1、刘士嘉,周天军,江洁,等.2023.对流层增暖热带放大现象：基于 FGOALS-g3 的模拟研究 J.大气科学,47(1):86100.LIUShijia,ZHOUTianjun,JIANGJie,etal.2023.TropicalAmplificationinTroposphericWarmingSimulatedusingtheFlexibleGlobalOceanAtmosphereLandSystem Version 3 Climate System Model J.Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),47(1):8
2、6100.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2110.21083对流层增暖热带放大现象：基于FGOALS-g3 的模拟研究刘士嘉1,2周天军1,2江洁1,2左萌1巫明娜1,21中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG),北京 1000292中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049摘要热带地区的湿绝热过程会放大地表的增暖幅度，在约 200hPa 高度上产生增暖峰值，该现象被称为“热带对流层放大”。热带对流层放大是气候变化的显著特征之一，是检验气候模式性能的重要指标。本文基于RSS4.0 卫星数据和 ERA5.1 再分析资料
3、，系统分析了 FGOALS-g3 模式对气温变化特别是热带对流层放大的模拟能力，并通过新旧版本模式（FGOALS-g3 与 FGOALS-g2）的比较指出了新版本模式模拟技巧的提升；通过比较 FGOALS-g3 历史模拟试验与 GAMIL3 单独大气模式 AMIP 试验结果，研究了海气耦合过程对模拟结果的影响。结果表明，FGOALS-g3 能够合理再现观测中的全球对流层显著增温趋势，但模拟的增温趋势偏强，这与气候系统内部变率以及两代气候系统模式所使用的历史气候外强迫差异有关。其对于观测中热带平均增温廓线以及热带对流层放大的空间分布均表现出良好的模拟性能，模拟的热带对流层放大现象的量值大小存在正
4、偏差，与模拟的对流层低层温度变化偏强有关。FGOALS-g3 较 FGOALS-g2 在性能上有一定提升，主要表现为增加了对于火山气溶胶强迫的响应，并在热带对流层放大的空间分布及平均气温趋势廓线的刻画方面更加合理。由于缺少海气耦合过程，GAMIL3AMIP 试验无法有效体现外强迫变化对于对流层增温趋势的作用，故在长期趋势的模拟上存在结构性偏差，但由于受观测海温驱动其在年际变率方面表现合理。关键词对流层增暖长期趋势热带对流层放大FGOALS-g 模式文章编号1006-9895(2023)01-0086-15中图分类号P467文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2
5、110.21083Tropical Amplification in Tropospheric Warming Simulated using theFlexible Global OceanAtmosphereLand SystemVersion 3 Climate System ModelLIUShijia1,2,ZHOUTianjun1,2,JIANGJie1,2,ZUOMeng1,andWUMingna1,21State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid
6、 Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000292College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049收稿日期2021-05-18；网络预出版日期2021-12-09作者简介刘士嘉，男，1998 年出生，硕士研究生，主要从事气候模拟研究。E-mail:通讯作者周天军，E-mail:资助项目国家自然科学基金项目 41775091，中国科学
7、院“国际伙伴计划国际大科学计划培育专项”项目“全球季风模拟研究国际计划”134111KYSB20160031Funded byNationalNaturalScienceFoundationofChina(NSFC)(Grant41775091)，InternationalPartnershipProgramofChineseAcademyofSciences(Grant134111KYSB20160031)第47卷第1期大气科学Vol.47No.12023年1月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJan.2023Abstract Moist adiabati
8、c processes in the tropics amplify the surface warming,producing a warming peak atapproximately200hPa,knownasthe“tropicaltroposphericamplification”.Tropicaltroposphericamplification,asaremarkablefeatureofclimatechange,isanimportantmetricinevaluatingmodelperformances.Inthisstudy,basedonRSS4.0satellit
9、edataandERA5.1reanalysisdata,wesystematicallyassesstheabilityoftheFlexibleGlobalOcean-Atmosphere-Land System Version 3(FGOALS-g3)model in simulating temperature change,especially the tropicaltroposphericamplification,andrevealimprovedsimulationskillsinthelatestversion,FGOALS-g3,comparedwiththoseinth
10、epreviousversion,FGOALS-g2.BycomparingtheresultsofthehistoricalsimulationofFGOALS-g3withthoseofthesimulationfromitsatmosphericcomponent,theGrid-PointAtmosphericModelofLASG-IAP(GAMIL3),theroleofairseacouplingisstudied.TheresultsshowthatFGOALS-g3canreasonablyreproducetheobservedsignificantglobaltropos
11、pheric warming,but with a stronger trend that is related to internal variability of the climate system and thedifferencesinhistoricalexternalforcingusedbythetwogenerationsofclimatesystemmodels.FGOALS-g3hasalsoappropriatelysimulatedtheobservedverticalprofileofmeantropicalwarmingandspatialdistribution
12、ofthetropicaltroposphericamplification.Thismodelhasshownapositivebiasinthesimulatedmagnitudeofthetropicaltroposphericamplification,resultingfromagreatertemperaturechangeinthelowertroposphere.ComparedwithFGOALS-g2,theimprovement in FGOALS-g3 is mainly manifested as an enhanced response to volcanic ae
13、rosol forcing,a morereasonablespatialpatternoftheamplifiedtropicaltroposphereandtheverticalprofileofthemeantemperaturetrend.TheGAMIL3simulationfailstoinfluencetheexternalforcingchangesonthetroposphericwarmingtrendbecauseofalackoftheairseacoupling,leadingtobiasesinthelong-termtrendsimulation.However,
14、theGAMIL3simulationreasonablycapturesinterannualvariabilitybecauseitisdrivenbytheobservedsea-surfacetemperature.KeywordsTroposphericwarming,Longtermtrend,Tropicaltroposphericamplification,FGOALS-gmodel 1 引言大气是地球气候系统的重要组成部分，正确认识大气温度垂直廓线的长期变化趋势，对于理解气候变化成因至关重要（Steineretal.,2020）。作为人类活动的主要区域，对流层内不同高度上的气
15、温变化趋势受到科学界的广泛关注（LindzenandGiannitsis,2002;Santeretal.,2017a）。近 20 年来，气候学界一直致力于使用气候系统模式模拟对流层大气温度的历史变化，模式对不同高度上大气温度变化趋势的模拟能力是气候模式研发领域重点关注的问题（Santeretal.,2005,2008;Fuetal.,2011;Po-ChedleyandFu,2012）。器测资料揭示的全球平均地表温度自 1880 年以来显著增高，增幅约为 0.85C，且记录中的最暖时段出现在近 30 年（Santeretal.,2017b）。基于湿绝热过程的基础理论，热带地区的湿绝热过程会放
16、大地表的增暖幅度，在约 200hPa 高度上产生增暖峰值，这种现象被称为“热带对流层放大”（StoneandCarlson,1979）。热带对流层放大是21 世纪气候变化的显著特征之一。水汽、气温递减率以及云反馈等物理过程，在很大程度上受到热带对流层温度及其垂直结构变化的调控。因此，热带对流层放大现象对于大气环流变化以及气候敏感度均有重要影响。能否合理再现热带对流层放大现象，是评估气候模式模拟性能的重要指标，模式模拟和观测结果的差异及其成因，是科学界关注的热点问题（Fuetal.,2011;Po-ChedleyandFu,2012;Santeretal.,2017b）。全球变暖背景下，多套观测资料均揭示热带地区对流层中高层的增温幅度大于低层（Steineretal.,2020）。研究表明，大多数气候系统模式高估了气温趋势放大率，即气候系统模式模拟的热带对流层高低层增温趋势之比明显大于观测结果，这一偏差在第三次和第五次“国际耦合模式比较计划”（CoupledModelIntercomparisonProject，CMIP3/5）的模拟结果中均存在（Santeretal.,2005,200