热带太平洋环流季节变化的数值模拟

热带太平洋环流季节变化的数值模拟 彳缛 第18卷第6期 1994年11月 孝彳盘荔皇位梭纵 大气科学 SCIENTIAATM0SPHERICASINICA V0】_18.No6 Novl904 g74一 热带太平洋环流季节变化的数值模拟 堕整7多)p斗 —___-'._一_ 提要 在观测到的海风应力和热量及淡水通量驱动下,用大气物理研究所发展的高分辨率自 由表面热带太平洋环流模式对热带太平洋环流季节变化进行了数值模拟.对模拟得到的热带 太平洋海面起伏,温度场和流场等季节变化分析.比较表明,模式成功地模拟了观测到的环 流季节变化基本特征.其中,海面起伏中西北太平洋副热带反气旋环流在冬季最强,赤道槽 在冬季和早春季强,而赤道脊和北赤道逆流槽则在秋季强;北赤道逆流在秋季强而春季弱, 150~W附近区域赤道表层洋流流向在4至7月逆转;赤道束太平洋地区海表温度场春季增暖 和秩挎却;及次表层赤道斜温层和赤道潜流等相应的季节变化.文中通过与观测和其他模 式间的比较及风场敏感性试验进一步考察了模式性能. 蓑麓词:海洋环流模式;季节变化;数值模拟;模式性能检验;热带太平洋 一 ,引言 海洋积大气流的季节变化是最重要的气候演变现象之一,它与人类生活,生产和 工作息息相关尽管作为海洋和大气环流运动的能源——太阳辐射一具有周期性的季 节变化,但因环流本身动力过程的复杂性和相互作用,人类对于它的季节变化过程及其 机理还认识的很不够同时,很多年际气候异常和气候变率是在季节变化的背景下发 生,发展和演变的例如着名的厄尔尼诺(ElNino)现象的发生,发展和消亡过程就同 热带太平洋环流的季节演变有着密切关系在有利的季节变化环境下,热带东太平洋的 海水变暖得以增幅而发展成为厄尔尼诺事件并影响全球气候;又如,大气环流中PNA 遥相关型在北半球的冬季是强的,而在夏季则是弱的或不存在.因此,对海洋和大气环 流季节变化的研究,不仅对更深入认识季节变化本身演变规律,而且对于弄清年际变化 和气候异常机理,达到预测气候异常和变化都具有十分重要的意义. 尽管海洋资料观测是十分困难的,但根据物理规律和动力学的方程的数值模拟仍为 研究环流季节和年际变化提供了可能Busalacchi和0Brien用单层约化线性输送模式 研究了热带太平洋上层厚度的季节变化_】;基于Bryan海洋环流模式Philander 等,Gordon和Corry等用环流模式对热带太平洋环流及其季节变化进行了数值模 拟.中国科学院大气物理研究所已发展并实现了自由表面海洋环流模式(IAP 1994年2月3日收到,1994年3月26H收到修改稿. 国家基础性研究重大关键项目岵e候动力学和气候预铡理论的研究及LASG资助项目 6期张荣华:热带太平洋环流季节变化的数值模拟675 OGCM),并且在模式的计算,数值求解等方面都有其特色'2)【一,并成功地用于 太平洋环流季节变化的数值模拟之中】.最近,为了系统地研究热带海洋环流动力学 及海气相互作用,我们又发展了一个高分辨率的自由表面热带太平洋环流模式[9--,并 对热带太平洋平均环流进行了系统的数值模拟【"1.本文将用此模式对热带太平洋环流 季节变化进行数值模拟,并给出与已有观测资料和其他模式间的比较分析. 二,自由表面热带太平洋环流模式简介 本工作的自由表面热带太平洋OGCM是在大气物理研究所OGCM基础上发展起 来的.该模式同国际上常用的Bryan模式[21有很大差别,特别是海洋表面作为自由面的 处理,坐标和变量变换,层结扣除,有效能量守恒和正斜压模分解时间积分 等,详见文献f5一l0L 热带太平洋环流模式区域东西范围从l2o.E一69.w,南北范围从3矿N一30.s;模 式暂未考虑海底形(取4000m深),但考虑热带太平洋真实海陆边界.模式水平分辨率为 2.(纬圈方向)和1o(经圈方向);垂直方向模式分为间距不等的l4层.时间积分时正压模 步长取为5min(~示求解),斜压模及平流过程和耗散过程取为2h.模式的水平摩擦和 扩散系数在l0.赤道以内取为2×10m/S,而在其外更高纬地区线性增加以致到 30.N(s)值为3×10m/S垂直扩散和摩擦系数则与表征洋流切变和层结稳定度的 Richardson数有关…J.模式中包含盐度及发生静力不稳定时所采用的对流调整方案. 模式的水平侧边界取为无滑动和无通量条件,但在模式的南北边界(即3N)S枢温盐方 程中包含松驰项.模式的初条件取洋流和海面起伏为零,温盐用Lovitus观测资 料_J.模式的强迫场为大气海表风应力,海表热通量和海表淡水通量发与降水之差 ).本文用Hellcrman和Rosensten风应力资料【l,驱动OGCM进行热带太平洋平均 环流和季节变化的数值模拟先用年平均风应力,热量和淡水通量积分一年,后用其季 节变化场(由月平均资料线性插值到每天)积分3年,得到一个准季节循环的平衡态.本 文给出最后一年季节变化结果并进行分析. 1.海面起伏 三,模式季节变化模拟结果 图1是模拟得到的热带太平洋3月和9月海面起伏分布,一些引人注目的热带太平 洋海面分布平均特征在模式中得到了很好的反映1,如西高东低分布,经圈方向槽脊 结构,南北太平洋较赤道的不对称性等;而且也模拟出与已有观测结果"一致的季 节变化.春季,北太平洋副热带地区水位高,其南北两侧的等值线密集,反气旋性环流 1)张荣华,1989:大洋环流模式的设计及太平洋大尺度环流数值摸拟研究,博士论文,中国科学院大气物理 研究所. 2)ZhangRonghua,ZegQingeunandZhangXuehong.1990tAblockingtechnipu~fortherep rcscnIationof thebottomtopographyinanoceangenera[circulationmode[,尚未发表. 676大气科学8卷 强,赤道槽自东向西伸展明显,赤道上东西水位差大.随着季节转换,从春季到秋季,北 赤道逆流槽和赤道脊分别向西和向东伸展加强,强度也明显加强,使两者间的经圈方向梯 度加大这些槽脊强度随季节变化在图2上可清楚看到.赤道脊和北赤道逆流槽季节变化 位相一致,它们在秋冬季强(分别是沿4.N和10~N为很强的脊和j普),而夏季它们都很弱; 赤道槽与赤道脊和北赤道逆流槽位相变化正好相反,前者在春季较强.这些海面起伏槽脊 强度的变化与热带海表洋流变动(图2b)有很好的对应关系,并已为观测分析所证实fl. 图1模拟得到的热带太平洋海面起伏分 (a)3月,(b)9月.等值线间隔为4,zm,点区为负海面起伏 (a)=一一一一…,,1L_== , ==,一一—, , 一一.\j__?\—,:i>,,,一 手=:_,:.—互j 至主誊萋量薹茎 ==?>::.._二. ' E---,, 磊三三乏三三—=——————一一 ,— , :一一— 陋\一 ———— —————一*,—————————— ,). llll.1 一 0 <乏:.—二. . 一 z 图2稆155.W经圈方向海面起伏(a)和纬圈洋流(b)随季节变化 海面起伏等值线隔为4cm,点区为负海面起伏:纬明洋流等值线间隔为10cm/5,点区表示向西洋流 6期张荣华:热带太平洋环流季节变化的数值模拟677 2.流场 由于热带太平洋表层信风变化和季风的季节转换,表层洋流表现出较强的季节变 化,如图2b所示的沿155.w经圈方向纬圈洋流的时间一纬度剖面图.特别在秋季,当 北太平洋的热带辐合带(ITCZ)最远离赤道的9月(位于约l5.N1,北赤道逆流强且范围 太;相反,当[TCZ位于最南位置的5—6月(约2.N),北赤道逆流几乎不存在.比较 图2a和2b可见,海面起伏经圈方向槽脊强度(因而它们间的梯度)变化同热带表层洋流 变化有非常好的对应关系,如9月海面起伏中沿4.N的赤道脊和looN的逆流槽强度达 最强,因而它们间的梯度很大,对应于强北赤道逆流. 如前所述,赤道风系和热力结构季节变化较小,但是表层洋流却有非常大的季节变 化,如图3b所示的赤道上表层纬圈洋流的经度一时间剖面图.其最显着的特征是4—7 月期间赤道中东太平洋(150.W附近)区域表层洋流流向逆转(即自西向东)现象;另外, 西太平洋地区,在年初和年末受赤道西风作用也盛行自西向东洋流.赤道上洋流垂直结 构及其季节变化如图4c,d所示.其着名特征是存在自西向东的强赤道潜流(EUC)或称 Cromwell流,它一般位于向西流动的南赤道洋流(SEC)之下,中心位置位于强温度梯 度的斜温层中(图4a,b),向东的强洋流区跨越整个赤道太平洋.赤道潜流的强度在5 月达最强,其中心深度也最浅,春季表层洋流逆转(图3a)正是由于赤道潜流抬升所致. 另外,在西太平洋地区,年初(1至3月间),次表层洋流与EUC反向. 7, I 3.温度场 圈3模拟得到的赤道上海表纬圈洋流(a)和SST(b)随季节变化洋流 等值线间隔为20era/s点区表示向西渡;温度线问隔为ioC.虚线表示.0.50(2等值线 模拟得到的热带太平洋3月和9月海面温度(ssT)分布如图5所示.在春季,赤道 东太平洋和南美沿岸的冷水舌强度最弱,温度最高;西太平洋暖池位于l0.N一20.S之 间,最暖区位于南太平洋;北太平洋较高纬度存在强的南北向温度梯度随着从冬到夏 的季节转换,整个海洋,大气系统随之北移,SST场也北移.这时,西太平洋最暖区 移至北太平洋,西太平洋暖池位于30.N—l0.S,赤道东太平洋和南美沿岸的冷水舌发 678大气科学8卷 一一 一:一一;目4赤道上温度场的深度一纬圈剖面圈 温度线间隔为loc;洋流等值线间隔为lOem/s,点区表示向西流 (a)表示3月份(b)表示9月份)和纬圈洋流(fc]表示3月份:(d)表示9月份 圉5模拟得到的热带太平洋海表温度(SST)分布 fa)3月;f9月.等值线间隔为】.C 6期张荣华:热带太平洋环流季节变化的数值模拟679 展最盛,那里的温度也最低 赤道区域受纬囤风分量的强烈影响,除东西边界地区以外,所盛行的赤道太平洋信 风有一个大而少变的平均值;同样,赤道地区热力结构也有一个大的平均纬圈梯度值和 较小的季节变化性.赤道上SST随季节的变化如图3b所示,最明显的特征是赤道东太 平洋的春季增暖和秋季冷却现象.模式SST季节变化与观测分析结果?比较一致 图4ab表示赤道上温度场的深度一纬圈剖面图.温度垂直分布基本特征是存在 随深度急剧变化的狭窄区域(等温线密集区)郎温跃层,其上是温度较为均匀的混合层, 其下是温度相当均匀的海洋内层表层混合层在西太洋是深厚的(大于100m),而沿赤 道向东逐渐变浅,到南美沿岸甚至消失,故斜温层倾斜方向与海面起伏倾斜方向相反( 图1),存在强的东西向梯度季节变化特征也在这些图上有所反映,但不太明显,如 春季东太平洋和南美沿岸增暖(图4a),而在秋季则是冷却(图4b1. 1.与观测资料的比较 四,模式验证和敏感性试验 上面给出了IAPOGCM对热带太平洋环流季节变化模拟结果.为检验模式,应 与实测资料作详细比较一方面以评估模式性能,揭示模式存在的误差及可能原因; 同 .时还可提供模式统计特征以实施更有效的观测资料同化研究.为进一步发展和改进模式 奠定基础然而,海洋观测资料(特别是表层以下)非常有限,近年来广泛开展的国际合 作和针对热带太平洋的强化观测研究也只能提供有限的测点时间序列资料,在此给出一 些模式与已有观测资料的比较. Wyrtki"根据温盐观测资料洋细分析了太平洋海表动力高度季节变化特征; LovitustJ31已整编了全球海洋温度,盐度等资料以及一些诊断场.我们的模式结果与这 些观测资料是比较一致的(图略),但主要误差之一是模式模拟的赤道中东太平洋SST比 观测资料耍低.至于洋流仍缺乏详尽的观测资料.图6a给出了1984年至1989年3月 问季节平均得到的赤道太平洋(140~W)处纬圈洋流随季节演变(资料取自McPhaden 等),对应的模式结果如图6b所示可见,模式较为成功地模拟出观测到的,些基本 6赤道上140~W处纬洋流随季节的变化 【a)观测结果;cb)模式模扭结果.等值线问隔为10em/s.点区为自西向东流 大气科学18卷 特征,如表层自东向西的SEC,次表层斜温层中的EUC,并且春季SEC反向及对应 Euc的加强和抬升等.但模式EuC较实际偏弱,SEC春季反向流强度不够,白东向 西SEC垂直深度偏浅.这些模式误差一方面归究于大气风力场,另一方面在于模式本 身(如分辨率和物理过程参数化等)的有待于改进. 2.与其他模式的比较 近年来,oGCM在观测到的大气强迫场驱动下进行平均环流及其季节和年际变化 数 值模拟已取得重大进展,但相对于观测而言仍有很大误差;同时不同研究机构发展的 0GCM差别也很大.因此,模式研究工作任务之一是考察这些误差和模式差别的性质和 原因,以改进模式性能.实现这些目标的有效途径之一是进行不同模式间的比较研究.为 此,TOGA(热带海洋和全球大气计划)已成立了NEG(NumericaIExperimentation Group),实施不同OGCM问的比较研究计划,考察模式敏感性和模式性能. 用OGCM对热带太平洋环流季节变化已有一些研究【4,81,特别是,本文所用的 Hellerman--Rosenstein(1~下简称HR)风应力与Philander等模式(以下简称PHS)和 Gordon等模式(以下简称Gc)一样,并且模式初条件和时间积分过程等也一样,但 PHS和GC都基于Bryan模式口J,它们与lAPOGCM差别很大(第2节).在此简要地 介绍一下采用相同HR风应力的IAPOGCM与GC和PHs模拟结果阃的比较详细结 果将另文给出 GC分辨率较高(可变网格距,赤道地区经圈方向分辨率为O.33.;沿岸地区纬圈分 辨率为0.5.;垂直方向分为l6层,其中表层分辨率为10m),IAPoGCM与GC差别 主要表现在SST.SEC强度和垂直厚度,斜温层和EuC垂直扩展程度等.例如IAP OGcM较GC而言,赤道东太平洋SST约高l.,斜温层较强,SEC强度较弱以及赤 道冷水舌向西扩展较弱些PHS分辨率极高(赤道10~N(S)地区经圈分辨率为0.33.;纬 圈分辨率为l.;垂直方向为27层)PHS和GC问比较已有Gordon等H给出,IAP oGCM与PHS主要差别在于SEC和Ss,r.例如,PHS中SEC偏强,赤道冷舌向西 扩展偏强,使得赤道东太平洋的SST较IAPoGcM低l一2?;另外,尽管P 0GCM分辨率较PHS要低得多,但两模式模拟的赤道斜温层强度相当(但GC却要弱 得多)总之,这一定性比较表明,尽管OGCM采用相同的风应力,但是不同的模式 构成,模式间的差别可以较大(可与观测到的季节和年际变率相当).目前,造成这些模 式差别的原因尚不清楚,需进一步分析.初步研究表明,IAPOGCM船较好地再现斜 温层结构在于模式引入标准层结分布及其垂直梯度. 3.对大气风应力敏感性的试验 上面的比较分析表明oGCM采用HR风应力模拟的赤道东太平洋SST普遍偏低; ,TOGANEG建议HR 其他用HR风应力资料者也指出,HR风应力可能偏强.为此 风应力乘以0.75,以进行热带太平洋环流季节变化比较研究.我们也按此重新进行了季节 变化数值模拟试验(其他诸如初条件模式参数,时问积分过程等完全类同).这一模拟 结果与国际上参加这一比较研究计划的其他模式间的比较将另文给出,这里仅给出图7所 示的赤道上SST随季节变化,以说明模式对风应力的敏感性.比较图7和图3b表明,风 6期张荣华:热带太平洋环流季节变化的数值模拟681 应力减弱后SST季节变化基本特征大致上 未变,但赤道东太平洋SST增高l一3Dc, 模式SST更符合实际观测;同时也说明, oCM确实对风应力场非常敏感. 五,小结和讨论 用所发展的高分辨率自由表面热带太 平洋环流模式,在成功地模拟了观测到的 热带太平洋平均环流的基础上…J,本文 进行了其季节变化的数值模拟.对模拟得 到的热带太平洋海面起伏,温度场和流场 等季节变化分析,以及与观测资料比较表 明,模式基本上模拟出观测到的热带太平 洋环流季节变化基本特征但如在热带太 平洋平均环流数值模拟所指出的那 图7HR风应力乘0.75后模式模拟得到的 赤道Sgr随季节变化 等值线间隔为1.C 样"11季节变化模拟也存在一些误差,主要表现在,模式模拟场(如海面起伏中槽脊及 东太平洋l0.N处,所旋性环流,赤道东太平洋海表温度,赤道潜流强度和其中心深度 等1的季节变率较弱,赤道东太平洋海表温度比实际偏低l一2.C;赤道中,东太平洋海 表洋流春季逆转及相伴随的春季增暖太弱.这些模式误差是目前热带海洋环流数值模拟 中带普遍性的问题,为认识这些模式误差的性质和原因,本文还进行了模式比较和敏感 性试验阐明了模拟结果对模式构成和风应力等的敏感性.为更真实地再现观测到的海洋 环流及其变化,在模式设计和数值模拟研究中应重视模式构成和风应力精度. 总之,虽然中科院大气物理研究所发展的自由表面热带太平洋模式成功地进行了平 均环流及其季节变化的数值模拟,但仍须对模式作进一步的改进,发展和应用.特别是 提高赤道地区模式分辨率(如采用水平不等距网格),引入更真实的海陆和海岛分面以改 善模式东西边界和海岛对海布波动反射等现象的正确描述;采用Blocking技术的"一坐 标系取代本工作中的一坐标系,以正确描述复杂的海底地形.同时,我们将用此模式 进行l986—1987厄尔尼诺和1988反厄尔尼诺事件,海洋一大气耦合模式及自由表 面海 洋模式中资料同化试验等研究. 致谢:感谢导师曾庆存教授的长期指导和关怀;本文部分工作是作者获日本国科学 技术厅Fellow. ship资助在日本气象厅气象研究所海洋研究部工作期间完成的,得到该部 DrsMEndoh和 Y.Kitamura等的热情帮助,在此一并致谢! 参考文献 [1】 Busalacchi,A.JandJ.J.OBrien,1980,TheSeasonalvailabilityinamodelofthetropicalPacifi c,JPhys- Oceanogr.10,1929—195l I2】 Bryan,K.,1969,Anumericalmethodsforthestudyofthecirculationoftheworldoan,Comput P,?, 大气科学8卷 347-376 【3】 Philander,SG.H,WJHurlinandADSeigd,l987,Simulationoftheseasonalcycleofthetropica lPacific Oceanj.PsOcear~ogr17,l986—2002 【41Gordon,C.andR.ACorr$,1991,AmodelsimulationoftheseasonalcycleinthetropicalPacificO~~anusing climatologicalmodeledsurfaceforcing,Geophys.Res96847—864 【5】Zeng,Q—c,1983,somenumericalocean— atmosphericeoupfingmodels,PaperpresentedattheFirstlntenaa. Symp.integratedGlobalOceanMonitoringq'allinn,USSRtOct2一】01. 【6】Zhang,X.一H.andX.一 z.Liang,1989Anumericalworldocesngeneralcirculationmodel,Atmos&6, 44-61 【7】Zeug,Q-c,x—H.Zhang,andR— HZhang,l991,AdesignofalloceanicGCMwithouttherigid—lidapprox? imationanditsapplicationtothenumericalsimulationofthecirculationofthePacificOcean,MarSystt, 27I-292. 】张荣华曾庆存张学洪,1991:太平洋大尺度环流数值模拟,lIl:季节变化,大气科【8 学,t5,No6,】一l6 【91Zhang,R.一 HandMEi~doh1992,AfreesurfacegeneralcirculationmodelforthetrpicalPacific,Geophys Res97.I1237—11255 【10】张荣华,l993,一十自由表面热带太平洋环流模式及其应用.中国科学,即将发 表. 【l1】 Pacanowski,R,andsG.H.Philander,1981Parameterizationofverticalmixinginnumericalmodelsofthe tropicaloceanJP^Oceanogr,tt,1443-1451. 【t2lLevitus,S,1982,ClimatologicalAtlasoftheWorldOcean,NOAAProf.Pap,l3USGovtPrntingOffice, Washington,D.C,,I73PP 【1Hellerman,SandM,Rosenstein,1983,NormalmonthlywindstressovertheworldoceanwitherrOrestimates PhysOceanogr.13,l093--I104. 【】4]张荣华,1993.热带太平洋平均环流数值模拟,海洋 【15】 Wyrtki,K.,1974,SealevelandseasonalfluctuationsoftheequatorialcurrentsinthewesternPacificO~ean 肌Oceanogr,,4,91—103. 【161HotelJ.D,,l981:OntheannualcycleofthetropicalPacificatmosphereandoce~tn,MortWenRev.tt0, 1863一l878. 【17】 Mcphaden.MJandSHayes,1990,VariabiLityintheeasternequatorialPa~ficduring1986— 1988.Geophys R.9513195-13208 SimulationofSeasonalVariationsintheTropicalPacificOcean ZhangRonghua (InstituteAtmo~ThericPhysics.ChineseAcademyofScOncesBeijing100~80) TheIAPsurfacetropicalPacificOceangenera1circulationmodelfOGCM)isusedtosimulatethe seasonalvafiaon$inthetropicalPacificfonedbytheobservedsurfacewindstress.heatandwater fluxesAnnlysesandcomparisonsofmodelresultsshowSUCCESSfulrepresentationoftheobservedsea leveltemperatureandeuri'entsofthetropicalPacificisstronginthewinter,theepuat~rialtroughis s~onginthewinterandtheearlyspring,whereastheequatorialridgeandcountelx:utrenttroughafein— tenseinthefau:theNorthEquatorialCourlter,culTent(NECC1isjntens~duringthesummerandfl且l1, andthespring【imereversalofepuatoria1sori'acecu删 Itsalongl50~Wisevidengthesimulatedseasur- facetemperature(ssT1variationsarechamcterisedbyspringwarmingandfallcoolingintheepuatorial easternPacific;andtherearecorrespondingseasona1variationsjutheepuatouialthermoclineandequa. toriaIundercurrentrEUC1Themode1performancejsfunherexaminedandverifiedbycomparisonsof modelsireulatJo//swithobservationsandbysensitivityexpe~mentsDOthewi门dstress Kwoods:IAPfreesurfacetropicalPacificOGCM;seasonatvariations;numericalsimulations;Model performanceandverification.