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东亚亚热带西风急流通过LASG/IAP AGCMs的模拟

郭丽兰 张耀存 王斌 李立娟 周天军 包庆

大气科学学院，南京大学，南京 210093

大气科学与地球物理学国家重点实验室

流体动力学，大气物理研究所，中国科学院，北京 100029

摘要：使用两种LASG / IAP（大气科学数值模拟国家重点实验室，大气物理学与地球物理流体动力学/大气物理研究所）大气环流模型（AGCM），即GAMIL和SAMIL，本文研究模拟了东亚的对流层上层的亚热带西风（EASWJ）的主要特征。 通过两种模型很好地模拟了对流层上层EASWJ位置与经向温度梯度的平均垂直和水平结构及对应关系。 但是，这两个模型都低估了冬季和夏季的EASWJ强度，相对于观察，特别是对SAMIL模型，无法模拟中期夏季主要EASWJ中心的双峰分布。发现模拟EASWJ强度的偏差与对流层中经向线温度梯度的偏差有关，此外与表面显热通量和冷凝潜热也进一步相关。模型捕获了平均在30°-45°N之间的绝热加热速率的季节演变的主要特征及其与西风喷射的关系。 然而，与观测位置相比，夏季模拟的最大绝热加热率位于向西，具有较强的非绝热加热强度，特别是在GAMIL中。 模拟绝热加热场的偏差导致模拟对流层上部温度分布的偏差，这可能进一步影响EASWJ模拟。 因此，有必要改进对流层中经向温度梯度的模拟和非绝热加热场，以改进GAMIL和SAMIL模型的EASWJ模拟。

关键字：东亚亚热带西风急流，GAMIL，SAMIL，非绝热加热

DOI: 10.1007/s00376-008-0447-0

1. 引言

东亚亚热带西风急流（EASWJ）是一个狭窄而强大的西风带，在东亚热带地区有大的水平和垂直切变。以前的研究发现EASWJ的季节性跳跃与东亚季风气候密切相关(Yin, 1949; Yeh and Zhu,1955; Yeh et al.,1958),而西风急流中心的经向线变化与亚洲季风的发生和年际变化有关（Lau et al。，1988; Ding，1992; Liang and Wang, 1998; Li et al., 2004; Zhou and Yu, 2005).观测研究表明，东亚一般大气环流模式和相关雨带的季节性转变与EASWJ的经向线运动和波动位移有关 (Yeh et al., 1958; Tao et al.,1958; Li et al., 2004; Zhang et al., 2006). Yang et al.（2002）指出，EASWJ似乎与ENSO的气候信号相比，亚洲和太平洋地区的气候信号更加强烈。 EASWJ的十年变化型与东亚夏季风区的雨带转移密切相关。最近的一项研究发现，7月和8月在东亚300多hPa对流层对流层的上升趋势明显。伴随着这个夏季对流层冷却，EASWJ向南移动，东亚夏季风减弱，导致中国北方干旱和长江流域洪水的趋势（Yu et al。，2004）。模拟EASWJ的气候模式的表现与东亚季风的重现性有关，但对这个问题的关注较少。 东亚季风降水与对流层射流之间的密切关系为气候模式提供了良好的试验平台(Lung and Wang, 1998; Liu et al., 2001; Zhou and Li, 2002; Zhang and Guo, 2005)。

气候系统模型是气候变化和变异性研究的强大工具。 自1980年以来，世界各地建模团

图1.冬季（a，c，e）和夏季（b，d，f）200 hPa的纬向风分布（单位：m/s）观测（a，b），GAMIL（c，d），SAMIL（e，f）

体已经开发了多种气候模式。气象科学与大气物理研究所（LASG / IAP）大气科学和地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室已经做出了巨大的努力， 综合耦合气候模式。 近来，已经开发了IAP / LASG（GAMIL）的网格点大气模型和IAP / LASG（SANIIL）的光谱大气模型作为气候系统模型中的大气成分（Wang et al。，2004; Wang et al。 ，2005a，b）。已经评估了SAMIL的早期版本R15L9及其模拟气候平均状态，地表，海冰等的耦合模型的性能 (Liu et al., 1999a,b; Wu et al., 2004a,b; Wang et al., 2005a,b; Zhou et al., 2005a,b; Bao et al., 2006)。 这表明该模型能够模拟气候平均状态和季节变化的主要特征，对厄尔尼诺现象的模拟反应也是相当合理的。 然而，模型中仍然存在一些较大的区域偏差和不确定性。 对GAMIL的评估是有限的 (Dai, 2006; Zhou and Yu,2006)。 因此，对于这两种模型的开发，对模型输出的更多诊断和进一步的物理解释是必要的。本文的主要动机是研究LASG / IAP大气模型GAMIL和SAMIL在模拟东亚亚热带西风急流的详细结构和季节演变过程中的表现。 特别注意偏见的物理解释。 本文的另一部分组织如下。 第2节简要说明了模型和使用的数据。 EASWJ的详细结构和季节演变以及EASWJ模拟的可能影响因素见第3节。第4节给出了附录。

1. 模型和数据描述

图2.分别在冬季沿90°E（a，d，g），115°E（b，e，h)和140°E（c，f，i）的纬向风的纬度 - 高度剖面。 （单位：m/s）观测（a，b，c），GAMIL（d，e，f），SAMIL（g，h，i）

本文使用的模型是LASG / IAP开发的网格点和光谱大气模型，分别命名为GAMIL和SAMIL。由LASG / IAP设计的GAMIL动态核具有可调高分辨率，取决于可用的计算机能力，非常稳定，无需 任何过滤和平滑。 一些重要的积分特性保持不变，如水平对流运算符和垂直对流运算符的反对称性，质量均匀性，标准分层近似下的有效能量守恒等（Yu，1994; Wang et al ，2004）。该模型的物理包装取自国家大气研究中心（NCAR）的社区大气模型版本2（CAM2） (Kiehl et al., 1996)。 GAMIL具有2.81250 x 2.81250的水平分辨率和26个垂直层。 本文使用的SAMIL模型是光谱模型的改进版本（Wu et al。，1996），它是在R，42（约2.81250（lon）x 1.660（lat））之后的第三个版本截断后开发的水平分辨率 有26个垂直水平（Wang et al。，2005a，b; Bao et al。，2006）。 Zhou等人的参考文献总结了该模型的详细介绍。 （2005a）。 为了与NCEP / NCAR进行比较，重新分析，所有模型输出被插值到2.50times;2.50的水平分辨率。1980年1月至1989年12月，大气模型比较项目（AMIP）提供的海面温度数据分别用作GAMIL和SANIIL 10年的边界条件。 与本模型进行比较的其他数据结果是1980-2008年的月平均NCEP / NCAR再分析 (Kalnay et al., 1996)和1980年至1989年的CMAP（Xie和Arkin，1997）数据。 NCEP / NCAR再分析数据的选定气象变量包括纬向风，空气温度和表面显热通量。

1. 结果

3.1 EASWJ的水平结构

图3.分别在夏季沿90°E（a，d，g），115°E（b，e，h)和140°E（c，f，i）的纬向风的纬度 - 高度剖面。 （单位：m/s）观测（a，b，c），GAMIL（d，e，f），SAMIL（g，h，i）

图1显示了冬季（12月，1月和2月）和夏季（6月，7月和8月）在200 hPa的模拟和观测到的纬向风。在冬季，观测到的EASWJ的轴线位于300N附近，最大纬向风速度超过了海洋到达日本东南部的75m/s。与观测相比，西风急流核心的模拟模拟位置和射流轴的方向与观察到的吻合良好，但是SAMIL再现了60m/s的较弱的西风喷射强度，而模拟的西风急流强度伽米尔接近观察。夏季，EASWJ的轴线达到400N以北，EASWJ的主要中心位于青藏高原北部，观测强度为30m/s。在这个季节，这两种模式都复制了较弱的西风急流强度和更多北向中心位置，特别是在SAMIL，模拟喷气机中心距离观测点近10m/s，西风急流显然向西和向北转移。

3.2 EASWJ的垂直机构

由于海陆空分布的不均匀性，特别是青藏高原对大气层流行的影响。西风急流在不同地

形垂直结构上存在明显差异（Liang et al。，2006）。为了评估在东亚不同地区模拟西风急流的模型性能，提出了沿90°E，115°E和140°E的纬向风的纬度纬度。底层表面分别是青藏高原，平原和海洋。图2显示了冬季沿90°E，115°E和140°E的纬向风的观测和模拟纬度剖面。由GAMIL和SAMIL模拟的冬季西风急流的位置（高度和纬度）与观测结果吻合良好。最大西风在200 hPa之间发生在25°-35°N之间。西风急流强度在1400E最强，逐渐向弱。在青藏高原周围，西风急流核心冬季位于高原南端，高原90°E急流分流在GAMIL和SAMIL中得到很好的重现。但模拟南部分支的模式较弱，北部分支在40°N南部进一步复

图4.90°E（a，h，c），115°E（d，e，f）和140°E（g，h，i）的200 hPa纬向风的纬度时间段。（单位：m/s）粗实线表示西风急流轴。 阴影是沿90°E，115°E和140°E从500hPa到200hPa平均的经向温度梯度。[单位：°C/（5°lat）]观测（a，d，g），GAMIL（b，e，h），SAMIL（c，f，i）

制。两种模式沿着三个经度再现较弱的纬向风，西风喷射中心在SAMIL中接近20m，而在SAMAM中为弱，而在GAMIL中为5m/s较弱，分别为140°E和115°E。

分析了夏季沿90°E，115°E和140°E的模拟和观测到的纬向风，如图1所示。 3，表明西风急流模拟存在明显的不足。 夏季，纬向风的最大特点是西风强度明显降低，西风急流轴向北移动到40°N，而西风急流中心位于青藏高原北部。 与冬季相反，90°E的风速在200 hPa的强度为30m/s一的三段中最强。 与观测结果相比，模型模拟与沿着这三个经度的观测数据明显不同，显示了两个模型中5-10米的一个较弱的西风急流强度。 此外，EASWJ的模拟位置更向北移动，特别是在140°E和115°E的SAMIL中。

3.3 EASWJ的季节演变

在本节中，我们将介绍演示EASWJ季节演变的演示者。图4显示沿90°E，115°E和140°E的纬向风的观测和模拟纬度时间段。九十年代初，西风急流在一月至四月间以280N稳定发生，四月至五月份跃升至32°N左右，然后向北移动至40°N，然后在八月份向南退。 GAMIL捕获了西风急流沿90°E的季节性演变的主要特征，但模拟的西风急流中心向北移动，并在9月达到最北端。 SAMIL模拟西风急流中心从三月到四月跳到40°N，并在7月份的53°N

图5.东亚西风急流中心的经度位置的季节变化，其中实心点是观测，空心圆是GAMIL，十字是SAMIL

附近移动到最北端，约为北纬100度左右。沿115°E，西风急流中心的明显向北跳跃发生在4月至5月的观测中，然后急流在8月向南撤退之前向北移动至42°N。由GAMIL模拟的向北跳跃发生在3月至4月，模拟的西风急流中心在7月份移动到最北端。沿115°E部分，西风急流中心从三月至四月的SAMIL跳升至37°N左右，向北移动至58°N，直到八月份，观测北纬约为150度左右。与陆地情况相比，140°E的向北跳跃并不突然，西风急流中心逐渐向北移动到八月的47°N最北端，之后又退到冬季。七月份，三月至四月，六月至七月两次明显向北跳跃，七月模拟西风急流转向52°N最北端。在SAMIL模拟中也存在明显的差异，其中模拟的西风急流位于北半球，从6月至7月跃升至56°N左右。

EASWJ季节性演变也反映在东亚西风急流中东西的移动。 图5描绘了EASWJ中心在东西方向的观测和拟合季节演变。 在观察中，EASWJ核心位于6月份之前的140°E附近，7月份处于90°E，表明EASWJ中心向西快速移位。 中心移动到8月份的最西部地区，8月至9月间迅速向东撤退。 之后中心退缩在140°E左右。 与观测相比，GAMIL的模拟经度位置与4月份之前的观测结果一致，但GAMIL再现了EASWJ中心的早期西移，其中EASWJ中心从

4月份开始向西移动，比观察结果提前了3个月。 在SAMIL，EASWJ中心的位置偏移接近于观察，尽管SANIIL在9月份模拟了EASWJ核心的较弱的东部撤退。

图6.1980年至1989年夏季（七月和八月）西风中心的发生次数。观测（a），GAMIL（b），SAMIL（c）

3.4 EASWJ在夏季的双峰分布

图6显示了1980年至1989年西风急流中心的夏季观测和模拟夏季发生次数。中心发生次数是20°-70°N和20°一120°E区域每经度最大风速的百分比。观察结果显示，7月和8月，EASWJ中心发生次数在40°-60°E和80°-110°E之间，这是夏季中期主要EASWJ中心的双峰分布。 这种现象不仅可以在五元平均观测数据中，而且可以在月平均观测数据中找到(Zhang et al，2002)。 在图 6b和6c，GAMIL和SAMIL的EASWJ中心的发生次数发

图7.（a，b）冬季模拟和（c，d）夏季模拟之间的从500 hPa到200 hPa平均温度的差异。（单位：°C）GAMIL和观测（a，c）,SAMIL和观

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