋副熱帶高壓、青藏高原上空的南亞高壓、長(zhǎng)江流域的梅雨鋒面以及中緯度西風(fēng)急流中的準(zhǔn)靜止Rossby波等。以下將從對(duì)流層底層到對(duì)流層高層逐步分析EASM的幾個(gè)重要組成部分。

圖3 氣候平均的夏季整層大氣積分的 （a、b）長(zhǎng)波輻射冷卻和 （c、d）短波輻射加熱的全球分布 （單位：W／m2）：（a、c）NCEP－2；（b、d）SAMILFig.3 Climatological mean distributions of air column－integrated（a，b）long－wave radiation and（c，d）short－wave radiation in summer：（a，c）NCEP－2；（b，d）SAMIL

圖4 （30°S～50°N，40°E～180°）氣候平均態(tài)的夏季降水場(chǎng) （彩色，單位：mm／d）和850hPa的風(fēng)場(chǎng) （矢量，單位：m／s）分布：（a）GPCP的降水和 NCEP－2的風(fēng)場(chǎng)；（b）SAMILFig.4 The distribution of the climatological summer mean precipitation（color shading）and wind field at 850hPa（vectors in units of m／s）in the domain of（30°S－50°N，40°E－180°）：（a）GPCP precipitation and NCEP－2wind；（b）SAMIL

圖4是1980～2008年平均的降水場(chǎng)和850hPa的風(fēng)場(chǎng)分布。在風(fēng)場(chǎng)上，SAMIL能很好地模擬出索馬里急流、印度半島東側(cè)和中南半島東側(cè)的兩個(gè)季風(fēng)槽。但是在降水場(chǎng)上，SAMIL模擬的結(jié)果和GPCP的降水強(qiáng)度上存在一定的偏差，主要表現(xiàn)在印度半島兩側(cè)及西太平洋地區(qū) （尤其是南北緯10°的兩條緯度帶上）降水強(qiáng)度偏強(qiáng)，而在孟加拉灣、青藏高原南側(cè)、華南和30°N太平洋地區(qū)降水偏弱，這與前面分析潛熱加熱的分布是一致的。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)降水偏弱的原因在于：（1）SAMIL不能很好地捕捉淺對(duì)流降水，（2）SAMIL模擬的深對(duì)流發(fā)展高度偏低，強(qiáng)度偏弱 （圖未給出）。以上的分析可以說(shuō)明，我們模式采用的積云對(duì)流參數(shù)化方案（改進(jìn)的Tiedtke方案）在淺對(duì)流和深對(duì)流的處理上存在一定的問(wèn)題，使得SAMIL模擬的降水和GPCP相比存在偏差，最終導(dǎo)致圖2中SAMIL模擬的潛熱加熱場(chǎng)的差異。

西太平洋副熱帶高壓是常年存在的且隨季節(jié)會(huì)北進(jìn)南退、西伸東撤的一個(gè)大尺度大氣系統(tǒng)，尤其是夏季西太平洋副熱帶高壓的位置與EASM密切相關(guān)，會(huì)影響我國(guó)夏季降水的雨帶。因此，模式能否很好地刻畫(huà)副高對(duì)模式模擬EASM至關(guān)重要。圖5反映的是夏季500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。從圖5a和5b的對(duì)比來(lái)看，SAMIL模擬的西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)過(guò)于偏西、副高脊線較NCEP－2偏北2個(gè)緯度；在500hPa的溫度場(chǎng)上，SAMIL的暖中心在副熱帶陸地上模擬較好，而在西太平洋過(guò)于東伸。但是較前幾個(gè)版本，副高的模擬已經(jīng)有很大的改進(jìn)，前一版本SAMIL模擬的副高偏弱，不能模擬出588dagpm等值線 （陳昊明等，2009）。

Liu et al.（2001）根據(jù)全渦度方程從理論和一系列數(shù)值試驗(yàn)指出，夏季季風(fēng)降水所釋放的凝結(jié)潛熱是決定西太平洋副熱帶高壓形成和所在位置的重要因素。根據(jù)對(duì)圖2中潛熱加熱場(chǎng)的分析，SAMIL中30°N附近潛熱加熱偏強(qiáng)大約40W／m2，可以解釋SAMIL模擬的西太平洋副熱帶高壓在強(qiáng)度上會(huì)強(qiáng)于NCEP－2，也解釋了SAMIL中暖中心為何過(guò)于東伸，再加上印度洋的潛熱加熱偏強(qiáng) （圖2f），在一定程度上使得副高位置偏西 （Zhou et al.，2009）。那么，為什么SAMIL中模擬的副高位置偏北？副高偏北與東亞副熱帶鋒區(qū)的位置偏北有關(guān)系。華北地區(qū)偏強(qiáng)的潛熱加熱（圖2f），使得副高位置偏西偏北，在副高控制下的華南地區(qū)降水偏少、潛熱加熱偏弱（圖2f）。

討論完副熱帶高壓的情況，不可回避對(duì)流層上層青藏高原地區(qū)上空的南亞高壓。陶詩(shī)言和朱?？担?964）的研究指出，夏季南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓并不是相互獨(dú)立的兩個(gè)大氣子系統(tǒng)，它們之間存在著物理聯(lián)系。Liu et al.（2001）的研究發(fā)現(xiàn)，夏季季風(fēng)降水釋放的潛熱加熱是聯(lián)系南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓的紐帶，且進(jìn)一步指出南亞高壓的形成和強(qiáng)度除了受高原表面強(qiáng)大的感熱加熱的影響，潛熱加熱也起了不小的貢獻(xiàn)。從SAMIL模擬的南亞高壓 （圖6）來(lái)看，南亞高壓的位置和中心強(qiáng)度與觀測(cè)較為一致，但是中心的面積大小略微偏小。從前面的分析來(lái)看，高原南側(cè)的凝結(jié)潛熱加熱偏弱而高原南部的凝結(jié)潛熱偏強(qiáng)與高原表面的感熱加熱偏弱共同作用、相互補(bǔ)償，最終使得SAMIL模擬的南亞高壓沒(méi)有產(chǎn)生較大的偏差。在200hPa的溫度場(chǎng)上，SAMIL得到的暖中心位置較NCEP－2偏西偏北，從圖2c可知，這一暖中心正好對(duì)應(yīng)了感熱加熱的正中心。

圖7反映了夏季200hPa高度層上，緯向風(fēng)在30°N～50°N的空間分布。從圖7a可以知道，除了在 （40°N，90°E）附近存在著副熱帶西風(fēng)急流的極大值中心外，在40°N附近、140°E～150°E范圍內(nèi)存在著西風(fēng)急流的次大值中心，其軸區(qū)風(fēng)速達(dá)25 m／s。在SAMIL的結(jié)果中，在80°E～90°E范圍內(nèi)也能模擬出風(fēng)速的大值區(qū)，但位置偏北了5°，且中心風(fēng)速只有25m／s，在日本東側(cè)地區(qū)，也存在著一個(gè)次大值中心區(qū)，風(fēng)速僅有17.5m／s，與NCEP－2相比，SAMIL模擬的兩個(gè)急流中心區(qū)風(fēng)速都大約偏小了10m／s。

根據(jù)經(jīng)典的熱成風(fēng)原理：

緯向風(fēng)速隨高度的變化與經(jīng)向溫度梯度呈正比，而溫度場(chǎng)和非絕熱加熱有關(guān)，因此SAMIL中對(duì)非絕熱加熱場(chǎng)模擬的差異，決定了SAMIL中副熱帶西風(fēng)急流的偏差。根據(jù)Zhang（2006）對(duì)非絕熱加熱場(chǎng)是如何影響西風(fēng)急流中心位置的研究指出，非絕熱加熱的變化是影響急流中心強(qiáng)度和位置的首要因素，急流的中心往往會(huì)趨向于非絕熱加熱場(chǎng)的中心，從而引起西風(fēng)急流中心的東西變化。參看圖1c SAMIL和NCEP－2總非絕熱加熱差異場(chǎng)可知，在40°N附近的這條緯度帶上，80°E～90°E和130°E～180°范圍內(nèi)SAMIL模擬的總加熱場(chǎng)均偏低于NCEP－2，這對(duì)于SAMIL模擬的西風(fēng)急流的強(qiáng)度偏弱有一定的影響，且參看圖2c、f，在40°N附近，80°E～90°E這一區(qū)域主要是由感熱和潛熱共同偏弱所致，而在130°E～180°是由潛熱和短波輻射偏弱引起。從溫度場(chǎng)上看，對(duì)流層中層到高層 （圖5、6）SAMIL模擬的溫度在高緯陸地上空偏高，因而溫度的經(jīng)向梯度減弱，也導(dǎo)致高層西風(fēng)急流偏弱。

圖5 夏季平均的500hPa位勢(shì)高度場(chǎng) （等值線，單位：dagpm）和溫度場(chǎng) （彩色，單位：K）：（a）NCEP－2；（b）SAMILFig.5 The distribution of summer mean potential height（contours in units of dagpm）and temperature（color shading）at 500hPa：（a）NCEP－2；（b）SAMIL

圖6 同圖5，但為200hPaFig.6 Same as Fig.5，but for 200hPa

最后來(lái)看EASM系統(tǒng)中比較典型的一個(gè)現(xiàn)象，即反哈德萊環(huán)流 （anti－Hadley）。從圖8的垂直速度ω（p坐標(biāo)垂直速度）分布圖可以看出SAMIL中模擬的垂直速度ω偏弱，而垂直速度的大小與降水有關(guān)，垂直速度偏弱，對(duì)流發(fā)展高度偏低，降水偏少，從而使得SAMIL模擬的凝結(jié)潛熱加熱在大部分地區(qū)偏弱，具體可以參看圖2中對(duì)潛熱加熱的分析。

通過(guò)以上對(duì)EASM幾個(gè)重要子系統(tǒng)氣候平均態(tài)的分析可以發(fā)現(xiàn)，SAMIL基本抓住了EASM的基本特征，包括了低層的季風(fēng)環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓和西風(fēng)急流，但也存在一定的偏差，模擬偏差很大原因在于SAMIL對(duì)潛熱加熱場(chǎng)和感熱加熱場(chǎng)的模擬存在偏差，使得SAMIL模擬的西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)，西風(fēng)急流偏弱等。

圖7 夏季平均的200hPa緯向風(fēng)場(chǎng)分布 （單位：m／s）：（a）NCEP－2；（b）SAMILFig.7 The distribution of summer－mean zonal wind field at 200hPa（units：m／s）：（a）NCEP－2；（b）SAMIL

圖8 夏季75°E～135°E平均的垂直速度 （ω）分布圖 （單位：Pa／s）：（a）NCEP－2，（b）SAMIL。箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向Fig.8 The cross sections of vertical velocity（ω）averaged between 75°E and 135°E in summer（units：Pa／s）：（a）NCEP－2；（b）SAMIL.Arrows mean the direction of motion

4.2 夏季季風(fēng)的年際變化

EASM的年際變化，可以從多方面來(lái)討論，如降水的年際變化、風(fēng)場(chǎng)的年際變化等。本文主要從多變量經(jīng)驗(yàn)正交分解 （MV－EOF）出發(fā)，討論SAMIL對(duì)EASM的兩個(gè)主要模態(tài)的模擬情況。Wang et al.（2008）通過(guò) MV－EOF指出，東亞夏季風(fēng)的兩個(gè)主要模態(tài)均由西太平洋副熱帶高壓控制，且與ENSO的發(fā)展和消亡有關(guān)。

圖9 MV－EOF分解1980～2008年29年資料得到的EOF 1和EOF 2（等值線為海平面氣壓場(chǎng)，彩色陰影為降水場(chǎng)，矢量為850hPa的風(fēng)場(chǎng)）：（a、b）觀測(cè)場(chǎng)；（c、d）SAMILFig.9 The spatial patterns of the first and second EOF modes EOF 1and EOF 2of data from 1980to 2008by multi－variate EOF （MVEOF）analysis（the contours are the sea－level pressure，the color shadings are the precipitation，and the vectors are the wind field at 850hPa）：（a，b）Observation；（c，d）SAMIL

圖9是對(duì)1980年～2008年29年的JJA資料進(jìn)行MV－EOF分解后的空間第一模態(tài) （EOF1）和空間第二模態(tài) （EOF2）的分布，這里采用了3個(gè)變量場(chǎng)，主要是海平面氣壓場(chǎng) （等值線）、降水場(chǎng) （彩色陰影）和850hPa的風(fēng)場(chǎng) （矢量）。從觀測(cè)場(chǎng)來(lái)看，EOF 1的空間型解釋方差為34.5%，海平面氣壓場(chǎng)的空間分布表現(xiàn)出副高西伸，脊線位于20°N附近，風(fēng)場(chǎng)上主要是從海洋吹向陸地，反映了發(fā)展的EASM的空間分布型，主要的干濕位相分別位于副高控制地區(qū)和副高的南北兩側(cè)；相比SAMIL的結(jié)果，其EOF1空間型的解釋方差為31.1%，與觀測(cè)相當(dāng)，海平面氣壓場(chǎng)的空間分布所反映的副高呈東北西南走向的分布，位于南海上空的副高西部與觀測(cè)接近，但西太平洋上中心位置相比觀測(cè)要偏北大約10個(gè)緯度，這和前面氣候平均態(tài)的副高位置略微偏北一致，但是偏北程度上更加明顯，風(fēng)場(chǎng)上和觀測(cè)一致，干濕位相同樣位于副高控制區(qū)和副高兩側(cè)且在副高西側(cè)也出現(xiàn)了濕位相。相比EOF1，觀測(cè)的EOF2的解釋方差僅為13.4%，西太平洋副高偏東偏南，干濕位相的分布依舊是位于副高控制區(qū)和副高兩側(cè)，反映了減弱的EASM的空間分布。而SAMIL得到的EOF2的空間分布和觀測(cè)幾乎沒(méi)有可比性，很大的原因在于本文采用單獨(dú)大氣模式的結(jié)果，不存在海氣相互作用，這里就不再具體分析了。

圖10是對(duì)應(yīng)上圖MV－EOF分解后空間分布模態(tài)的時(shí)間序列，這里著重分析圖10e、f。從圖10e中可以知道，通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的周期主要是4～5年的周期，和ENSO 2～7年的周期較為一致。而對(duì)SAMIL結(jié)果的分析 （圖10f）發(fā)現(xiàn)，其通過(guò)檢驗(yàn)的周期主要集中在3.5年左右，說(shuō)明SAMIL對(duì)EASM的年際變率具有一定模擬能力，但是仍具有很大的提升空間。

圖10 對(duì)應(yīng)于圖9空間分布模態(tài)的前兩個(gè)主成分PC1和PC2：（a、b）觀測(cè)；（c、d）SAMIL；（e、f）對(duì)觀測(cè)和SAMIL的PC1進(jìn)行的功率譜分析 （點(diǎn)虛線是95%的信度檢驗(yàn)，虛線是馬爾可夫紅噪音譜）Fig.10 The time series of the spatial patterns corresponding to Fig.9：（a，b）Observation；（c，d）SAMIL；（e，f）the spectral analysis of the first principle component（PC1）（dash－dotted line：95%confidence level；dashed line：the Markov“red noise”spectrum）

5 討論

通過(guò)以上SAMIL模擬結(jié)果和NCEP－2資料的對(duì)比及環(huán)流場(chǎng)和非絕熱加熱場(chǎng)的對(duì)照分析，從中可以知道SAMIL對(duì)非絕熱加熱場(chǎng)模擬的偏差很大程度上影響了SAMIL對(duì)EASM模擬的能力，尤其凸顯在SAMIL對(duì)感熱加熱和凝結(jié)潛熱加熱場(chǎng)模擬的偏差上。

模式中對(duì)感熱加熱模擬的偏差主要原因在于模式中云參數(shù)化方案的缺陷，SAMIL中模擬的感熱加熱偏強(qiáng)，原因是SAMIL模擬的中低云量偏少，使得入射到地面的短波輻射偏多，造成地表溫度偏高，從而使得地表對(duì)大氣的感熱加熱偏強(qiáng)。由于不同資料對(duì)低云的定義不同，所以這里沒(méi)有給出SAMIL和ISCCP的低云量分布，而從地表的溫度分布間接地反應(yīng)低云的模擬情況。圖11a反映了SAMIL和NCEP－2的地表溫度的差值場(chǎng)，從中可以發(fā)現(xiàn)SAMIL中全球大陸的地表溫度普遍高于NCEP－2，這從一個(gè)側(cè)面反映了SAMIL中模擬的中低云量偏少。

而模式對(duì)凝結(jié)潛熱加熱場(chǎng)模擬的偏差主要問(wèn)題在于模式中的積云對(duì)流參數(shù)化方案。SAMIL中模擬的垂直速度ω偏弱，深對(duì)流發(fā)展高度偏低，淺對(duì)流的模擬較差，降水強(qiáng)度在孟加拉灣、青藏高原南側(cè)、華南和30°N太平洋地區(qū)偏弱，而在印度半島兩側(cè)及西太平洋地區(qū) （尤其是南北緯10°的兩條緯度帶上）降水強(qiáng)度偏強(qiáng)，造成了SAMIL模擬的潛熱加熱場(chǎng)相對(duì)于NCEP－2的偏差。當(dāng)然，以上的討論都只局限于單獨(dú)的大氣環(huán)流模式，大氣和海洋之間不存在真實(shí)的海氣反饋?zhàn)饔?，如果采用全耦合模式，充分考慮大氣和海洋之間的反饋?zhàn)饔茫Ｊ侥M的潛熱加熱場(chǎng)也許會(huì)有一定的改進(jìn)。圖11b反映的是全耦合模式 （FGOALS－s）和NCEP－2的潛熱加熱場(chǎng)的差，相比單獨(dú)大氣環(huán)流模式，最新版本耦合模式模擬的潛熱加熱在30°N的西太平洋地區(qū)、赤道帶、印度半島東西兩側(cè)等有所改進(jìn)，但是南北緯10°的兩條緯度帶上，潛熱加熱沒(méi)有得到明顯改善。從中說(shuō)明積云對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)單獨(dú)大氣環(huán)流模擬和耦合模式的模擬性能具有重要的影響，仍有待于我們進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。

圖11 夏季平均的 （a）SAMIL和NCEP－2的地表溫差分布（單位：K）及（b）最新版本的耦合模式FGOALS和NCEP－2的潛熱差的分布 （單位：W／m2）。實(shí)線為正值，虛線為負(fù)值 （零線省略）Fig.11 The spatial distributions of（a）the temperature difference（K）between SAMIL and NCEP－2and（b）the condensation heating difference（W／m2）between the newest coupled model（FGOALS）and NCEP－2.Solid（dashed）line：positive（negative）value（zero line omitted）

6 總結(jié)

本文根據(jù)夏季環(huán)流場(chǎng)向熱力場(chǎng)的適應(yīng)過(guò)程這一事實(shí)，從SAMIL模擬的全球加熱場(chǎng)出發(fā)，分析診斷了SAMIL對(duì)EASM各重要組成部分的模擬情況。得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）與前幾個(gè)版本的大氣環(huán)流模式相比，最新版本的SAMIL模式能更好地反映東亞夏季風(fēng)的各組成部分，如低層的季風(fēng)環(huán)流、降水場(chǎng)、西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓等，但是與觀測(cè)相比，還是存在一定的偏差。

（2）SAMIL能較好地模擬出夏半球副熱帶地區(qū)四葉型加熱場(chǎng) （LOSECOD），但模擬的全球非絕熱加熱場(chǎng)的強(qiáng)度存在一定偏差，尤其表現(xiàn)在感熱加熱和潛熱加熱的模擬上，SAMIL模擬的感熱加熱在全球陸地上普遍偏高；模擬的潛熱加熱在印度半島兩側(cè)、西太平洋地區(qū) （尤其是南北緯10°）、高原南部偏高，而在以中南半島和中國(guó)南海為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的呈回旋鏢型的兩條帶上、高原北部、大陸中高緯地區(qū)等模擬的潛熱偏低。

（3）SAMIL模擬感熱加熱的偏差主要是由模式中云參數(shù)化方案所致，SAMIL中模擬的中低云量偏低，使入射到地面的短波輻射量偏大，地面溫度偏高，感熱加熱偏強(qiáng)；而導(dǎo)致潛熱加熱的模擬偏差主要在于積云對(duì)流參數(shù)化方案，SAMIL中垂直速度ω偏小，深對(duì)流發(fā)展高度偏低，對(duì)淺對(duì)流的模擬仍有待于進(jìn)一步提高。

（4）SAMIL中西太平洋地區(qū) （30°N附近）模擬的潛熱加熱偏強(qiáng)使得西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)過(guò)于偏西；高原南部潛熱偏強(qiáng)、南側(cè)偏弱及高原地區(qū)感熱加熱偏弱共同作用，模擬的對(duì)流層高層的南亞高壓接近于觀測(cè)值；而北緯40°的緯度帶上，80°E～90°E感熱和潛熱偏弱，使得西風(fēng)急流的中心偏弱，140°E～150°E潛熱、短波輻射偏弱使得西風(fēng)急流的次中心模擬也偏弱。

（5）SAMIL對(duì)EASM年際變化的第一模態(tài)模擬較好，但是對(duì)第二模態(tài)模擬的較差 （其中的物理原因有待于今后進(jìn)一步研究），且對(duì)PC1的周期性具有一定的模擬能力，但是還有待于進(jìn)一步提高。

致謝感謝兩位匿名審稿人提出的寶貴意見(jiàn)。

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Performances of SAMIL on the Global Heating and the East Asian Summer Monsoon

WANG Jun1，2，BAO Qing1，LIU Yimin1，WU Guoxiong1，HE Bian3，and WANG Xiaocong1

1StatekeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049
3NanjingUniversityofInformationScience＆Technology，Nanjing210044

The monsoon has great impacts on the regional and global climate to which many scientists dedicate them－selves for better understanding it theoretically and numerically.Based on Thermal Adaptation Theory，the authors evaluate the performances on the global diabatic heating of the newest spectral atmospheric general circulation model（SAMIL，hereafter），developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences（LASG／IAP），and further make some analyses and explanations on the simulations of the components of the East Asian Summer Monsoon（EASM）.The results show that SAMIL has good performances on the quadruplet heating pattern（LOSECOD）in the boreal subtropics compared to the NCEP／DOE AMIP－II Reanalysis（Reanalysis－2），except for biases in strength.The sensible heating simulated by SAMIL is universally stronger over the continent，and the condensation heating is stronger on the two sides of the Indian peninsula and over the western Pacific（especially at 10°N and 10°S），whereas it is weaker near the equator and over the regions of the Indo－China Peninsula and the South China Sea.The authors further point out that the South Asia high can be well simulated and main features of the subtropical high over the western Pacific can be generally captured.But the subtropical high has stronger strength and more westward location，which are mainly caused by the stronger latent heating over the western Pacific（near 30°N）.It also can exhibit the two centers of the westerly jet which is some 10m／s smaller than that from Reanalysis－2resulting from the weaker latent heat，sensible heat，and shortwave radiation.It further points out that the cloud parameterization and cumulus convective parameterization cause the biases in the sensible heating and latent heating.From this point，modifying and updating the physical parameterizations in SAMIL will be the priority in the near future.

atmospheric general circulation model，Asian summer monsoon，diabatic heating

1006－9895（2012）01－0063－14

P435

A

王軍，包慶，劉屹岷，等.2012.大氣環(huán)流模式SAMIL模擬的夏季全球加熱場(chǎng)和東亞夏季風(fēng)［J］.大氣科學(xué)，36（1）：63－76. Wang Jun，Bao Qing，Liu Yimin，et al.2012.Performances of SAMIL on the global heating and the East Asian summer monsoon［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（1）：63－76.

2011－01－19，2011－09－07收修定稿

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目2010CB950404、2010CB950403，國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40925015、40821092、41023002、40805038、40890054，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目GYHY200806006，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)XDA05110303

王軍，男，1986年出生，碩士生，主要從事氣候模式研究。E－mail：wangjun＠lasg.iap.ac.cn

包慶，E－mail：baoqing＠m(xù)ail.iap.ac.cn