文摘

随着大气的基本组成部分,平流层中扮演一个重要的角色在对流层气候和天气系统,特别是在冬天,当平流层和对流层相互作用最强。本研究评估的能力第五阶段的耦合模型相互比较项目(CMIP5)和CMIP3模型来模拟北方冬季平流层极涡。分析表明,模型与好看平流层,也就是说,高模型顶部(HTOP)覆盖整个平流层,高垂直分辨率(高压)的平流层,和nonorographic重力波阻(支架),排名高时间评分系统和空间评分系统。极端寒冷的极地涡流偏见,CMIP3模型中发现,消失与HTOP CMIP5模型,高压和支架,但仍然存在其他CMIP5模型。动力学分析表明,热流传播到平流层与HTOP更强的模型中,高压,支架,但这些传播仍低于那些ERA40再分析,表明在当前CMIP5缺乏变化模型。

1。介绍

气候模型对于改善我们机械的非常有效的工具对气候变化的理解和执行未来气候预测。在最近的几十年里,已经取得了很大的进步在目前的气候模型有更高的分辨率(横向和纵向),更完整的物理过程,更复杂的参数化方案。这大大提高了模型的性能和适用性全球气候变化预测区域尺度(1- - - - - -3]。

大多数发表的气候变化的研究主要是集中在表面和对流层较低。因此,大多数模型的改进和优化,使对流层相关。然而,近几十年来,研究表明,平流层可以发挥重要作用在近地表气候变化和改变。平流层的迫使,造成内部气候变化等外部因素或注入大量火山气溶胶喷射到平流层,对流层气候的重要驱动力。其中,Perlwitz和伯爵4,5]和Perlwitz Harnik [6)发现,从对流层行星波的传播可以反映在平流层对流层层回当平流层背景强西风4,7)或者当有消极的风切变在平流层顶附近的西风政权6]。这可以进一步影响对流层天气系统(8- - - - - -13)和循环模式(14]。Nath et al。15]显示此链接500 hPa高度异常北太平洋,导致寒冷的天气在北美。黑色(16)和斯凯夫et al。17]表明,冬季平流层极涡的变化可能会影响表面气候通过这些变化的影响对北极涛动/北大西洋涛动。鲍德温和Dunkerton8,18)报道,两个强者和弱者在平流层极涡异常可以传播到对流层顶。这些异常可以持续60天,忙对流层异常相同的迹象的平流层,并影响表面风暴,表面压力(19)与北大西洋海洋表面温度(20.]。此外,Manzini et al。21]表明,海平面气压,表面温度,海冰覆盖在北半球中高纬度地区的异常可以追溯到持久平流层涡异常在年代际时间尺度上。平流层的改善表示展示了创建一个一阶变化在冬季气候预测海平面气压在多个气候模型(22)和单模型(23]。对未来气候预测,气候敏感性的传播可能会减少通过减少平流层的传播变化(24]。

Stratosphere-resolving模型也是重要的模拟Brewer-Dobson循环(BDC),这可能会加强在未来大气中温室气体浓度增加(25- - - - - -28]。自从BDC传输臭氧和其他微量气体从热带到极地平流层的手段推翻循环,平流层的模型的性能是很重要的对于理解臭氧层空洞的形成和它的复苏29日),以及辐射平衡的变化(1,30.]。

然而,先前的研究在平流层循环显示一些常见的模型偏差。例如,“寒极”问题在大多数stratosphere-resolving耦合一般气候模型(GCMs)很长一段时间(31日]。越来越冷平流层极涡与更少的扰动密切相关的平流层和低频率的突然平流层变暖事件(32]。Cordero和福斯特33]19 CMIP3的性能评估模型,它被用于政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(的事)。他们的分析表明,19日全球大气环流模型表现出一个冷平流层NCEP再分析资料。虽然模型与高海拔和极高的水平最好的技能模拟极地温度时,他们仍然感冒了偏差约4 - 7 K hPa 10点。任等。34]表明这种“寒极”问题盛行在气候模型中,高估了极夜的喷射速度、更少的纬向不对称,更低的频率西南偏南约60 perpetual-January模型中的事件(只有3个月),和一个弱很多可变性极地平流层的地区。

直到最近,这寒冷的极偏见仍然在大多数的模型。分析CMIP5 [35)模型模拟显示,极地平流层冷偏见在春天气温持续在大多数模型,导致延迟最后两半球(平流层变暖36]。另一个倾向是持久的环形对流层模式模式,这是常见的,发现在CMIP3耦合气候模式(37CCMVal)和(化学气候模型验证活动)化学气候模型(38]。这种偏见被认为是相关的偏见低估动力学变化在平流层(38]。

在这项研究中,我们利用一个排名系统学习表演的个体模型模拟平流层环流在北方的冬天,和如何更好地模拟的问题讨论了北半球平流层极涡。我们比较几个关键流程,这可能会导致增加模型的性能在同温层,包括增加模型,在模型中引入nonorographic重力波阻,水平/垂直分辨率的增加模型的平流层,升级模型从气候模型(ESM)地球系统模型,并在平流层的化学过程。

在这项研究中,从CMIP5 42气候模型被用于AR5是用来评估他们的表现在模拟的北半球平流层极涡(SPV)。同时,结果从22 CMIP3模型,用于AR4评价,也用于比较的目的为了检查可能的改善SPV气候学的模拟。本文的结构如下。节2,我们将讨论模型,基于观察的数据,在这项研究中使用的方法。节3将呈现,CMIP5 SPV气候学。一个两个示例Kolmogorov-Smirnov测试执行(钴测试),并将排名根据他们的模型 从钴测试值。动态原因subensembles模型之间的差异将会讨论。此外,总结和讨论将在部分4。

2。模型和数据

2.1。模型输出可用性

模型相互比较项目(MIPs)提供最好的机会来评估当前最先进的气候模型描述气候系统的变化。最著名和成功的MIP可能是耦合模型相互比较项目(生产商),比较从全球耦合气候模型模拟,提供了一组标准的模型模拟旨在评估未来气候变化模型的模拟和预测和理解的一些因素负责模型预测的差异(http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/)。这些仿真结果用于气候变化评估报告的政府间气候变化专门委员会(IPCC)。自1995年成立以来,生产商已经进化到第五阶段(CMIP5),广泛应用于政府间气候变化专门委员会第五次评估报告。

根据IPCC AR5报告,总共有50 CMIP5模型从25机构,这是那些用于AR4和CMIP3的两倍(24)模型。CMIP5模型在许多方面有别于CMIP3模型。三分之二的CMIP5模型是地球系统的模型(esm),包括全球碳循环39]。然而,所有的CMIP3模型使用规定的全球平均有限公司2浓度。因此,这些模型被称为硕士环流模型(AOGCMs)或气候系统模型(csm)。以后,AOGCMs csm被称为全球大气环流模型。水平分辨率的大气和海洋的组件的大多数CMIP5模型是高于CMIP3模型。此外,大约一半的CMIP5模型可以完全解决平流层,和垂直分辨率的模型(CESM-WACCM、CMCC-CMS HadGEM2-CC, MIROC-ESM, MPI-ESM-MR,和MIROC-ESM-CHEM)有能力模拟QBO。

在这项研究中,我们采用了42几个气候模型输出程序的气候模型诊断和相互比对(PCMDI,http://cmip-pcmdi.llnl.gov/)。分析模型的名字列在表中1,以及其他的模型信息。表1编译使用信息,参与建模中心提供给PCMDI(看到了吗http://www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about_ipcc.php关于模型的更多信息)。

表1
详细信息42 CMIP5模型用于这项研究。大气表示大气模型的组件。盖子是模型的高度。> 200 hPa表明有多少水平高于200 hPa模型中。GCM / ESM (L / H)分类模型作为GCM或ESM (low-top或高层次)模型。Y表示模型包含nonorographic波参数化(互动化学)(N),朗×lat给大气的水平分辨率模型。

生产商与以前的版本相比,证实模型的进展,从24 CGCMs模型输出,CMIP3和用于AR4公布的评估,在这项研究中使用。模型CMIP3模型的名字列在表中2。这些模型的结果是由政府间气候变化专门委员会提供的数据分发中心(https://esgf.llnl.gov/)和哈德利气候预测和研究中心。

表2
22 CMIP3模型信息用于本研究。

因为我们的研究主要是集中在北方的冬天,当最强平流层和对流层相互作用(40),我们使用月度均值模型输出从冬至月(型号)。比较这些结果再分析数据和CMIP3结果,我们选择一段30年从1969/70到1998/99。对于我们的分析,我们使用纬向风,经向风和空气温度数据从r1i1p1 (r控制运行指标的历史运行初始化,我初始化方法指标,和p摄动物理数字)合奏(35历史运行)的输出。

2.2。基于数据

我们利用欧洲中期天气预报中心40年的再分析(ERA40, (41)作为我们的参考数据,涵盖了从1957年9月到2002年8月。我们选择ERA40数据的主要原因是,它涵盖了1969 - 1999年期间,达到1 hPa的水平。除了ERA40之外,还有其他的再分析数据集;例如,日本的55年再分析(JRA55 [42)满足必要的条件。我们已经验证了JRA55变量对那些从ERA40证明再分析的不确定性,和结果表明,JRA55和ERA40之间的差异可以忽略不计的情况下当前的研究。因此,比较的结果模型结果与JRA55数据没有显示。

2.3。方法
2.3.1。基本治疗

CMIP5模型不同的水平和垂直分辨率(表1),MIROC4h T213的决议( )以及HadCM3解决N48 ( )。因此,我们regridded模型输出到一个 水平域有23垂直水平网格匹配ERA40的决议。然而,一些模型的最高水平是在10 hPa,因此只有18水平regridding后这些模型。

42 CMIP5本研究中使用的模型和22 CMIP3模型在表中列出1和2,分别。比较该模型表现有或没有一个特定的过程,CMIP5模型可以分为以下组根据这些模型的方案。HTOP:高层次模型,用模型上大于1 hPa, 20个模型LTOP: low-top模型,模型上低于1 hPa, 22模型支架:模型与nonorographic重力波参数化(支架),20个模型nNOG:模型没有nonorographic重力波参数化(支架),20个模型化学:模型与极高的化学过程,14个模型nCHEM:模型没有极高的化学过程,28个模型ESM:地球系统模型,包括全球碳循环、23模型GCM:没有全球碳循环模型,19模型HHor:水平高分辨率(HHor)模型,解决细 (22 ~ T63)模型LHor:水平低分辨率(LHor)模型,解决稀疏的 (20 ~ T63)模型高压:垂直分辨率(高压)模型的平流层,有超过19水平高于200 hPa 18模型lv:垂直低分辨率(lv)模型的平流层,少于19 200 hPa以上水平,24模型

HTOP模型通常用一个支架方案。的20个高模型、17模型nonorographic波参数化方案,而只有5/22的低顶级模型参数化。同时,20 HTOP模型,18模型分为高压模型,而LTOP模型都是lv模型。因此,增加模型的顶部,平流层的垂直分辨率也增加,实现和nonorographic波参数化方案。

展示在垂直分辨率的差异和垂直保险之间的大气高度HTOP和LTOP模型,个人的垂直层资料模型如图1,它可以被视为一个更新版本的图1Cordero和福斯特(33]。虽然CMIP5 CMIP3模型,模型显示全面改进的CMIP5 intermodel分歧。最低的模型前10 hPa(~ 32公里,例如,INM-CM4, CMCC-CM,和CNRM-CM5),最高时5.1×10−4Pa(~ 140公里,CESM-WACCM)和其余的模型之间的谎言。大多数LTOP顶部约3 hPa模型,和13的20 HTOP模型有一个顶部约80公里,中气层顶的高度。总的来说,在对流层和平流层,CMIP5的垂直层模型的数量超过那些CMIP3模型(图1,(33])。然而,值得一提的是,这些42模型不是完全相互独立的。他们主要起源于凸轮(即。,BCC-ESM, FGOALS, FIO-ESM, and NorESM1-M), the Hadley Center Models (i.e., the ACCESS models), and the ECHAM models (i.e., MPI-ESMs, CMCC-ESM). More specific information is listed in Table1。


图1
垂直的覆盖率和层42 CMIP5模型在这项研究中,与蓝线表明对流层和平流层顶。一盒的整体高度代表了高度的大气模型和实线框表示高度的垂直层。14左边的模型缺乏特定的层信息。
2.3.2。排名系统

采用颞排名系统学习表演的个体模型模拟平流层循环,基于品牌等的工作。43]。这个排名系统采用两个示例Kolmogorov-Smirnov测试(钴测试,44])。钴的测试是一种非参数检验,比较两个样品的累积pdf文档(例如,CMIP5模型和ERA40)的输出来确定两个样品有相同的分布。零假设是两个样本来自同一理论概率分布(43]。编写的算法如下: 在哪里 和我表示给定模型的经验累积分布频率和ERA40,分别 是 样本的价值n样本大小(这里 )。的价值 0和1之间是有界的。值方法1,两个样本的分布更相似,反之亦然。如果 低于0.05,拒绝零假设和两个样品不同分布假定为> 95%的置信水平。

为一个变量,例如zonal-mean温度,排名是在每个网格点根据各自的42个模型 值钴测试(没有的气候学),与更高 值指示一个更好的排名。如果一个模型是排名1在某个网格点(纬度和高度),这意味着该模型执行最好的网格点。然后,我们平均排名所有网格点的模型的模型。最后,排名42模型是根据他们的模型。

我们也使用了空间评分系统,采用从道格拉斯等。45),沃和艾林46],Gettelman et al。47]。它是基于三个统计指标: 在哪里 代表一个变量的模型 时间步长, ERA40。 软木代表标准差和相关系数,分别。此外,n代表的总时间步骤,设置为1 (DJF) 是一个比例因子设置为3,如Gettelman et al。47]。然后, , ,和 合成为一个术语:

该方法被证明是健壮的和有一些优势在Grewe和Sausen48)和Gettelman et al。47]。

3所示。结果

30年期zonal-mean气候学的北方冬天的温度和纬向风(DJF)如图2。ERA40温度特征,与感冒中心位于极地平流层称为中期极地漩涡和另一个集中在热带对流层顶。在对流层中,温度下降随着海拔和纬度。205 K的等温线行约束之间的寒冷的极地漩涡的核心70 hPa和20 hPa的海拔。鉴于zonal-mean纬向风,两架飞机很容易区分在ERA40(图2(一)),CMIP3(图2(b)), CMIP5(图2(c)),一是极夜射流,集中在大约65°N, 10 hPa,和其他亚热带喷气,集中在大约30°N, 200 hPa。东风在热带平流层和热带对流层较低。CMIP3合奏意味着显示类似强度的涡流ERA40,但寒冷的核心向上移动,拉伸到平流层。极地漩涡冷CMIP3的居里夫人之间的偏见和ERA40大于−8 K(图2(c))在中期和平流层。流离失所的极地涡流使平流层底部稍微温暖的偏见。CMIP3的居里夫人相比,等温线行CMIP5合奏接近205 K的再分析,从而约束的结构中平流层极涡,尽管它还延伸到更高的水平。10点的温度异常CMIP5 hPa(图2(e))−4 K左右,小得多比CMIP3模型(图2(d))。极夜飞机模拟CMIP3模型朝赤道方向延伸,导致大型西风偏见在情理之中和亚热带地区(图2(d))。扩展的喷气CMIP5居里夫人是小(图2(e)),因为更温和的极地漩涡在这个模型。热带平流层,乐团演出东风偏见。这可能是由缺乏QBO的模拟模型。只有6 64使用模型(42 CMIP5 22 CMIP3)能够模拟QBO或QBO-like振荡。热带平流层是由东风一年四季在其他59的模拟模型。没有年际变化,东风的模型比那些观察到。


图2
30年期气候学(左面板)和差异每个合奏的面板(右)北方冬季(DJF) zonal-mean温度(阴影,单位:K)和zonal-mean纬向风(轮廓,单位:米年代−1)。左边和右边面板的轮廓的间隔是5米−1和1 m s−1,分别。

获得定量模型的性能信息,CMIP3和CMIP5集合体排名根据空间和时间排名系统,分别。结果如图3和4。箱形图的上下值表示的不确定性范围均值,为代表 。空间排名系统(图3),两个乐团展览分布相似,但CMIP5模型的中位数和平均数略优于CMIP3模型为zonal-mean纬向风和zonal-mean温度。然而,这两个乐团的颞可变性的差异(图4)是显著的。对于这两个变量,CMIP5合奏的排名往往斜向小值,但他们留下一个长尾向大值。这一现象表明一些CMIP5模型提高了模拟和没有的结果相比CMIP3合奏。


图3
盒子里的情节 排名的zonal-mean纬向风温度(左)和zonal-mean极冠地区(右)(60°-90°N, 50-10 hPa)从CMIP5(红色)和CMIP3(蓝色)模型。中间值multimodel意味着,点模型的中间值;上部和下部阀值的不确定性范围内所示的意思是,和最高的和最低的酒吧是最大和最小值。

图4
类似于图3但对于颞排名。30年的质数代表排名意味着从每个网格删除。

进一步确定过程改进模型的模拟平流层,CMIP5模型分为小组,讨论部分2.3。1。的时间排名zonal-mean温度为每个subensembles图所示5和表3。使用 以及,排名差异HTOP LTOP,支架和nNOG,高压和lv, ESM和GCM是重要的为97.68%。分别为99.95%、99.90%和86.03%,而排名差异化学nCHEM和HHor LHor只是重要的15.11%和13.88%,分别。HTOP模型的平均排名是15.1,这是小比LTOP模型(22.6)。在CMIP3 (AR4)存档,上面只有5 23模型的顶部1 hPa [33),但这一比例增加到22的50个模型CMIP5套件(36]。除了平流层极涡气候学、提高模型还可以增加每日平流层变异性和年际时间尺度,提高重大突然平流层变暖事件的频率(36]。

表3
模型的中值排名平均温度的平流层极涡区域,分为6组的:HT / LTOP模型,有/无nonorographic波阻,高/低平流层的垂直分辨率,ESM / GCM互动/非交互的化学和高/低水平分辨率。

图5
箱线图的排名模型分为6组的:HT / LTOP模型,有/无nonorographic波阻,高/低平流层的垂直分辨率,ESM / GCM互动/非交互的化学和高/低水平分辨率。在每一组,中间值是multimodel的意思是,和中值点;上部和下部阀值的不确定性范围内所示的意思是,和最最低栏显示最大和最小值。

重力波(千瓦)产生对流,地形、不稳定,热带气旋,大气中各种调整流程49,50]。现在认为,垂直传播重力波能提供强烈的机械强迫使中间大气辐射平衡和帮助维持赤道和两极之间的剩余循环(51,52]。nonorographic重力波阻的合并可能缓解寒冷的极问题在平流层(53]。然而,即使在CMIP5阶段,几乎一半的模型不包括nonorographic重力波参数化。支架模型等级高于nNOG模型,用中位数排名21支架模型的14.4和23.9的21 nNOG模型。引入nonorographic重力波方案通常需要较高的模型前(54]。21中支架模型,HTOP 17模型模型,它应该是一个关键的原因HTOP模型更现实的极地漩涡。

此外,平流层的垂直分辨率和碳循环的掺入可以有助于改善模拟极地漩涡。18高压模型的平均排名是14.7,这是比24.2的平均价值的22个lv模型。高垂直分辨率允许次网格垂直波传播而不是阻尼。例如,QBO需要一个800的成功模拟垂直分辨率(55,56]。ESM和GCM组的平均排名23 ESM是17.3,这是比23.9的平均排名19这个模型。据报道,esm更好模拟极地涡流比这个模型不仅在气候学动力学变化的漩涡(57]。包含碳循环,尤其是海洋生物地球化学、辐射影响全球海洋通量,海洋叶绿素和能量平衡,这将有助于更好的风场模拟海洋意味着一个更好的状态。这可能影响平流层循环通过大规模行星波。然而,这应该得到进一步的研究证实。

同时,平流层化学治疗的过程不重要的排名模型,表明,在当前的模型中,极地涡旋的温度并不强烈依赖于互动的化学过程。排名化学和nCHEM模型之间的差异小(18.3 14 28 nCHEMs化学和20.1)。因此,使用交互式化学或semioffline计算化学在化学模型只能导致一个非常小的改变在模型中排名相比,使用规定的臭氧nCHEM模型。这是一致的结果艾林et al。58),他指出,化学和nCHEM multimodel意味着同意观察的绝对值和温度和纬向风的趋势。

值得注意的是,改进的水平分辨率仅展示一个更好极涡模拟。22日的平均排名高分辨率模型(分辨率比那些模型 )为18.7,而排名其它模型中值为19.4,表明改进模型解析结果在一个非常有限的极地涡流温度模拟的改进。

提高模型上可以提高平流层环流的模拟的第一步。HTOP模型,夹杂物的nonorographic重力波(支架),互动化学(化学)和碳循环(ESM),以及增加水平分辨率,都可以导致排名模型(表的改进4)。中位数排名值从29.8 (nNOG)到14.4(支架),17.05 (nCHEM)到13.35(化学),19.55 (GCM) 14.25 (ESM),和16.55 (LHor)到13.1 (HHor) HTOP模型。LTOP模型,然而,化学的引入和更好的决议会导致挫折模型中的排名。中位数排名从22 (nCHEM)值下降到23.65(化学)和20.65 (LHor) 26.9 (HHor) LTOP模型。因此,模型包括化学的发展和更好的水平分辨率也必须伴随着增加模型的最高达到更好的模拟北半球平流层极涡。包含支架的LT和HT模式依然强劲,与subensembles显示模型等级增加而nNOG模型。

表4
模型的中值排名平均温度的平流层极涡区域,分为4组的高层次模型和low-top模型。括号里的数字是在每个模型组的数量模型。

高的组合模型顶部和高水平的决议会导致更好的表演,与中值模型13.1 10模型的排名。我们指出,8 10模型在平流层高垂直分辨率模型。中位数排名高8模型与模型的上衣,高水平分辨率,和高垂直分辨率为11.5,表明改进的动态模型配置可能会导致相当大的改进的模拟平流层极涡。此外,上述7 8模型与nonorographic波参数化模型。7模型的中值为11.2,这是最好的所有组合的整体性能。

我们比较这7最佳模型(GFDL-CM3、CMCC-CMS HadGEM2-CC, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MPI-ESM-P,和MRI-CGCM3),都有高模型顶部,横向分辨率高、高垂直分辨率,和nonorographic波参数化,其他模型和ERA40,如图6和7。极地涡旋的7-model合奏(7)结构化和局限于适当的高度。寒冷的极问题几乎是没有的。7我和之间的最大温度异常ERA40大约10点2 K hPa在极地地区,只在大约20 hPa−0.5 K,而其他模型之间的温差的合奏(当地)和ERA40在大约10−5 K以上hPa的极冠,表明这些模型严寒的偏见。因此,zonal-mean纬向风7我非常接近的再分析(图6(d)),非常小的离职;与此同时,一些具有较强经向温度梯度在极地漩涡,导致更强的纬向风从极地平流层的副热带对流层顶(图模型6(e))。正温度异常7之间我和一些主导平流层极地地区,集中在10 hPa(图6(f));纬向风的区别最大的价值在平流层,表明改进的动力学模型的配置和包含nonorographic波可以影响平流层环流模拟。


图6
30年期气候学(左面板)和差异的每个合奏(右面板)北方冬季(DJF) zonal-mean温度(阴影,单位:K)和zonal-mean纬向风(轮廓,单位:米年代−1)。(一)ERA40;(b) 7 CMIP5模型的合奏(HT、支架、高压和HHor);其他CMIP5模型(c)合奏;(d)之间的区别(b)和(a);(e)之间的区别(c)和(a);(f)之间的区别(c)和(b)。左边和右边面板的轮廓的间隔是5米−1和1 m s−1,分别。

图7
行星波的EP通量截面(向量)及其散度为(a) ERA40(轮廓),(b) CMIP5 7我(7模型与HTOP合奏,支架,高压,和HHor), (c) CMIP5分泌性中耳炎(合奏的其他模型除了上述模型),(d)之间的区别CMIP5 7我ERA40, (e)的区别CMIP5渗出性中耳炎和ERA40,和(f) CMIP5 7我CMIP5转化之间的区别。的 通量是由空气密度的倒数了,单位是公斤−2。EP通量散度等高线间距0.6米−1一天−1。

另一个纬向风异常中心在7我和一些位于热带平流层。在这一领域最大的东风7我~ 4 m / s, ~ 16米/秒其他模型。东风的减少在热带平流层QBO的是由成功的模拟3的7 (CMCC-CMS、HadGEM2-CC和MPI-ESM-MR)模型。

EP-flux诊断被用来探索动态差异7我和分泌性中耳炎。如数据所示7(d) -77 (e),我和一些展览抑制热通量与ERA40相比。这表明行星波活动的集合体都相对较弱。7我有较弱的对流层波导(图7(f))比,但其平流层波导略强于分泌性中耳炎。据陈et al。59EP-flux],这种偶极结构异常也可能导致亚热带喷射的加强和削弱的极夜的喷气机。ERA40的相比,模型的收敛区域7我在平流层中扩展到更高的纬度地区,因此散度中心的极地平流层中发现ERA40 7我几乎已经消失了。在图7(d),显示了一个异常辐合中心存在于极地涡流区,毗邻温暖异常中心。虽然模拟热通量( )7我比ERA40较弱,他们比那些在分泌性中耳炎(图7(f))。此外,还有向极传播动量通量异常数据7(d)和7(f)。因此,EP-flux异常和极地涡旋的收敛区域导致7我相对温度模型。

4所示。总结和讨论

在这项研究中,CMIP3的能力和SMIP5模型模拟平流层极涡北方冬天的评估。相当大的改进CMIP5模型所示,与降低风寒冷的极地地区的偏见和更现实的配置。分组排名分析表明,导致这些改进至少3方面:更高的模型顶部,包含nonorographic重力波阻,和更高的平流层的垂直分辨率。nonorographic重力波拖模拟更现实的极地涡流是至关重要的。一起的迫使nonorographic波阻热通量( )将温暖的极地平流层和导致一个温和的极地涡流模型。事实上,引入nonorographic波阻要求高的模型,在平流层高垂直分辨率。高垂直分辨率的平流层有助于描绘这个地区的动力学。此外,该公司的全球碳循环也可以帮助改善模拟极地漩涡。

提高模型上可以提高平流层环流的模拟的第一步。分析表明,包括nonorographic波(支架),互动化学(化学),碳循环(ESM)和改进的水平分辨率可以导致更好的模拟极地涡旋的条件下,模型上增加到包括整个平流层。然而,对于low-top模型,上述流程的修改导致模型的改进非常有限甚至挫折排名。

7模型高模型顶部的合奏,nonorographic波,和更好的水平和垂直分辨率几乎克服寒极的问题。因此,高之间的温度梯度和情理之中是削弱,导致一个更现实的极夜的喷气机。虽然EP通量仍低于观察,它比CMIP3建模的模型和其他CMIP5模型。将细垂直和水平分辨率解决更多的小波模型。与此同时,支架参数化提供了额外的波迫使在同温层。所有这些有助于抑制极夜喷射,产生一个更好的模拟。HTOP模型相比,平流层LTOP模型更容易受到外太空和即将离任的长波辐射可能高于HTOP模型。另一方面,温室气体和平流层中的臭氧HTOP模型可以从低层大气吸收长波辐射,从而保持平流层温暖。

值得注意的是,当前的耦合模型的复杂性使得它很难确定哪些过程负责一个特定系统的改进。每个模型组与他人的比较“乐团的机会”,而不是“干净”的比较,因为任何的比较肯定会包含其他重要的差异。然而,比较之间的平流层环流CIMP5模型模型可以帮助用户理解在平流层过程中模型的不确定性,并提供有用的信息对未来模型的改进模型在描述平流层循环能力。

极地涡旋的改进的模拟将进一步影响对流层以来气候的模拟平流层对流层有重大影响气候,介绍部分1。基于模型与寒冷的气候变化预测偏差的北方极地漩涡需要重新考虑。例如,魏et al。60]表明,差异在冬天表面空气温度在东亚HTOP和LTOP模型可以达到1.3 K的21世纪在不同RCP场景。因此,全球和区域气候预测需要重新评估基于模型能更好地描述平流层环流;否则,适应和缓解政策可能产生反应不足人为全球变暖的影响在未来几十年。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号41375046),中国国家重点研发项目(批准号2016 yfa0600600),中国科学院青年创新促进会(没有。2014064)。在这项研究中,ERA40 ECMWF和提供的资料在网上是可得到的http://apps.ecmwf.int/datasets/data/。