基于CMIP5的兩個FGOALS模式的南海夏季風(fēng)特征分析

鐘瑜珊 譚雅麗 潘劍波

摘 要：本文利用分辨率為60×128的FGOALS-g2模式的1950—1999年的月平均風(fēng)場資料和分辨率為108×128的FGOALS-s2模式的1950—1999年月平均風(fēng)場資料，與同期美國國家環(huán)境預(yù)報中心資料進行比較分析，根據(jù)風(fēng)場平面特征、風(fēng)場年際特征以及風(fēng)場資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，探討FGOALS模式對南海夏季風(fēng)特征的模擬能力。

關(guān)鍵詞：CMIP5模式;FGOALS模式;南海夏季風(fēng)

中圖分類號：P422文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0137-04

Characteristics of South China Sea Summer Monsoon Based on CMIP5 and Two FGOALS Models

ZHONG Yushan1 TAN Yali2 PAN Jianbo1

（1.The Center for Early Warning Information Release of Emergency in Xinfeng County，Xinfeng Guangdong 511100;2. Xinfeng County Meteorological Bureau，Xinfeng Guangdong 511100）

Abstract： In this paper， the monthly mean wind data of FGOALS-g2 model from 1950 to 1999 and FGOALS-s2 model from 1950 to 1999 were used to compare with the data of National Center for environmental prediction in the same period. According to the plane characteristics， interannual characteristics and statistical characteristics of wind data， the ability of FGOALS model to simulate the characteristics of South China Sea summer monsoon was discussed.

Keywords： CMIP5 model;FGOALS model;South China Sea summer monsoon

全球季風(fēng)是指大氣環(huán)流隨季節(jié)變化而大尺度反向，并同時伴有顯著降水變化特征的現(xiàn)象。季風(fēng)作為全球大氣環(huán)流的重要組成部分，對中國乃至全世界氣候、天氣影響都很大。南海季風(fēng)是影響東亞天氣氣候的主要因素之一，其爆發(fā)時間具有年際變化[1]。南海夏季風(fēng)的爆發(fā)標(biāo)志著東亞夏季風(fēng)建立和雨季開端，其爆發(fā)時間和強度影響著東亞夏季風(fēng)向北推進的進程[2]。

近年來，全球耦合氣候系統(tǒng)模式的研究有了較大進步。全球氣候模式是研究氣候變化、氣候模擬和氣候變化情景預(yù)估的重要工具。第五次國際耦合模式比較計劃（CMIP5）的目的是解決聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第四次評估報告后出現(xiàn)的一些主要的科學(xué)問題，以豐富現(xiàn)有的氣候變化理論，提高對氣候變化的預(yù)估能力[3]。CMIP5包含了更多的模式，采用了更合理的參數(shù)化方案、通量處理方案和耦合器技術(shù)，以提高氣候模式的模擬和預(yù)估能力[4-5]。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用的模式資料是分辨率為60×128的FGOALS-g2模式的1950—1999年的月平均風(fēng)場資料，以及分辨率為108×128的FGOALS-s2模式的1950—1999年月平均風(fēng)場資料。

為了對比和檢驗兩套FGOALS模式對歷史南海季風(fēng)爆發(fā)的模擬能力，本文采用的風(fēng)場對比資料是美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的全球逐月大氣再分析資料，選取1951—1999年的1—12月的月平均風(fēng)場資料，其分辨率為73×144。

1.2 方法

本文定義的南海區(qū)域為（5°N—15°N，110°E—120°E）。

利用風(fēng)場結(jié)合溫濕指標(biāo)來定義南海季風(fēng)的爆發(fā)更符合季風(fēng)最初的定義。根據(jù)相關(guān)文獻，將南海季風(fēng)的爆發(fā)定義為：在南海區(qū)域的850 hPa緯向風(fēng)區(qū)域平均由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，并以該年6—8月的850 hPa緯向風(fēng)的算術(shù)平均值為南海季風(fēng)強度指數(shù)。

由于各模式的網(wǎng)格資料分辨率各不相同，為便于處理，本文利用區(qū)域平均的方法來處理數(shù)據(jù)。在分析爆發(fā)的演變過程時，本文計算三套850 hPa的風(fēng)場資料數(shù)據(jù)，在南海區(qū)域作區(qū)域平均，得到耦合模式和NCEP資料的南海爆發(fā)指數(shù)逐月序列，根據(jù)序列分析爆發(fā)時間、爆發(fā)強度等特征，并對耦合模式和非耦合模式資料作氣候平均態(tài)和標(biāo)準差的處理。其中用到的統(tǒng)計方法有平均偏差、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和方差。

平均偏差公式為：

[BIAS=i=1nAi-Bin]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[A]代表模式資料模擬的風(fēng)速值;[B]代表NCEP再分析資料的風(fēng)速值;[n]代表樣本個數(shù)。

均方根誤差計算公式如式（2）所示：

[RMSE=i=1nAi-Bi2n-1]? ? ? ? ? ?（2）

方差計算公式如式（3）所示：

[S2=t=1nAi-Bi-A1-B12n-1]? ? ? ? ? ? ? ?（3）

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)場平面特征

圖1為1950—1999年50年5月和6月平均的風(fēng)場矢量圖和緯向風(fēng)風(fēng)速填色圖（東風(fēng)為負，西風(fēng)為正，下同）。如圖1所示，NCEP和FGOALS-g2的風(fēng)場資料在南海區(qū)域風(fēng)場平面分布大致相似，而NCEP和FGOALS-s2的風(fēng)場資料在南海區(qū)域風(fēng)場平面分布有較大區(qū)別。

從空間平面圖來看，5月的NCEP資料顯示，南海南部（5°N—10°N，110°E—120°E）區(qū)域已經(jīng)轉(zhuǎn)向為較為平直的偏西風(fēng)，南海北部（10°N—15°N，110°E—120°E）區(qū)域，風(fēng)場尚未完全轉(zhuǎn)向為偏西風(fēng)，在南海東北部區(qū)域還有偏東風(fēng)量。從圖A1到A2的變化可以看出，從5月到6月，在南海區(qū)域，緯向風(fēng)自南向北發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏西風(fēng)量風(fēng)速也自南向北增大，在南海東西部的110°E和120°E位置存在緯向西風(fēng)的風(fēng)速高值區(qū)。

FGOALS-g2資料顯示，5月，南海南部以西南氣流為主，并且到6月仍處于向較為平直的西風(fēng)氣流轉(zhuǎn)向的過程，南海北部也較早轉(zhuǎn)向為偏西風(fēng)，整個南海區(qū)域緯向風(fēng)風(fēng)速與NCEP資料對比偏小，偏差在2 m/s內(nèi)。同時，還可以明顯觀察到，F(xiàn)GOALS-g2只模擬出了8°N、120°E附近的緯向風(fēng)大風(fēng)速區(qū)，并沒有模擬出8°N、110°E附近的緯向風(fēng)大風(fēng)速區(qū)，在局部區(qū)域有偏差?？梢姡現(xiàn)GOALS-g2模式能較好地模擬出南海850 hPa緯向風(fēng)的基本分布特征，但對850 hPa風(fēng)矢量轉(zhuǎn)向的規(guī)律以及局部地區(qū)模式耦合把握還不夠。

FGOALS-s2資料顯示，在850 hPa的緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向是由南海北部開始的，并且自北向南推進，這與NCEP資料的結(jié)果相差較大。同時，F(xiàn)GOALS-s2對風(fēng)速的模擬效果也不好，與NCEP資料存在較大偏差。鑒于FGOALS模式是為了評估全球的氣候變化而設(shè)計的，因此，部分模式對局部區(qū)域的模擬可能會存在一些問題，導(dǎo)致模式的模塊間耦合不夠理想，不能合理地模擬出局部區(qū)域的事件。

2.2 風(fēng)場變化特征

南海地區(qū)50年850 hPa緯向平均風(fēng)速各月變化如圖2所示。從圖2可以看出，850 hPa緯向風(fēng)的NCEP資料顯示，5月以前低空緯向風(fēng)均為負值（東風(fēng)），其中1月出現(xiàn)東風(fēng)極大值，為6.55 m/s，5月初開始轉(zhuǎn)向為正值（西風(fēng)）。根據(jù)本文定義，850 hPa緯向風(fēng)的突變代表著南海季風(fēng)的建立。隨后緯向風(fēng)風(fēng)速迅速增大，5月到6月增長速率為4.25 m/s，6月之后，增長速率減緩，直至8月，西風(fēng)風(fēng)速達到極大值，為6.36 m/s，隨后風(fēng)速開始減小，到10月轉(zhuǎn)向為負值，至此，南海季風(fēng)爆發(fā)結(jié)束。

FGOALS-g2資料顯示，1—10月，各月西風(fēng)緯向平均風(fēng)速都比NCEP資料小，東風(fēng)緯向平均風(fēng)速都比NCEP資料大，1月，東風(fēng)出現(xiàn)極大值，為8.68 m/s，和NCEP資料差距為2.13 m/s。圖2顯示出，850 hPa緯向風(fēng)是在5月中旬才開始轉(zhuǎn)為正值的（西風(fēng)），比NCEP資料偏遲。在偏西風(fēng)增速的過程中，7月西風(fēng)達到極大值，為3.86 m/s，隨后風(fēng)速減小，到8月又有增速的過程，隨后在9月西風(fēng)達到另一極大值，為4.10 m/s，與NCEP資料的4.22 m/s相近。9月之后，緯向風(fēng)風(fēng)速開始減小，但速率較NCEP資料更慢，轉(zhuǎn)向時間也比NCEP資料更遲。可見，F(xiàn)GOALS-g2的緯向風(fēng)變化與NCEP資料的規(guī)律有明顯差距，南海季風(fēng)爆發(fā)時間長度相似，F(xiàn)GOALS-g2模擬的南海季風(fēng)較遲開始、較遲結(jié)束。

FGOALS-s2資料顯示，1—10月，各月西風(fēng)緯向平均風(fēng)速都比NCEP資料小，東風(fēng)緯向平均風(fēng)速都比NCEP資料大。1月，F(xiàn)GOALS-s2資料模擬的東風(fēng)極大值為8.92 m/s，與NCEP間的差距為2.37 m/s，同F(xiàn)GOALS-g2資料相似，850 hPa緯向風(fēng)都是在5月中旬才開始轉(zhuǎn)向為正值（西風(fēng)），比NCEP資料遲。在偏西風(fēng)增速的過程中，風(fēng)速大致以勻速增大，在8月達到極大值，為5.09 m/s，隨后開始減小，9月為4.17 m/s，與NCEP資料的4.22 m/s相近，但9月以后的減速速率比NCEP資料小，轉(zhuǎn)向時間也比NCEP資料更遲。FGOALS-s2的緯向風(fēng)變化與NCEP資料的整體形勢變化相似，南海季風(fēng)爆發(fā)時間長度相似，但對全年的極大值和極小值的計算以及變速規(guī)律的模擬掌握不足。

2.3 南海季風(fēng)強度指數(shù)變化特征

三套數(shù)據(jù)夏季緯向風(fēng)50年氣候平均態(tài)，如圖3所示。NCEP資料顯示，在南海整個區(qū)域，乃至南海東部的西太平洋地區(qū)，南海季風(fēng)強度均大于5 m/s;但FGOALS-g2資料顯示，在南海南部和偏東部模擬的南海季風(fēng)強度相對較弱;而在FGOALS-s2的資料中，可以明顯看到在南海北部，南海季風(fēng)強度指數(shù)為負值，即在該處6—8月的平均緯向風(fēng)仍為偏東風(fēng)。在南海南部，F(xiàn)GOALS-s2模式模擬的南海季風(fēng)強度也比NCEP資料模擬的較弱，結(jié)合前文可推測是因為FGOALS-s2模式的滯后性引起的南海季風(fēng)強度減小。

3 結(jié)語

對于模擬南海季風(fēng)爆發(fā)及結(jié)束時間，F(xiàn)GOALS-g2和FGOALS-s2模式表現(xiàn)出明顯的滯后性，并且受滯后性的影響，緯向風(fēng)的增速速率減緩，緯向西風(fēng)的風(fēng)速模擬結(jié)果不穩(wěn)定，其對應(yīng)的南海季風(fēng)強度指數(shù)偏小。

參考文獻：

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