文摘

南美洲北部被确定为最脆弱的地区之一是受气候变化的影响。此外,最近对该地区极端潮湿季节引起的社会经济影响广泛的比例。因此,评估降雨模拟季节和年际时间尺度CMIP5模型是迫切需要的。这里,我们评估的能力7 CMIP5模型(选择基于文献综述)代表季节平均降水及其年际变化在南美洲北部。我们的研究结果表明,模型很容易繁殖雨量分布在北方夏季和秋季在海洋和陆地。这可能是由于在这些季节,入射辐射和大气反馈在大西洋和太平洋ITCZ的北半球,先前的研究的建议。模型展览更糟糕的模拟在北方冬季和春季,当这些流程定位ITCZ有相反的影响。我们的结果表明,模型与海洋ITCZ和当地的一个更好的表示低级飞机在南美洲北部,如乔科省低空急流,能够逼真地模拟季节性降水模式的主要特点在南美洲北部。

1。介绍

从大气动力学的角度来看,南美洲北部是一个复杂的地区,由于几个表面大气现象和当地条件之间的交互(如地形、植被和土地利用),生成一个雨量分布在广阔的时间和空间范围不同。降水的年度周期控制在这一地区的经向迁移热带辐合区(ITCZ) [1)的季节性运动日晒,生产双峰或单峰降水模式在南美洲北部([特定区域1),和引用)。然而,沉淀在南美洲北部的年度周期并非完全解释为ITCZ远足。区域存在的过程,就像一些低级的存在飞机,强烈影响大量的降水对该地区,当地降雨模式定义。尤其是乔科省低空急流,位于近地表水平(925 hPa)约5°N,诱发大量的水分运输到大陆,解释的存在世界上最多雨的地方之一(2]。当地其他低级飞机影响降水在这个领域是加勒比地区低空急流(CLLJ) [3)和赤道Midtropospheric东风急流(EMEJ) [4]。前者是位于表面水平大约10 - 12°N和它的大小不同每半年(3]。在几个月的型号(DJF)的一个分支的CLLJ朝东太平洋方向的改变,合并乔科省飞机,强化水分运输和对流对该地区(2]。此外,这种飞机有潜在影响的热带对流系统和传输大量的水分从热带大西洋进入加勒比海和东太平洋3]。另一方面,EMEJ位于约700 - 600 hPa /赤道,表现出明显的年周期(1)和交互乔科省喷气,加强深对流在哥伦比亚西部和中部(2]。子午ITCZ的位置和活动的低级飞机像乔科省喷射诱导形成的中尺度对流系统(5),这也会影响对该地区降水的年度周期(1]。

另一个南美洲北部的水分来源是水蒸气流水从大西洋的行动东风,流在整个海洋6]。一旦进入南美洲,这些风遵循由安第斯山脉地形障碍,开发南美低空急流(SALLJ) [7]。这飞机携带一个重要水汽,导致亚马逊和大气水分,因此,回收的高百分比对该地区降水(7]。此外,最近的研究表明,降雨在热带南美洲并不仅仅依靠从海洋来源的水分运输,还vegetation-atmosphere沉淀回收相关反馈和蒸散8)和生物泵的作用机制(7]。

在南美洲北部降水的年际变化由厄尔尼诺南方涛动(ENSO) ((9),引用其中),证明不仅在年际还在白天的时间尺度9]。虽然有一些时间和振幅的空间差异,ENSO的影响对当地水文气候学包括降雨量的减少,土壤水分,和河流流在自己温暖阶段(厄尔尼诺现象),而在其冷阶段观察到相反的条件(拉尼娜)((1,10),和引用)。尽管中国政府强大的影响力,赤道东太平洋,其他海洋也影响降水热带南美洲。例如,海表面温度(SST)在热带大西洋影响当地降水在亚马逊(11]。另一方面,主要的远程海洋影响到南美洲热带降水与热带印第安大西洋海洋(12]。此外,调节ENSO对亚热带南美夏季气候的影响由太平洋年代际振荡(PDO)也被建议(13]。然而,由于缺乏时间记录的雨量计观测在南美洲北部,特别是哥伦比亚,该地区降水量的年代际和数十年的变化仍不确定。

环流模型的开发(GCMs)导致了我们目前的知识的提高对全球和区域气候动力学在南美,为他们的未来提供预测的条件。因此,这些模型是理解气候变化的一个重要工具和稀缺的地区信息。最后一个模型代收集的耦合模型相互比较项目(CMIP5)包括24建模组世界各地。这些最近的模型已经被证明是执行的更好的表示的意思是大气的状态变量,如表面温度和降水,比以前的版本在CMIP3 [14]。最近的研究发现,双ITCZ CMIP5从CMIP3模型偏差减少,尽管冷舌头偏见仍然类似[15]。尽管降雨量的亚马逊仍然低估了一些CMIP5模型(16),他们代表的年度周期及其空间分布及其协变性与太平洋热带海洋有所改善(16]。

最近的评估一般CMIP5预测第二工作组的政府间气候变化专门委员会(IPCC)已经确定了南美洲北部,特别是哥伦比亚最脆弱的地区之一是受气候变化的影响(17]。此外,最近极端潮湿季节对该地区造成广泛的社会经济后果的比例(18]。因此,一个更详细的评价表示当地气候的季节性和CMIP5年际时间尺度的模型是迫切需要的,以识别和分析的预测全球气候变化下区域和地方未来气候情景。因此,本研究旨在评估季节性的表示的意思是在南美洲北部降水及其年际变化,以及仿真的主要驱动机制,由CMIP5执行模型。本文提出如下:部分2描述了数据和方法,部分3给出了主要结果提出的这项工作,部分4提出了一个简短的讨论和总结。

2。数据和方法

因为气候在热带南美洲的几个现象受到大西洋和太平洋的可变性,我们集中研究在该地区位于15°20°N和120°W 0°W。为了解决我们的分析,我们认为三个参考降水数据集:一个采用卫星数据集,一个重建数据集,一个再分析产品。重建数据集计和卫星测量的组合,包括统计方法。另一方面,再分析产品通常包含用于执行追算分析的观察,数值方法和数据同化技术(19]。

采用卫星数据集对应于热带降雨测量任务(TRMM) 3 b43 V7月度数据集(20.),空间分辨率为0.25°和可用的从1998年到2013年http://mirador.gsfc.nasa.gov/。

重建数据集是2.5°×2.5°网格提供的月降水全球降水气候学项目(GPCP),版本2.2,从1979年到2009年(21]。这个数据集已广泛应用在热带南美洲和与其他数据集相比气候预测中心(CPC)和TRMM [22]。

在这项研究中使用的再分析对应于国家环境预报中心(NCEP)气候预测系统再分析(CFSR) [23]。CFSR数据的空间分辨率38公里,从1979年到2013年在网站是可用的http://nomads.ncdc.noaa.gov/thredds/catalog/cfsrmon/catalog.html。这个再分析显示,一个性能优越的降雨模拟比以前版本NCEP / NCAR和NCEP / DOE再分析,反映出更好的流通领域的代表(24]。有人建议,由于其耦合数据同化,CFSR再分析硕士的有很好的表示与ENSO相关反馈过程,克服其他可利用25]。由于这个原因,我们包括CFSR再分析作为一个有用的工具来评估在南美洲北部降水的年际变化,特别是与ENSO相关。

三个参考数据集进行对比模拟与七CMIP5全球大气环流模型,选择以下部分中描述的标准3.1。这些模型的描述和引用表1。的周期分析气候模式及其年际变化对应于每个观测数据集的记录(模拟)期(模型)用于本研究。

对,CMIP5模型和CFSR再分析,我们检查了月降雨量,水平风和太平洋。模型数据与历史CMIP5运行的实验,其中包括自然和人为观察迫使在1850 - 2005年期间26]。CMIP5数据可用的程序气候模型诊断和相互比对(PCMDI)网站(http://pcmdi9.llnl.gov/)。模型和参考数据regridded共同2.8125°经度2.8125°纬度通过双线性插值网格,它对应于粗分辨率在所有数据和模型。

为了评估季节性的表示的意思是沉淀在南美洲北部的选择CMIP5模型,我们使用泰勒图(27),一个错误度量基于归一化均方误差(NRMSE)模式相关系数(PCC)和空间观测和模拟之间的方差的比值由每一个模型。RMSE是一种常见的测量精度的预测领域,经营的现一双模拟/观察字段和计算空间平均个人方这两个领域之间的差异。RMSE是规范化与观察到的标准差为每个季节。因此,高NRMSE值对应于可怜的模型模拟;相比之下,高PCC价值与满意的模型的性能。使用这种方法获得的结果验证方法后李和王2014 (28),它使用RMSE和PCC显示成一个散点图。只有前提出了。

3所示。结果和分析

3.1。预选的CMIP5模型

为了确定展览的CMIP5成员和年度计划的最好表示降水的年际变化在热带南美洲,我们进行了预选,基于文献回顾,CMIP5模型,展示一个更好的模拟对该地区的主要气候司机,以前章节中讨论1。考虑这个选择的标准是(i)表示的ENSO的基本特征(即,amplitude and spatial-temporal variability), (ii) the ability to simulate precipitation patterns over the Amazon, and (iii) the representation of rainfall patterns over surrounding oceans and mainland throughout the year. Here, we present the main summary obtained from literature review about these three criteria.

关于第一个标准,CMIP3 ENSO模型的模拟显示一些偏见,包括(i)振幅之间存在较大的差异,(2)2年的过高的频率事件而不是3-8-year观测频率,(iii)的一个贫穷表示季节锁相([29日),引用其中)(iv)倾向于复制中央太平洋厄尔尼诺现象但困难,模拟东太平洋ENSO和(v)问题模拟这两个独立事件(30.]。这些偏见的主要原因归结在文学表现不佳的年度周期和长期的意思是太平洋的热带太平洋(29日)和干燥的偏见在东太平洋CMIP3展出的模型(30.]。CMIP5模型具有更好的性能在ENSO的一些特性,如模拟ENSO事件的两种类型和他们的空间模式的差异30.表示),和改进的一些相关反馈像SST-latent热流反馈(29日];然而,其他重要特征代表仍然不佳。特别是中央太平洋ENSO事件期间的降水异常属于实质性的偏见,以及wind-SST和shortwave-SST反馈29日]。此外,ENSO频率仍不能很好地捕捉到全球大气环流模型,特别是对5到6年时间(31日]。先前的研究已经表明,一个准确的意思是国家在赤道太平洋ENSO模拟([是一个非常重要的因素30.),和引用)。特别是NorESM1-M版本包含在CMIP5显示的良好表示在东太平洋海温意味着国家但重要的冷偏见的西方盆地;相反,CCSM4有着重要的温暖的偏见在东太平洋和小错误在西太平洋而HadGEM2-ES呈现一个好的模拟热带太平洋,与一些温暖的偏见在东部32]。ENSO信号更强的振幅在NorESM1-M CCSM4, GFDL-ESM2M,谱峰反映出更强的周期信号(32]。HadGEM2-ES还显示大ENSO振幅但更现实的程度的谱峰32]。另一方面,尽管FGOALS-g2成功地模拟了观察ENSO振幅和周期,它不能代表中央太平洋厄尔尼诺现象,由于较强的负cloud-shortwave反馈在这个区域(33]。模型中实际代表太平洋东部和中部太平洋厄尔尼诺现象类型是GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, HadGEM2-CC, NorESM1-M [34]。此外,Bellenger et al。29日)显示的一般表示振幅,结构、光谱,和ENSO的季节性模拟由NorESM1-M NorESM1-ME, CCSM4, FGOALS-g2, HadGEM2-ES,和HadGEM2-CC(尽管他们展示一些重要的偏见在季节性),以及充分代表反馈(如Bjerknes、热流密度、短波、潜热反馈)FGOALS-g2和CCSM4。

与第二个标准,一些研究已经确定,大多数CMIP5模型能够代表总降雨量在亚马逊在雨季(DJF),但只有HadGEM2-ES HadGEM2-CC, CCSM4可以繁殖的好估计降水数量在干燥和过渡季节(环流和儿子,职责。)24]。此外,HadGEM2-ES HadGEM2-CC也表现出季节性降雨空间分布接近了观察,显示模拟表面条件的亚马逊比其他模型。另一方面,CCSM4显示了对流的低估水分在亚马逊,这似乎与过度降水模拟在大西洋和太平洋ITCZs [24]。

最后,关于第三个选择标准,CMIP5模型继续表现出重要的年平均偏差大西洋热带太平洋海温纬向梯度,由于逆转HadGEM2-ES和HadGEM2-CC模型的异常(35]。这些偏见有相似的进化提出了CMIP3模型,包括在大西洋上空东风在老妈的削弱和随后的深化东部温跃层,增加太平洋和减少冷却上涌的主要季节环流)。这些偏见的主要原因似乎是大西洋ITCZ的纬度的位置,影响东风的加强。CMIP5模型显示一个较大的纬度范围ITCZ的位置在大西洋上空,从6°S - 8°N April-August期间,观察ITCZ迁移相比,涵盖范围在0°和8°N [35]。特别是HadGEM2-CC显示泰勒在繁殖能力得分最高的年平均降水量在热带海洋(15]。此外,大臣和Takayabu (2013) (15)确定FGOALS-g2和GFDL-ESM2M展览最重要的双ITCZ的偏见。相比之下,NorESM1-M HadGEM2-CC显示太平洋的一个很好的表示,在太平洋ITCZ的位置。最后,尽管HadGEM2-ES显示一个最小的双ITCZ偏见,其冷舌头偏见仍然是重要的。

根据上面的讨论解决,我们选择七CMIP5模型,表中列出1(NorESM1-ME NorESM1-M CCSM4、GFDL-ESM2M FGOALS-g2, HadGEM2-ES,和HadGEM2-CC),为了执行以下部分中给出的分析。

3.2。降水季节性在南美洲北部

以下部分评估和讨论的代表性的年度周期沉淀在南美洲北部和周边海洋的选择CMIP5模型。图1显示了季节性的意思是降雨的空间格局研究地区七CMIP5模型和三个观测数据集。补充分析,图2显示了气候模型和参考数据集之间的差异对TRMM资料。

降雨的空间分布三个观测数据集符合所有季节,虽然有降水幅度的差异,特别是在海洋ITCZ(数字1和2)。此外,沉淀值由CFSR TRMM的大陆通常比那些GPCP老妈,和小DJF,环流,儿子。相比之下,TRMM和GPCP值更接近。之前已经建立,尽管南半球(SH)热DJF,观察到ITCZ位于大西洋和太平洋的北部,由于一些大气的组合机制,保持ITCZ赤道以北(37]。因为没有这些机制在大陆,美洲大陆ITCZ坐落在SH DJF [37]。结果表明,所有模型都能够定位在南美洲南部ITCZ但是他们不同定位的最大降雨中心。NorESM1-M、NorESM1-ME CCSM4目前的中心位置的最大降雨向东观测表明,降水集中在这个大陆的一部分,导致干偏见的西方大陆的侧面和湿偏见在东方。相比之下,HadGEM2-ES HadGEM2-CC、FGOALS-g2 GFDL-ESM2M能够定位最大降水在亚马逊的核心部分,尽管FGOALS-g2和GFDL-ESM2M显著低估他们的价值观对TRMM降雨。此外,只有三个模型(FGOALS-g2、HadGEM2-ES HadGEM2-CC)保持在北部大西洋和太平洋ITCZ北方冬季(DJF)。先前的研究表明,一个错误的灭亡ITCZ的北半球(NH)在北方冬季和春季观察到在模拟模型与偏见海气反馈(38]。因此,ITCZ的正确的位置在DJF展出一些模型意味着更好的海气表示这样的反馈。自模型定位向南太平洋ITZC位置显示的观察(除了两个HadGEM2模型,FGOALS-g2,和CCSM4),他们的最大降雨中心的模拟哥伦比亚西北部海岸向南在DJF也是模拟的观测位置。

在北方春天(老妈),东南热带太平洋展品双ITCZ由于蓄热现象和对流反应相关39]。如图1这个地区,降雨量的太平洋大比DJF老妈。此外,太平洋ITCZ模拟SH通过大多数的模型,除了HadGEM2-ES, HadGEM2-CC, FGOALS-g2,北部和南太平洋ITCZ繁殖;然而,降雨强度在南部ITCZ显示值比观察(图1和2)。七CMIP5模型选择定位老妈向南大西洋ITCZ的真正位置,诱导湿偏见南部的赤道大西洋暖池和干燥的偏见。在欧洲大陆,老妈的最好表示降雨空间格局和振幅是HadGEM2-ES所示,HadGEM2-CC, GFDL-ESM2M。

最后,结果表明,模型很容易繁殖雨量分布在北方夏季和秋季(环流和儿子resp)在海洋和陆地。这可能是由于在这些季节,入射辐射和海洋大气反馈在大西洋和太平洋ITCZ的北半球。因此,模型表示的最大降水中心在西方哥伦比亚是更准确比其他季节环流和儿子。在大西洋,HadGEM2-ES、HadGEM2-CC CCSM4展览空间的最接近表示降水模式。然而,七个模型显示一个高估的降水在东部热带大西洋(3°n - 3°S),特别是在环流。本CMIP3模型中观察到有关联的歪曲冷舌头开始在这个海洋(40]。最好的模拟降雨空间格局和振幅在大西洋上空是所有模型观察期间的儿子。只有GFDL-ESM2M展品干偏见在大陆的大部分地区在这个季节;这种行为与过度降雨量的热带大西洋和太平洋模拟该模型(24]。此外,七个模型能够识别亚马逊旱季期间环流(图1),一般小的差异对TRMM资料,除了HadGEM2模型,估计亚马逊旱季降雨(图2)。

3.3。降水的年际变化和年周期

充足的季节性降水表示在给定的区域不仅依赖于模拟气候模式,而且对降水变化的模拟模式。确定如果七选择模型能够逼真地模拟区域最大的降水的年际变化研究地区,图3显示了降水的季节性标准差为所有模型和观测数据集。类似于降水气候学(图1),三个参考数据集同意确定地区最大的变化在所有季节,尽管CFSR展品更大的标准差在赤道大西洋和太平洋和南美洲北部(图3)。它可以注意到,一般来说,该地区降雨量最大的匹配显示最大的标准差(数字1和3)。这是一个众所周知的关系观察模型模拟和观测和先前的研究讨论。然而,DJF标准差的观察显示了热带太平洋地区的大变化,W 110°和120°之间W(图3),这并不对应于一个地区降雨量大(图1)。只有NorESM1-M NorESM1-ME、GFDL-ESM2M CCSM4热带太平洋中部繁殖如此大的变化,虽然他们显示不同的振幅,比观测范围和位置。我们探讨了可能的机制与这个大降雨变化中心后在这一节中。FGOALS-g2低估降水年际变化在该地区的研究在所有季节。老妈期间,大陆的大型可变性中心展出由观察位于巴西东北部和西海岸的厄瓜多尔。所有的模型(FGOALS-g2除外)遵循这个在大陆的空间格局。在热带海洋,模型倾向于遵循气候季节性降雨模拟的空间格局(图1)。因此,只有HadGEM2模型能够再现海洋降水变化观察到北赤道线由于其能力来维持ITCZ赤道以北。相关的大变化区域标识在赤道DJF仍在观察老妈。过去两个赛季的环流和儿子),标准偏差的分布密切相关,降水量气候学的空间格局;因此,所有模型都能够复制这种模式。然而,在环流,该地区最大的热带大西洋,年际变化的观测数据集,比这更北的地方显示的模型。后者可能是由于大降水数量模型模拟中观察到在这个地区,这似乎是与缺乏冰冷的舌头开始这个赛季,像在前一节中讨论。

图3表明存在域内的降水年际变化大的区域,考虑本研究。为了探索降水与此相关的主要模式变化标准差模式及其对应的频率,我们选择了四个区域最大的标准差:(i)中央热带太平洋(2.5°n - 2.5°S, 170°W W - 110°),(2)亚马逊(5°S-10°S 50°W-60°W), (iii)东部热带太平洋、热带大西洋(iv),如图4。确定每个区域的主要变化模式及其对总降水量变化的贡献在时间的分析,我们进行快速小波变换36]域平均降水估计在每个区域的所有数据和模型(图5)。NorESM1-M和HadGEM2-CC光谱是由于他们的相似之处与其他模型没有显示来自同一个学院。

先前的研究已经发现,降雨量热带太平洋中央显示强大的变化与ENSO相关,与提高(降低)沉淀在其暖(冷)阶段(41]。我们的研究结果表明,最大的贡献差异观察热带太平洋中部对应的频率2 - 4和4 - 8年,这表明这个地区的大型标准差图所示3与ENSO相关。此外,功率谱得到观测数据集显示重要贡献热带太平洋中央的降水变率在1982 - 1987和1997 - 1998(图5),当温暖的ENSO事件发生(42]。此外,TRMM资料显示强大的光谱峰值与2010 - 2011年拉尼娜现象有关。FGOALS-g2是唯一模式,可以复制这两个变异频率为主要贡献者总该地区的降水变率。特别是,该模型显示增强的ENSO活动在1920年代,1940 - 1960年,从1980年代到现在。另一方面,GFDL-ESM2M仿真表明,热带太平洋中央最大的贡献差异主要集中在四年的频率范围,而HadGEM2-ES歪曲这个频率范围与主导模式1的频率。此外,NorESM1-ME显示大部分的降水变化在这个地区与2-4-year模式虽然CCSM4展品与4-8-year关联模式。图5表明,占主导地位的最佳位置在时间频率导致热带太平洋中央降雨方差由FGOALS-g2给出。

图5还显示,亚马逊的降水变率的主导模式,不仅在观察还在模型模拟,对应于对该地区降水的年度周期。此外,观测数据和模型显示著名的亚马逊降雨和ENSO的关系,在以前的研究报告(43),2 - 4所示,4 - 8年频带小波功率谱中观察到。此外,TRMM、GPCP CFSR数据集显示差异识别的主要频段东部热带太平洋。虽然这三个数据集显示强劲的年度周期和ENSO影响降水热带东太平洋,他们不同意的主要频率可变性(图5)。模型能够识别的年度周期或在赤道东太平洋降水为主要变化模式以及ENSO信号在同一频率在中央太平洋地区;然而,一些模型(NorESM1-ME、CCSM4 GFDL-ESM2M)显示高动力学变化,弱得多观察。最后,降雨量变化的主要模式热带大西洋上空被观测和模型是一年一度的周期,以前一直被认为是这个地区的主要变化模式(44]。这种模式的可变性模型中复制,除了GFDL-ESM2M和CCSM4,由对该地区季节性变化模式。

这些结果说明的能力的几个选择CMIP5模型充分表现,不仅季节平均降水在南美洲北部,而且年际变化的地区全年最大标准差。进一步确定如果这些选定的模型也能够模拟在大陆,年降雨量的变化我们评价他们的表现在四个区域降水的年度周期:亚马逊(75°W-60°W;3°N-10°S),中央哥伦比亚(即。,the tropical Andean region, 76°W–73°W, 8°N–3°N), the Colombian Pacific coast (80°W–76°W, 9°N–2°N), and northern Colombia (i.e., the Colombian Caribbean region, 76°N–70°N, 12°N–8°N; Figure6(一))。

作为先前的研究记录,亚马逊地区展示一个清晰的单峰年度周期的降水,高峰值在三月到五月和最低降雨量7月至9月在北域(图6 (b))[2]。然而,CFSR降雨强度大于那些由TRMM GPCP在雨季和较小的旱季,也建议图1。HadGEM2单峰模式复制的模型,它显示振幅比从其他模型更接近观测。另一个模型表现出双峰模式,它不同于观察,低估了年度周期振幅在几乎整个一年(特别是GFDL-ESM2M儿子)。干燥的偏见展出了GFDL-ESM2M亚马逊在其他研究报告(24]。

在哥伦比亚中部热带安第斯地区显示了降水的双峰模式(图6 (b)5月至10月期间),降雨量较大振幅TRMM GPCP, CFSR和4月和11月。CFSR值在这个地区要小得多比其他观测数据集。所有的模型(除了HadGEM2和CCSM4模型)展览这two-peak模式;然而,GFDL-ESM2M显示延迟第一高峰和推迟6月第二高峰,10月不同的参考数据。FGOALS-g2显示了更现实的December-April期间降水振幅在该地区,而另一模型显著低估降雨量热带安第斯山脉在这几个月里,除了HadGEM2模型。

哥伦比亚太平洋地区展览双峰模式以最大降雨量4月和10月,由CFSR(图所示6 (b))。相比之下,TRMM和GPCP模式不显示双峰周期以来他们建议几乎相同(图5月至11月之间的降雨量6 (b))。HadGEM2和CCSM4单峰年度周期模型显示在这一地区,而不是一个双峰模式,同意TRMM和GPCP数据。另一个模型显示双峰年度降水周期,与今年第二个峰值大于第一个。在安第斯地区,太平洋ITCZ模型显示一个更好的模拟显示在DJF低估了降水少。

最后,观测数据表明哥伦比亚加勒比地区降水周期的高峰在5月和10月,据IDEAM(2005)和其他研究[45];然而,CFSR展览规模较小的降雨强度在这些个月相比TRMM和GPCP。相比之下,一些模型展览单峰降雨模式(CCSM4、GFDL-ESM2M NorESM1模型),低估了在今年头几个月的降水。这些模型对应于那些无法维持ITCZ DJF期间赤道以北,识别,如图1,这表明之间的关系足够ITCZ位置在第一个月和年度周期的一个现实的表示在加勒比海地区降水。尽管HadGEM2模型和FGOALS-g2表现出双峰模式,只有后者能够适当定位中的两个实际降雨量的山峰。

3.4。评估CMIP5模拟

中给出的结果数据1来6定性描述季节性降水的模拟在南美洲北部由七个CMIP5模型选择。为了定量地评价这种模拟,图7显示相应的季节性降雨气候学考虑TRMM泰勒图作为参考数据,如部分所述2。GPCP季节性降雨比CFSR TRMM更近,也显示在图2。最好的模型表示的季节性降雨在南美洲北部(即。,those showing the least RMSE and standard deviation ratio, and PCC closer to one) are the HadGEM2 models, especially in DJF and MAM. The worse simulations are produced in MAM, when all models either exhibit the double ITCZ bias or locate the ITCZ over the SH rather than over the NH (Figure1)。自从FGOALS-g2低估标准差比率在所有季节,它往往低估了降水的空间变异性在南美洲北部,特别是在老妈(图3)。然而,由于该模型再现了季节性降雨模式合理同意观察(图1这个模型),PCC值相对较大。在环流和儿子,模型显示较小的RMSE,较大的PCC值,从而更好地模拟域考虑季节性降雨。这是由于模型的能力展示一个更现实的降水分布在该地区ITCZ位于赤道以北的时,部分中讨论3.2。然而,所表现出的标准差比大多数的模型不是接近1,由于观测降雨强度更大,在这样的季节里,只有HadGEM2模型能够再现这样的高强度(数字1和7)。

这些结果表明,在HadGEM2七CMIP5模型选择、模型显示的更现实的模拟季节性和年降雨量在南美洲北部。此外,一些模型包含在CMIP5档案仍然显示一个大双热带太平洋ITCZ的偏见。这种偏见可能影响降水模拟在南美洲北部,因为这个地区是强烈调制的太平洋赤道太平洋可变性。观测偏差的可能原因对该地区降雨模拟的研究在以下部分探索。

3.5。什么可能导致观察到的偏见在南美洲北部降雨模拟?

3.5.1。模拟降雨和太平洋的东太平洋海温梯度和两半球间的

作为讨论的部分1,降水在南美洲北部强烈调制ITCZ的位置,进而与SST和降雨模式在东太平洋和大西洋的海洋。因此,一个适当的模拟风场和降水模式在热带东太平洋和大西洋的海洋是重要的对于一个适当的模拟降水在南美洲北部。已经发现,降雨量最多的海洋观测在太平洋最高的地区,因为他们提供大量的热量和湿气的海面,触发对流活动(15]。在东太平洋和大西洋东部海洋不显示最小值表面压力,搭配、maxima海温和对流由于强大的跨赤道气压梯度观测到在这些地区52,53]。特别是,在东太平洋,对流最大值位于朝赤道方向的SST最大值。先前的研究表明,跨赤道压力梯度的分布和海温决定off-equatorial对流的位置52]。过高的海温在秘鲁西部地区的对流的耦合模型可以产生不切实际的模拟,生成ITCZ的两倍。此外,对海温分布的改变,进而跨越赤道的压力梯度会导致季节性迁移ITCZ [52]。之前分析CMIP5模拟的降水,风场和其他ocean-atmospheric变量在热带海洋动力学和季节性时间尺度和观察到的偏见都集中在大西洋热带地区(35]。另一方面,CMIP5模拟降水和太平洋热带太平洋研究了从意味着国家的角度来看15]。从这些研究的主要结论进行了讨论3.1。自从CMIP5大西洋热带太平洋和降水的模拟得到了更多的关注在文学比南美海岸附近的东太平洋,我们评估之间的关系的良好表示降水空间分布和空间格局well-simulated海温在东太平洋不同季节期间,为了找出可能的原因的偏见中观察到CMIP5降水模拟在南美洲北部在前面的章节讨论。图8显示这两个特性之间的联系海温PCC的散点图和该地区降水PCC在四季,从七CMIP5模型获得考虑。

东太平洋太平洋和降水的模拟模型表明,一般来说,高海温pcc的值与降雨pcc。因此,当太平洋东太平洋的相关性较高,本地区的降雨量是最好的模拟模型,为发生在环流和儿子(数据1和8)。相比之下,最低的在东太平洋海温pcc老妈期间观察到,与最低降雨量pcc一致。一般来说,HadGEM2模型复制的最佳空间模式在赤道东太平洋海温和降雨期间所有的季节;此外,CCSM4 GFDLESM2M也表现出良好的儿子(图表示8)。相反,NorESM1模型显示的贫穷的模拟空间模式。

进一步探索东太平洋的代表太平洋模式的选择模型,我们计算的两半球间的SST梯度复制CFSR和模型模拟。图9显示了季节性气候的纬向平均的太平洋热带东太平洋。此外,表2显示了季节性两半球间的SST梯度计算是北太平洋的平均值之间的差异(15°N-equator)和南部(15°S-equator)赤道的W W 120°和85°之间的位置。

在所有的季节里,CFSR显示强大的赤道太平洋海温梯度之间的东北部和东南部,最高温度位于赤道以北和赤道以南的最低(图9和表2)。正如所料,模拟梯度更接近观测以来环流和儿子耦合模型考虑能够繁殖的变暖热带太平洋北部,如前面部分中讨论。相比之下,图9和表2表明模型存在问题复制两半球间的温度梯度在一分之二赛季,也观察到这个地区在降雨模拟(图1)。然而,HadGEM2模型能够密切繁殖北方冬天春天两半球间的在东太平洋海温梯度(图9和表2),以及对该地区雨量分布在这些季节(数字1,7,8)。相比之下,NorESM1-M模拟两半球间的温度梯度最大的偏见在冬季和春季的季节。CCSM4,尤其是随着GFDLESM2M,再现了太平洋海温峰值大小相似的东北部和东南部DJF,因此弱两半球间的梯度(表2)。此外,GFDLESM2M模拟高太平洋赤道太平洋东南部的老妈,产生负的两半球间的梯度。FGOALS-g2,尽管展品特别是高太平洋位于赤道以北的北方冬季(图9),模拟一个非常低的两半球间的梯度(表2)由于其过高的太平洋赤道以南。

比较数据8和9和表2表明仿真的两半球间的SST梯度之间的关系和空间的表示模式的赤道东太平洋海温和降雨量。HadGEM2模型模拟最好的两半球间的梯度以及最好的东太平洋海温和降雨模式。相比之下,NorESM1-M繁殖海温梯度最大的偏见在DJF和老妈和降水pcc在东太平洋最低的国家之一。此外,由于NorESM1-ME显示更明显比NorESM1-M两半球间的SST梯度(表2的),它显示了一个更好的表示降水分布在东太平洋DJF(数字1和8)。负梯度为GFDLESM2M MAM(图中观察到9和表2)可以解释这个模型展览海温PCC和降雨PCC值最低的国家之一,如图8。在北方的春天,只有HadGEM2模型和FGOALS-g2可以定位赤道以北的最热的地方,表现出最好的降水空间模式的代表东部热带太平洋(图8)。

模拟的偏见中观察到在东太平洋海温两半球间的梯度的选择模型密切相关的能力实际模拟降雨的空间分布在南美洲北部(数字7和9和表2)。例如,HadGEM2模型再现最好的两半球间的梯度和降水模式在南美洲北部在整个一年。相反,NorESM1-M、GFDL-ESM2M CCSM4展览最穷的模拟两半球间的梯度,尤其是DJF和老妈,一些最低的表演模拟降水模式在南美洲北部。这里讨论的结果表明,一个适当的模拟的SST和降雨模式在东太平洋海温梯度以及东北部和赤道太平洋东南部,是重要的准确模拟降水的季节模式在南美洲北部。然而,原因不同的偏见在海洋风场模拟在这需要进一步解决,因为他们不仅迫使因素,还取决于每个特定模型的内在变化。

3.5.2。当地低级的模拟飞机

上面讨论的结果和总结数据8和9表明,充足的降雨量表示的关键指标南美洲北部似乎是赤道太平洋海温之间的区别东北部和东南部,以及降水分布在海洋。这是与当地ITCZ密切相关。然而,在南美洲北部降水并不完全取决于ITCZ位置和相关的大西洋和太平洋热带太平洋。在先前的研究发现,该地区降雨量季节性强烈调制由当地低级飞机,像乔科省喷气CLLJ,该地区交通重要的大量水分(1,2,7]。因此,观察到的偏见的另一个原因模拟季节性降雨模式在南美洲北部由七个CMIP5模型选择(数字1,2,7)是这些地方的歪曲低级别的飞机。自乔科省低空急流及其交互CLLJ,水分的主要来源之一是南美洲西北部,我们如何评估模型模拟这两个低级的飞机。图10显示了纬向风的年度周期从1000年到500年hPa在82°之间5°S W和18°N。空格没有对应数据,由于地形和/或CMIP5模型的水平分辨率。

CFSR纬向风场能够代表的年度周期乔科省喷射在先前的研究中,描述的西风在925 hPa(即。5°S之间,消极的纬向风)和5°N,以最大速度在儿子和老妈(图期间最低10(a))。所有模型都能够复制这低空急流和年度周期,尽管他们通常低估了风速在所有季节。HadGEM2模型显示更高的核心在环流速度而不是儿子(数字10(d)和10(e))。NorESM1模型复制更浅的垂直结构的飞机(数字10(b)和10(c)),尽管他们再现观察年度周期。最后,FGOALS-g2、CCSM4 HadGEM2模型(数据10(g),10(h),10(d)10(e)、职责)并不完全代表其垂直结构对该地区由于缺失的数据。

进一步确定每月的网格点降水异常之间的关系和乔科省低空急流展出通过观测和模型模拟,数字11显示了记者这两个变量之间的相关系数在南美洲北部。降水异常被认为是为了避免偏见的相关性与强降水的季节性周期相关地区。低空急流指数计算925 hPa在82°W平均纬向风5°S和7°N,在先前的研究[2]。纬向风的速度被认为在82°W而不是80°W 925年几个模型显示没有数据以来hPa纬向风可能由于边界条件在这个大陆的经度。因此,一个积极的指标代表了一个更强的乔科省而走弱射流发生在负折射率值。结果表明,CFSR识别正相关性在哥伦比亚和西部和北部最北赤道太平洋,表明一个更强的乔科省射流与在这些地区降水增加。相反,负相关性在厄瓜多尔西部和东南部热带太平洋观察,表明一个更强的乔科省喷射与减少降水的区域(图11(a))。这种偶极子模式由HadGEM2模拟模型和CCSM4(数字11(d),11(e)11(h)、职责),尽管负相关性在厄瓜多尔西部和东南部太平洋模拟HadGEM2-CC显示较小的扩展。相比之下,NorESM1模型、GFDL-ESM2M和FGOALS-g2表现出正相关性的哥伦比亚、厄瓜多尔、委内瑞拉和东太平洋(数字11(b),11(c),11(f)11(g)、职责),这表明在这些模型中,一个更强大的乔科省喷气对整个地区降水增加,而不同于之前所观察到的其他研究,如图11(a)。这种低级的更好的模拟飞机及其与降水异常在记者相关性南美洲北部HadGEM2展出的模型和CCSM4,以及偏置模拟GFDL-ESM2M, FGOALS-g2和NorESM1模型(数据10和11),符合他们的繁殖性能东太平洋ITCZ(如图所示由降雨和太平洋模拟;数据1,2,8,9)。然而,这个飞机的动力不仅与当地有关太平洋ITCZ和相关,还与当地的过程(7]。此外,这样当地现象的足够表示强烈依赖于模型的横向和纵向分辨率。必须指出,最好的水平分辨率的模型(CCSM4、HadGEM2-ES HadGEM2-CC;见表1)表现出的最好表示乔科省低空急流及其与降水的相关性在南美洲北部。

另一方面,数字10模拟结果与实际观测值也显示加勒比海低空急流。CFSR观测能够代表这个飞机,东来的纬向风(即所示。-带状速度)集中在10°N和20°N 1000 hPa - 700 hPa。此外,CFSR表现出最高的速度在加勒比地区环流和DJF而最低速度时观察到的儿子和老妈(图10(一)),在先前的研究发现([4)和引用)。所有的模型能够模拟和正确定位这个飞机的核心区域。然而,只有NorESM1和HadGEM2模型充分代表了纬向风的年度周期在加勒比海(数字10(b)10(e)),尽管NorESM1模型高估了风速在所有季节。此外,尽管CCSM4适当模拟最大CLLJ核心速度在环流,它不能识别DJF第二峰(图10(h)),而GFDL-ESM2M歪曲整个年度周期的飞机(图10(f))。最后,在环流CLLJ的垂直结构,当这种飞机更强烈,被所有的模型。一般来说,我们的结果同意先前的研究的结论CMIP3 CLLJ模拟的模型有关的能力代表CLLJ及其纬度的位置,以及它的垂直环流结构(54];然而,这些先前的研究识别问题CMIP3模型复制的年度周期CLLJ,与部分或CMIP5模型分析,正如我们上面所讨论的。

在这一节中讨论的结果表明,四个选择CMIP5模型中表现出很强的问题模拟乔科省低空急流;相比之下,所有的模型展示一个更好CLLJ的模拟。此外,乔科省飞机之间的关联模式和降水异常在南美洲西北部的强度表明,飞机是当地降水(图强烈相关11)。因此,偏见在降雨模拟观察到这个区域可以通过这些模型所示的偏见与繁殖乔科省低空急流时,以及观察模拟东太平洋ITCZ的偏见。

4所示。总结和讨论

本文的仿真评估气候降水及其季节和年际变化在南美洲北部的七模型包含在最近发布的CMIP5运行。七个模型选择的文献综述的基础上,考虑三个主要标准:(i)表示的ENSO的基本特征(即,amplitude and spatial-temporal variability), (ii) their ability to simulate precipitation patterns over the Amazon, and (iii) their representation of rainfall patterns over surrounding oceans and mainland throughout the year. These three aspects were considered since annual and seasonal precipitation over this region is strongly modulated by variability over neighboring oceans, especially ENSO, as well as Amazon convection. Our literature review suggests that NorESM1-M, NorESM1-ME, CCSM4, GFDL-ESM2M, FGOALS-g2, HadGEM2-ES, and HadGEM2-CC are the CMIP5 models that show the best representation of these three features.

季节平均降水的模拟模式及其年际变化在南美洲北部的七所选模型和卫星(TRMM)相比,再分析(CFSR)和重建数据集(GPCP)。我们的结果表明,七个模型倾向于模拟ITCZ迁移大陆全年,尽管他们不同意定位的最大降雨中心。HadGEM2模型执行的最佳代表大陆降水分布,观察持续在所有季节。然而,我们的研究结果证实,它是比较困难的模型实际定位ITCZ热带海洋,特别是在DJF和老妈,当SH热但大气反馈定位ITCZ赤道以北的。因此,只有这些模型可以适当地繁殖的正确位置赤道多雨地带在北方冬季(DJF)和弹簧(老妈),虽然他们仍然显示双弹簧ITCZ的偏见。ITCZ的满意的表示,这些模型在一分之二赛季的可以被关联到一个更好的模拟海洋大气反馈负责保持ITCZ在这样的季节里,在这个位置。相反,七个模型能够再现海洋和大陆雨量分布在北方夏季环流)和秋季更容易比其他季节(儿子)。这可能是由于大气的影响反馈在大西洋和太平洋,除了太阳入射辐射,位于北半球ITCZ。因此,泰勒图显示RMSE最小和最大的PCC值在环流和儿子,而相反的发生在DJF和老妈。此外,我们的研究结果表明,降水的空间分布的标准差这一地区降水模式密切相关,因为地方降雨量最大的振幅与显示最大标准差; hence, a good representation of the spatial distribution and amplitude of the climatological precipitation over the region appears to be a fundamental factor for an adequate representation of its interannual variability.

来验证模型是否能够正确将降水标准偏差模式在南美洲北部与可变性在该地区的主要模式及其相关频率,我们计算的快速小波变换domain-averaged降雨量最大的四个区域标准差:热带太平洋中部,亚马逊、热带太平洋东部和热带大西洋。总的来说,模型能够识别所有地区的降水变率的主导模式;然而,他们表现出的问题复制年际变化的主要模式的频率在赤道太平洋中部。只有FGOALS-g2能够繁殖与ENSO相关的观测频率(2-4-year和4-8-year)赤道太平洋中部;相比之下,NorESM1-ME、CCSM4 GFDL-ESM2M (CCSM4和GFDL-ESM2M)显示的差表示的主要频率模式在赤道东太平洋(热带大西洋)。此外,功率谱模型显示著名的亚马逊降雨和ENSO的变化之间的关系,在以前的研究报道。

确定如果选择模型能够模拟降水的季节性变化在南美大陆北部,我们评估他们的表现年度周期的四个地区的降水与不同模式:亚马逊热带安第斯山脉,哥伦比亚太平洋沿岸,哥伦比亚加勒比地区。在亚马逊地区,只有HadGEM2模型能够再现的年度周期的单峰模式降水、展示最近的降雨观测振幅,而其他模型表现出双峰降雨模式和低估了它的振幅在几乎整个一年(特别是GFDL-ESM2M儿子)。在其他地区,模型不能充分繁殖DJF期间ITCZ和老妈的位置(即。,CCSM4, NorESM1-ME, NorESM1-M, and GFDL-ESM2M) considerably underestimate rainfall during the same months in these regions. This suggests that a good representation of the ITCZ over the tropical Pacific is related to a better representation of the annual cycle of precipitation over northern South America.

什么导致偏见季节性降雨模拟中观察到的七个选择CMIP5模型?几项研究已经突显出强烈的热带大西洋和太平洋海温变化对降水的影响在南美洲北部。大西洋太平洋的仿真评估的生产商模型已经在其他的研究中解决。这里,我们评估的代表太平洋和降雨量在东部热带太平洋的选择模型,以及他们的海温梯度模拟两半球间的海洋。结果表明,在一般情况下,热带太平洋东部的一个更好的表示(即太平洋模式的模型。,更高的pcc)与更好的表示该地区降雨量(即。,更高的降雨pcc)。此外,我们的研究结果表明,充足的降雨的关键指标表示在东部热带太平洋的区别似乎温度峰值在东北部和东南部热带太平洋(即。,两半球间的SST梯度)。因此,模型能更好地模拟大脑半球之间的温度梯度在东部热带太平洋(HadGEM2模型)可以复制一个更好的空间模式风场和降水在这海洋。

的另一个来源影响季节性降水在南美洲北部对应于当地的低级飞机在该地区,如乔科省和加勒比地区的飞机。因此,为了进一步解决上述问题,我们探索的能力7 CMIP5模型选择模拟这样的局部现象。结果表明,FGOALS-g2和HadGEM2模型能够再现乔科省喷气和年度周期而CCSM4 GFDL-ESM2M,和NorESM1模型不复制这个飞机的浅薄和近地表垂直结构,以及它的强度。另一方面,大多数模型识别加勒比海的喷气机。只有少数模型模拟其季节性周期(NorESM1-M, NorESM1-ME、HadGEM2-CC HadGEM2-ES)而CCSM4和FGOALS-g2不能复制在DJF纬向风的第二个高峰。此外,结果表明,只有HadGEM2模型和CCSM4实际上代表观察到的偶极子在哥伦比亚西北部降水量之间的关系/厄瓜多尔西部的北赤道太平洋和赤道太平洋南部,乔科省有关飞机。相比之下,FGOALS-g2、GFDL-ESM2M NorESM1展览一个贫穷的这种模式的仿真模型。

结果提出了建议的偏见在降水模拟在南美洲北部似乎与偏见所选CMIP5模型所示当繁殖东太平洋ITCZ和当地低级飞机,尤其是乔科省喷气机。虽然东太平洋太平洋是一个重要的因素参与的动态乔科省飞机,就是明证强ENSO影响这低空急流的年际变化1),这种动力也依赖于高度局部流程如热带安第斯山脉西部斜坡地形升降,地表条件在南美洲西北部,达森林和植被反馈(7),以及强烈取决于模型的横向和纵向分辨率。此外,最近的研究探索当地植被的作用优惠大气水分运输通路,南美洲北部,比如乔科省低空急流(7]。因此,一个更详细的空间分辨率的地表和植被过程和一个更好的包容在南美洲北部在当前CMIP5模型是必要的,以提高他们的能力来模拟这种低空急流,因此,提高模拟的季节性降水在南美洲北部。另一方面,先前的研究已经评估了模拟CLLJ CMIP3模型(53];然而,据我们所知,乔科省飞机的评价模型并没有被解决。因此,这里给出的结果有助于评估模拟季节性降水在南美洲北部的CMIP5模型,关注当地的过程由乔科省喷气机。这些结果第一次探索可能的原因的偏见所选CMIP5模型中观察到的模拟季节性降水在南美洲北部及其年际变化。更详细的分析不同的因素和机制参与这些偏见以及仔细识别不同的特质CMIP5模型相关的偏见需要进一步解决。

总之,我们的结果表明,模型与海洋ITCZ和当地的一个更好的表示低级飞机在南美洲北部(HadGEM2模型)能够模拟季节性降水变化的主要特征在南美洲北部,这是一个必要条件,以分析其预测该地区在气候变化的情况下。后者是迫切需要从南美洲北部一直公认为最脆弱的地区之一是受气候变化的影响(17]。因此,评估气候变化的预测及其可能对这一地区的影响是一个必要的路径为了制定自信的适应和缓解策略。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持“Departamento Administrativo de Ciencia Tecnologia e Innovacion de哥伦比亚”(Colciencias)计划。5509-543-31966。作者承认世界气候研究计划的耦合的造型,工作组负责的生产商,他们也感谢气候模型组(表中列出1本文的)生产和提供他们的模型输出。的生产商,美国能源部的气候模型诊断程序和相互比较协调的支持和领导开发的软件基础设施与全球合作组织地球系统科学门户网站。作者也承认两个匿名评论者的深刻见解,这有助于提高。