郭品文 沈沉 董麗娜 張攀全 尹依雯

摘要 利用觀測(cè)資料分析了亞洲季風(fēng)區(qū)夏季海陸熱力差異的變化特征。在此基礎(chǔ)上，采用國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第五階段（Coupled Model Intercomparison Program 5，CMIP5）20個(gè)模式的輸出結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行了模擬評(píng)估。結(jié)果表明，亞洲季風(fēng)區(qū)夏季陸地上空溫度呈下降趨勢(shì)，海洋上空呈升高趨勢(shì)，海陸熱力差呈減弱趨勢(shì)。雖然模式模擬的海陸熱力差也呈減弱趨勢(shì)，但陸地和海洋上空溫度均呈上升趨勢(shì)。模式對(duì)陸地上空溫度趨勢(shì)模擬較差的原因是對(duì)青藏高原上空的溫度模擬偏低。進(jìn)一步分析表明，對(duì)海陸熱力差異模擬相對(duì)較好的模式對(duì)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)模擬較好，而較差的模式對(duì)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)模擬也較差。

關(guān)鍵詞 觀測(cè)資料 海陸熱力差異 CMIP5 評(píng)估 亞洲夏季風(fēng)

季風(fēng)是全球氣候系統(tǒng)中最為活躍的成員之一，海陸熱力差是季風(fēng)建立與維持的主因（Halley，1686）。Li and Yanai（1996）研究了亞洲季風(fēng)爆發(fā)與海陸熱力差異的關(guān)系，提出青藏高原南部經(jīng)向海陸熱力差發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，亞洲季風(fēng)爆發(fā)。錢云和錢永甫（1996）研究了高原大地形對(duì)東亞季風(fēng)環(huán)流的影響，重新強(qiáng)調(diào)了海陸熱力差的作用，認(rèn)為高原的作用是第二位的。何金海等（2007）指出亞洲熱帶夏季風(fēng)的建立與經(jīng)向海陸熱力差異有關(guān)，副熱帶夏季風(fēng)的建立與緯向海陸熱力差異有關(guān)。因此，郭其蘊(yùn)（1983）用夏季陸地和海洋上的海平面氣壓值來(lái)指示東亞副熱帶地區(qū)的熱力差異，從而來(lái)表示季風(fēng)強(qiáng)弱。施能等（1996）也從海陸熱力差角度改進(jìn)了郭其蘊(yùn)方法并定義指數(shù)。孫秀榮等（2000）考慮緯向和經(jīng)向海陸熱力差異的強(qiáng)弱，取兩者比值為4：1，定義了一個(gè)海陸熱力差指數(shù)。

目前，在物理過(guò)程、耦合碳循環(huán)等方面有明顯改進(jìn)的CMIP5氣候耦合模式是開展氣候變率和變化研究的重要工具（Tayloret al.，2012），但不同模式在模擬性能方面存在明顯的差異。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)亞洲夏季風(fēng)氣候態(tài)、年際年代際變化的模擬評(píng)估展開了許多研究。結(jié)果表明，模式對(duì)流場(chǎng)、氣壓場(chǎng)等氣候態(tài)的模擬優(yōu)于對(duì)其年際年代際變化模擬（Bao，2012；劉蕓蕓等，2014），且多模式集合平均的模擬效果最優(yōu)（李瑞青等，2013；Song and Zhou，2014）。

20世紀(jì)海陸熱力差異的變化特征以及CMIP5模式對(duì)其模擬的效果如何是值得研究的問題。因此本文通過(guò)分析觀測(cè)資料選取出海陸熱力差異關(guān)鍵區(qū)并研究其變化特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上利用CMIP5模式從氣候態(tài)、年代際變化的角度對(duì)其進(jìn)行模擬評(píng)估，對(duì)模式改進(jìn)和完善以及對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)海陸熱力差的特征了解提供依據(jù)。

1資料和方法

本文選取的觀測(cè)資料有：NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/Na-tional Center for Atmospheric Research）月平均高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)，為了與模式時(shí)間一致，選取時(shí)間范圍為1955—2005年；ECMWF（European Centre for Medi-um-range Weather Forecasts）40 a再分析資料ERA-40月平均高度場(chǎng)，根據(jù)資料選取時(shí)間范圍為1958—2001年。觀測(cè)資料分辨率均為2.5?！?.5。。

模式資料來(lái)自耦合模式比較計(jì)劃第五階段CMIP5的20個(gè)模式對(duì)20世紀(jì)歷史氣候模擬試驗(yàn)的模擬結(jié)果，時(shí)間選取1955—2005年，物理量為高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等。表1列出了模式的基本信息。多模式集合平均則采用各模式等權(quán)重平均，得到模式集合MME（Multi-Model Ensemble mean）。所有模式資料均使用雙線性插值的方法插值到2.5°×2.5°的網(wǎng)格點(diǎn)上，便于與觀測(cè)資料進(jìn)行比較。

本文研究的海陸熱力差異關(guān)鍵區(qū)是通過(guò)熱成風(fēng)靜力學(xué)方程（朱乾根等，2000）計(jì)算出的500～200hPa平均溫度。因?yàn)樵诖髿庵校咴鳛樘Ц吡说臒嵩矗ɑ蚶湓矗?，增?qiáng)了海陸熱力差異，使其季節(jié)轉(zhuǎn)換更具敏感性和特殊性（吳國(guó)雄和張永生，1999）?？紤]到高原作用，因此選取對(duì)流層中上層500～200hPa為研究高度。

2觀測(cè)資料海陸熱力差異特征

2.1關(guān)鍵區(qū)選取

考慮到NCEP/NCAR資料在長(zhǎng)期趨勢(shì)研究方面存在不確定性（徐影等，2001），因此結(jié)合ERA-40資料來(lái)確定指數(shù)。由多年平均的亞洲季風(fēng)區(qū)夏季500～200 hPa平均溫度場(chǎng)的空間分布（圖1a）可以看出，NCEP與ERA-40均表現(xiàn)出在印度北部（60～105°E，20～30°N，）有一個(gè)高溫中心（溫度高于-24℃），這是由于夏季青藏高原的加熱效應(yīng)在對(duì)流層中上層所形成的。溫度的均方差場(chǎng)揭示了溫度圍繞平均值的平均變化程度，反映其年際變率的大小。從圖1b中看出，NCEP顯示位于中國(guó)內(nèi)蒙古高原中部上空的溫度年際變率最大，而ERA-40的中心略向南偏移。里海東部為次中心，年際變率隨著這兩個(gè)中心向周圍遞減。

為了解觀測(cè)資料平均溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)的特征，其線性趨勢(shì)系數(shù)分布如圖2所示。圖中顯示，兩份資料線性趨勢(shì)系數(shù)分布大致相同，零線基本位于亞洲大陸海岸線附近。區(qū)別在于，NCEP負(fù)值中心位于蒙古中東部地區(qū)，中心值低于-0.06；正值中心位于菲律賓東南白令海地區(qū)，中心值高于0.02，陸地上空溫度呈較大的下降趨勢(shì)，海洋則相反；ERA-40的負(fù)值中心則位于蒙古中南部，且中心值低于-0.04，其變化趨勢(shì)較NCEP小。

有研究發(fā)現(xiàn)亞洲夏季風(fēng)在1970s末期以后明顯減弱（Wang，2001）。對(duì)于NCEP，用1979—2005年平均減去1955—1978年平均得到圖3a所示的溫度年代際變化分布，發(fā)現(xiàn)在蒙古高原中東部地區(qū)為負(fù)值，菲律賓東南部、白令海附近洋面區(qū)域?yàn)檎?，表明這些區(qū)域是年代際變化最明顯的區(qū)域；對(duì)于ERA-40，用1979—2001年平均減去1958—1978年平均得到圖3b，則相同區(qū)域的年代際變化較NCEP小，陸地上高值區(qū)位置略偏南。本文主要分析中低緯度地區(qū)，因此只選取菲律賓東南部洋面上空區(qū)域。如圖3a中所示，選取表示陸地上空溫度的A區(qū)域（90-120°E，35～55°N）和表示海洋上空溫度的B區(qū)域（130～155°E，0°～15°N）。

2.2指數(shù)的變化特征

3模式評(píng)估結(jié)果

3.1模式對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)夏季海陸熱力氣候態(tài)的模擬評(píng)估

為研究模式對(duì)亞洲地區(qū)（80～160°E，0°～60°N）500 hPa和200 hPa物理量氣候態(tài)的模擬效果，將各模式資料處理之后作出緯向風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)相對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)的Taylor圖（Taylor，2001）。圖5中不同數(shù)字對(duì)應(yīng)不同模式。在500 hPa風(fēng)場(chǎng)上主要系統(tǒng)有西北太平洋副熱帶高壓，200 hPa上有南亞高壓。圖5a中可以看出，500 hPa有3個(gè)模式的中心化均方根誤差在0.5 m/s之外，而MIROC4h、NorESM1-M在0.25 m/s之內(nèi)；200 hPa的MIROC5、MIROC-ESM在0.5 m/s之外，約有一半在0.25 m/s之內(nèi)，由于200 hPa風(fēng)場(chǎng)較為平穩(wěn)，故比500 hPa模擬效果好。通過(guò)對(duì)高度場(chǎng)的模擬就可以大致確定平均溫度的模擬情況。如圖5b所示，除了500 hPa、200 hPa的GISS-E2-H、HadCM3，其余模式同觀測(cè)場(chǎng)的中心化均方根誤差均在0.5 gpm之內(nèi)。通過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)BCC-CSM1-1、CNRM-CM5、GFDL-ESM2G、MI-ROC4h、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-MR模擬效果最好，模擬效果最差的有BCC-CSMl-1-m、HadCM3、GISS-E2-H、MIROC5、MIROC-ESM。

根據(jù)圖5可以將模式分為模擬較好的一類，如：BCC-CSM 1-1、CNRM-CM5、GFDL-ESM2G、MI-ROC4h、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-MR；以及模擬較差的一類，如：BCC-CSM1-1-m、HadCM3、GISS-E2-H、MIROC5、MIROC-ESM。為了直觀表現(xiàn)模式的模擬效果，則作出平均溫度分布（圖6）。圖6a同圖1a，為NCEP的溫度分布特征。圖6b為較好模式的結(jié)果，高溫中心位置準(zhǔn)確但范圍較小，陰影顯示中緯度大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)值，只有蒙古高原附近為正值。圖6c是較差模式的結(jié)果，其僅對(duì)高溫中心位置模擬較準(zhǔn)確，陰影大部區(qū)域?yàn)樨?fù)值，最低值低于-5℃。MME的結(jié)果與較差模式接近。綜上可得，模式對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)的對(duì)流層中上層平均溫度模擬的好壞取決于200 hPa和500 hPa高度場(chǎng)模擬的好壞，并且模式對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)夏季青藏高原上空溫度模擬效果較差，對(duì)高溫中心值模擬偏低。

3.2模式對(duì)亞洲地區(qū)夏季海陸熱力年代際變化的模擬評(píng)估

為了直觀顯示模式對(duì)觀測(cè)資料各指數(shù)年代際變化模擬的效果，對(duì)模式同樣進(jìn)行Lanczos濾波，作出1955—2005年，L_L-S、I_L和I_S序列經(jīng)濾波且標(biāo)準(zhǔn)化后的年代際變化圖（圖7）。圖7a為，I_L的年代際變化特征。各模式及模式集合的序列呈明顯的上升趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代中期之前低于觀測(cè)，而之后又高于觀測(cè)，各模式周期性變化差異較大，模擬效果最差；圖7b為I_S，則模式同觀測(cè)較為吻合，各模式周期性變化較為一致，但未能模擬出70年代中后期的突變；從，I_L-S的曲線圖（圖7c）可看出，模式同觀測(cè)的變化趨勢(shì)較為一致。從對(duì)三個(gè)指數(shù)模擬的結(jié)果來(lái)看，因?yàn)楹Ｑ笊峡盏臏囟饶甏H變率較小，模式模擬效果最好。MME可以更好地看出模式的平均變化狀態(tài)，但是其削弱了各個(gè)模式本身的變化特點(diǎn)，削弱了對(duì)某些年代特征的模擬能力。

計(jì)算單個(gè)模式模擬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)、均方差、趨勢(shì)系數(shù)等（圖略）。結(jié)果表明，不同模式模擬的相關(guān)系數(shù)差異較大，8個(gè)模式通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，其中IPSL-CM5A-MR與觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.48，其次是CanESM2，MME與觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.37。觀測(cè)資料的標(biāo)準(zhǔn)差為1.18，所有模式均小于觀測(cè)資料，說(shuō)明模式對(duì)年際變率模擬相對(duì)較弱，MME只有0.24，進(jìn)一步說(shuō)明其削弱了各模式的年際變率。觀測(cè)資料的趨勢(shì)系數(shù)為-0.056，所有模式均為負(fù)值，均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)，因此能模擬出減小的趨勢(shì)。綜合上述三個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)，GFDL-ESM2G、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-MR的模擬效果最好，BCC-CSMl.1-m、MRI-CGCM3、MIROC5模擬效果最差。

為了反映選出的模式對(duì)季風(fēng)的模擬效果，則通過(guò)模擬季風(fēng)指數(shù)來(lái)驗(yàn)證。由于各模式對(duì)郭其蘊(yùn)（1983）東亞季風(fēng)指數(shù)模擬效果均較好，無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，因此選取南亞季風(fēng)指數(shù)（Webster-Yang Index，WYI）來(lái)驗(yàn)證模式模擬結(jié)果（Webster and Yang，1992）。從圖8a可以看出方框內(nèi)指數(shù)選取區(qū)基本大于等于20 m/s，將圖8b、圖8c同圖8a比較，發(fā)現(xiàn)模式在指數(shù)選取區(qū)內(nèi)的值均小于觀測(cè)資料，但較好模式集合的模擬結(jié)果更接近觀測(cè)資料。通過(guò)季風(fēng)指數(shù)氣候態(tài)的驗(yàn)證，得出上文所選取的模式對(duì)季風(fēng)的模擬效果與對(duì)海陸熱力差異的模擬效果相一致。

總體而言，綜合氣候態(tài)、年代際變化兩個(gè)方面，20個(gè)CMIP5模式對(duì)海陸熱力差異指數(shù)的模擬評(píng)估效果有好有差。利用季風(fēng)指數(shù)對(duì)模式進(jìn)行驗(yàn)證，則發(fā)現(xiàn)對(duì)海陸熱力差異模擬相對(duì)較好的模式對(duì)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)模擬較好，而較差的模式對(duì)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)模擬也較差。

4結(jié)論和討論

1）在1955—2005年中，亞洲季風(fēng)區(qū)夏季對(duì)流層中上層平均溫度場(chǎng)高溫中心位于印度北部青藏高原上空，通過(guò)分析選取出海陸熱力差指數(shù)并得出海洋上空溫度呈上升趨勢(shì)，而陸地上空則為下降趨勢(shì)，海陸熱力差異呈減弱趨勢(shì)，則表明東亞夏季風(fēng)呈減弱趨勢(shì)（陳小婷等，2010）。

2）CMIP5模式的氣候態(tài)模擬結(jié)果顯示模式對(duì)500 hPa、200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)的模擬性能較強(qiáng)，并且對(duì)200 hPa模擬結(jié)果優(yōu)于500 hPa；大部分模式對(duì)高溫中心模擬較弱，而在泰勒?qǐng)D中模擬較好的模式集合對(duì)高溫閉合中心的位置及強(qiáng)度模擬最為準(zhǔn)確，較差的模式集合對(duì)溫度場(chǎng)模擬也較差。

3）模式模擬的海陸熱力差呈減弱趨勢(shì)；海洋上空溫度呈上升趨勢(shì)，模擬效果最好；而于模式對(duì)青藏高原上空溫度模擬值偏低，陸地上空溫度也呈上升趨勢(shì)。結(jié)合各模式的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果得到：GFDL—ESM2G、MH-ESM-LR、MPI-ESM-MR對(duì)海陸熱力差異的綜合模擬較好，而BCC-CSM1-1-m、MRI-CGCM3、MIROC5模擬效果較差。且通過(guò)WYI季風(fēng)指數(shù)的驗(yàn)證，說(shuō)明通過(guò)模式對(duì)海陸熱力差的模擬能力可以推斷其對(duì)夏季風(fēng)模擬能力。

由于亞洲季風(fēng)區(qū)是全球最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，受到大氣內(nèi)部和外部強(qiáng)迫等多種因素的影響，針對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)海陸熱力差異未來(lái)的變化及對(duì)季風(fēng)的影響相應(yīng)的可能機(jī)制有待進(jìn)一步研究。