北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于FGOALS-g3模式的诊断分析.pdf

邱慧,周天军,陈梓明,等.2023.北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于FGOALS-g3 模式的诊断分析J.大气科学,47(4):10651084.QIUHui,ZHOUTianjun,CHENZiming,etal.2023.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilityoftheNorthAfricanMonsoon:AnAnalysisBasedonFGOALS-g3ModelJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):10651084.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21141北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析邱慧1,2周天军1,2陈梓明1,2张文霞1陈晓龙1李立娟1林鹏飞11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摘要本文基于参加第六次“国际耦合模式比较计划”（CMIP6）的 IAP/LASG 气候系统模式 FGOALS-g3 的耦合（Historical）与非耦合（AMIP）试验结果，通过与观测和再分析资料的比较，评估了 FGOALS-g3 模式Historical 与 AMIP 试验对北非地区 19792010 年 79 月降水气候态和年际变率的模拟能力；利用水汽收支方程与回归分析研究了模式模拟降水偏差的原因；通过比较耦合与非耦合试验的模拟结果，分析了海气耦合过程对非洲季风模拟偏差的影响。结果表明，在气候平均态上，Historical 与 AMIP 试验模拟的降水均较观测偏少且位置偏南，模拟的北非夏季西南季风环流偏弱。AMIP 试验模拟的萨赫勒和北非季风区降水与观测降水的空间相关系数分别为 0.80、0.62，而 Historical 试验仅有 0.74 和 0.46，且 AMIP 试验对应的均方根误差为 2.58、3.23mm，Historical 试验为 3.30mm、4.01mm，说明与 Historical 试验相比，AMIP 试验的模拟偏差更小。水汽收支分析表明，Historical 与 AMIP 试验均低估了北非季风区水汽辐合，同时低估了垂直水汽平流项与蒸发项，高估了水平水汽平流项，导致模式模拟的降水偏少，且 Historical 试验的偏差大于 AMIP 试验。在年际变率方面，观测中，北非夏季风降水ENSO 呈负相关关系。AMIP 试验能够模拟出 ENSO 正位相时北非夏季降水的负异常，且较观测的负异常偏强，而 Historical 试验模拟的负相关关系并不显著。AMIP 试验高估了北非地区垂直运动、热带东风急流与低层季风环流对 ENSO 的响应强度，导致降水异常偏强，而 Historical 试验低估了上述响应强度，产生弱降水负异常。水汽收支表明，北非夏季降水ENSO 的负相关关系由垂直水汽平流项的动力项主导。AMIP 试验高估了垂直平流项及其动力项的贡献，但 Historical 试验高估水平平流项与垂直热力项异常的贡献，说明Historical 试验模拟的北非夏季降水ENSO 相关关系偏差与水平平流项异常的抑制作用有关。关键词北非夏季风FGOALS-g3 模式模式评估气候态年际变率文章编号1006-9895(2023)04-1065-20中图分类号P467文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2111.21141Simulation of Climatology and Interannual Variability of the NorthAfrican Monsoon:An Analysis Based on FGOALS-g3 ModelQIUHui1,2,ZHOUTianjun1,2,CHENZiming1,2,ZHANGWenxia1,CHENXiaolong1,收稿日期2021-07-26；网络预出版日期2022-01-05作者简介邱慧，女，1997 年出生，博士研究生，主要从事气候模拟和季风研究。E-mail:通讯作者周天军，E-mail:资助项目国家重点研发计划项目 2017YFA0604601，中国科学院“国际伙伴计划国际大科学计划培育专项”“全球季风模拟研究国际计划”134111KYSB20160031，第二次青藏科考（STEP）项目 2019QZKK0102Funded byNationalProgramonKeyBasicResearchProjectofChina(Grant2017YFA0604601),InternationalPartnershipProgramofChineseAcademyofSciences(Grant134111KYSB20160031),theSecondTibetanPlateauScientificExpeditionandResearch(STEP)Program(Grant2019QZKK0102)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023LILijuan1,andLINPengfei11State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000292College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049AbstractBasedonthecomparisonwithobservationandreanalysisdata,thestudyevaluatedtheperformanceoftheAtmospheric Model Intercomparison Project(AMIP)and the Coupled Model Intercomparison Project historicalexperiments(Historical)oftheIAP/LASGclimatesystemmodelFGOALS-g3insimulatingclimatologyandinterannualvariabilityofJulyAugustSeptemberseasonal-meanNorthAfricasummermonsoon(NASM)andSahelprecipitation,explained the bias by moisture budget and regression analysis,and investigated the influence of ocean-atmospherecoupling by comparing AMIP and Historical.The results showed that both Historical and AMIP experimentsunderestimatedprecipitation,withweakersouthwestmonsoonwindsandfurthersouthernrainfallpositions.ThepatterncorrelationcoefficientsofprecipitationintheSahelandNorthAfricamonsoonregionssimulatedbyAMIPare0.80and0.62,respectively,whichare0.74and0.46simulatedbyHistorical,andthecorrespondingrootmeansquareerrorsare2.58and3.23mm,whichare3.30and4.01mmintheHistoricalexperiment,indicatingthatthedeviationofAMIPissmallerthanthatofHistorical.HistoricalandAMIPbothunderestimatedwatervaporconvergenceovertheNASMregion,estimatinglessverticalmoistureadvectionandevaporationandmorehorizontalmoistureadvectionthanobserved,resultingindrybiases.Intermsofinterannualvariability,theobservationshowsthatsummermonsoonrainfallinNorthAfricaisnegativelycorrelatedwithENSO.AMIPcanreproducetheENSONASMnegativerelationshipbetterthanobservation.However,Historical cannot reasonably simulate the relationship on the interannual time scale.AMIPoverestimatesENSOcirculationresponses,includingdescendinganomalies,weakertropicaleasterlyjets,anddecreasedlow-levelmonsoonsoverNorthAfrica,allofwhichcontributetothestrongerprecipitationnegativeanomaly.Incontrast,HistoricalunderestimatestheaboveENSO-relatedresponse,resultinginfeebleprecipitationnegativeanomaly.Verticalmoistureadvectionanomalies,particularlythedynamicelementofverticalmoistureadvectionanomalies,dominatetheENSONASM negative relationship,according to moisture budget research.AMIP agrees with observation,but itoverestimatestheaboveterm,resultinginmorenegativerainfallanomalies,whileHistoricaloverestimateshorizontaladvectionandverticalthermodynamicanomalies,whichindicatesthathorizontaladvectionanomaliescausetheinhibitedsimulationoftheENSONASMnegativerelationship.KeywordsNorthAfricasummermonsoon,FGOALS-g3model,Modelevaluation,Climatology,Interannualvariability 1 引言北非季风区又称西非季风区，一般指（515N，15W30E）范围内的广大区域（图 1），南北向自赤道向北延伸至撒哈拉边缘，东西向自大西洋沿岸向内陆拓展，包括多哥、几内亚比绍、冈比亚、塞内加尔、毛里塔尼亚、几内亚、塞拉利昂、利比里亚、马里、科特迪瓦、布基纳法索、加纳、贝宁、乍得、佛得角、喀麦隆北部、尼日尔、尼日利亚、中非共和国等国（Adedokun,1978）。与非洲季风相关的另一个地理区域是萨赫勒地区（图 1），指（1020N，20W40E）范围内的季风边缘区（GianniniandKaplan,2019）。非洲季风本质上是由于海陆热力差异（如撒哈拉与热带大西洋冷洋面）而产生的对流层低层明显的季节性风向转变（Rajetal.,2019），对应的季节性降水对该地区的经济、农业、水资源以及生态系统有重要影响。因此，理解北非地区降水的变化规律，准确模拟和预估未来变化是国际季风研究领域关注的重点之一。北非季风是一个多尺度过程的复杂系统，包括行星尺度到积云尺度，并且受地形的影响。经典理论认为，来自撒哈拉的东北向 Harmattan 风与来自大西洋的西南季风的汇合形成 ITCZ（Inter-TropicalConvergenceZone），该区域内辐合导致局地热力不稳定，产生季风降水（Griffiths,1972）。当前理论认为，赤道大西洋东岸附近的冷舌与撒哈拉热低压之间的西南气流向陆地输送水汽（Peyrilletal.,2007;Thorncroftetal.,2011），夏季撒哈拉热低压很强，该气旋环流的西南气流与其西侧的 Harmattan大气科学47卷1066ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47风辐合，有利于降水的发生（Lavaysseetal.,2010）。北非季风的主要环流系统包括非洲东风急流（AfricanEasterlyJet，简称 AEJ）、非洲东风波（AfricanEasterlyWaves，简称 AEWs）、热带东风急流（TropicalEasterlyJet，简称 TEJ）、撒哈拉热低压（SaharanHeatLow，简称 SHL）以及热带辐合带 ITCZ（Rajetal.,2019）。北非夏季风降水具有两个水汽辐合与垂直运动的中心（Nicholson,2008;Thorncroftetal.,2011），一支位于 TEJ 与AEJ 之间，10N 附近，属于深经向翻转环流的一部分，是北非季风区降水的主雨带。另一支上升运动位于降水最大值中心偏北 8 个纬度，是浅经向翻转环流的一部分，该上升运动与撒哈拉热低压有关（Nicholson,2009）。北非季风的发展包括四个阶段，分别是海洋阶段、沿海阶段、过渡阶段与萨赫勒阶段。海洋阶段是指 11 月至次年 4 月中旬，此时降水主要位于赤道以北地区，萨赫勒降水偏少；沿海阶段为 4 月中旬至 6 月中旬，降水集中在沿海地区，几内亚湾降水达到峰值，萨赫勒降水逐渐开始；过渡阶段指的是 6 月中旬至 7 月上旬，代表季风降水北移；萨赫勒阶段处于 7 月中旬至 9 月，萨赫勒降水在此阶段达到峰值，也是北非地区的主要雨季。因此，本文主要关注萨赫勒阶段，即 79 月。总之，在四个阶段中，两个经向翻转环流系统逐渐北移，伴随着主降雨带北移（Thorncroftetal.,2011;Nicholsonetal.,2018）。北非季风区降水与全球 Hadley 环流以及区域季风环流密切相关，其年际变率与海温有关（Biasutti,2019）。关于北非夏季降水年际变率与海温的关系，有研究发现几内亚湾降水异常增多的年份，热带大西洋海温正异常（Lamb,1978a,1978b）。此外，也有研究强调北非夏季风降水与地中海海温、印度洋海温、和半球间海温梯度的关系（Follandetal.,1986;BaderandLatif,2003,2011;Rowell,2003）。El NioSouthern Oscillation（ENSO）作为太平洋海温年际变化的重要信号，调控北非夏季风降水的年际变化。利用基于奇异谱分解（SVD）的最大协方差分析发现，西非 69月季风降水与同期全球 SST 的年际变化有两种主要遥相关关系，其中主模态反映萨赫勒降水与东太平洋海温负相关关系（Jolyetal.,2007）。但北非夏季风降水的年际变化与 ENSO 的关系并不稳定。前人研究表明，在年际尺度上，79 月几内亚湾沿岸与萨赫勒地区的降水异常可分为偶极型（即两地降水异常相反）与非偶极型（即两地降水异常一致）两类（Rowelletal.,1995）。20 世纪 70 年代前，两地夏季降水异常表现为偶极型特征，与热带图1北非表面高度（填色，单位：m）分布，其中粗黑框表示北非季风区，红框表示萨赫勒地区Fig.1SurfaceelevationofNorthAfrica(shadedcolor,units:m).TheblackboldlinearearepresentstheNorthAfricasummermonsoonregion,andtheredlinearearepresentstheSahel4期邱慧等：北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析No.4QIUHuietal.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilityoftheNorthAfrican.1067大西洋海温的年际变化密切相关，而与 ENSO 相关性弱，20 世纪 70 年代后，该偶极型降水异常消失而呈现非偶极型特征，降水的年际变化与ENSO 的相关性增强，在 ElNio 年北非夏季风降水负异常，反之亦然（Ward,1998;Mohinoetal.,2011;Losadaetal.,2012）。ENSO北非夏季风降水遥相关响应通常可利用大尺度环流解释，在 ElNio 发展年，赤道中东太平洋海温增暖，Walker环流减弱东移，赤道中东太平洋对流层高层异常辐散，而印度洋上空异常辐合，产生异常下沉运动并延伸至北非地区，导致降水异常减少（JolyandVoldoire,2009）。从赤道波动的角度出发，赤道中东太平洋异常增暖通过 GillMatsuno 响应（Gill,1980）激发 Kelvin 波向东传播，跨越大西洋在高层产生西风异常，此时印度洋对流加热激发Rossby 波向西传播，在高层产生东风异常，两者在北非上空汇合产生异常下沉运动引发干旱（Rowell,2001）。与大西洋、印度洋年际变率的影响相比，太平洋海表温度对北非夏季降水年际变率的影响最为显著（Palmeretal.,1992;Rowell,2001）。因此，本文主要关注 20 世纪 70 年代后ENSO 与北非夏季风降水间的关系。为了推进季风研究领域的国际合作，更好地理解自然变率和外强迫对季风变化的影响，我国学者联合英美学者在 CMIP6 框架下发起了“全球季风模式比较计划”（GMMIP）（Zhouetal.,2016;周天军等,2019），其中中国科学院大气物理研究所LASG 国家重点实验室的 FGOALS 模式是参与模式之一。FGOALS 已经被广泛地应用于各类气候变率和气候变化研究，但是关于该模式对北非季风的模拟能力，此前没有做过系统的评估。本文的目的是：（1）基于观测事实，系统评估 FGOALS 最新版本对北非季风的模拟能力；（2）通过耦合与非耦合试验结果的比较，理解海气耦合模式对北非季风模拟偏差的影响。2 模式、资料和方法介绍 2.1 模式介绍FGOALS-g3 是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/IAP）发展的新一代全球海洋大气陆地耦合气候系统模式（Lietal.,2020b），采用通量耦合方法耦合大气海洋海冰陆地。其中，大气分量采用 LASG 第三代大气环流格点模式GAMIL3（Lietal.,2020a），垂直方向有 26 层；相对于 GAMIL2，GAMIL3 改进了并行计算、水平分辨率、水汽平流方案、物理过程与外强迫，水平分辨率由 2.8提升到 2；海洋分量采用 LASG/IAP第三代气候海洋模式 LICOM3（Linetal.,2020），由 LICOM2 发展而来，任意正交曲线坐标系代替经纬度网格，水平分布采用 B 格点，LICOM2 和LICOM3 垂直方向分别有 30 层和 80 层；海冰分量采用第四代 LosAlamos 模式（http:/climate.lanl.gov/Models/CICE2021-07-26），是一个热力学能量守恒方程，与海洋模式格点相同。陆面分量采用陆面过程模式 CASLSM（Xieetal.,2018），该模式是在 NCAR 发展的通用陆面模式（CLM4.5）基础上发展，水平分辨率与大气模式相同。FGOALS-g3 模式采用的耦合器是 NCAR 发展的 CPL7（Craigetal.,2012）。本文采用 FGOALS-g3 模式的 CMIP6 的试验数据，包括：（1）基于 GAMIL3 大气环流模式的AMIP 试验，该试验利用 1979 年以来观测的海温和海冰驱动大气环流模式（周天军等,2019），共包含 5 个成员结果，可用来评估非耦合的大气模式性能；（2）历史气候模拟试验（Historical），该试验基于 1850 年以来观测的外强迫变化驱动气候模式，共包含 6 个成员结果，可用来评估耦合模式的性能（周天军等,2019）。外强迫包括温室气体、气溶胶等。AMIP 与 Historical 试验多成员集合平均的北非夏季风气候态结果与单个成员相似，因此本文均采用两试验第一个集合预报成员的逐月资料评估北非夏季风气候态。考虑 AMIP 与 Historical 试验的多个成员对北非夏季降水年际变率的模拟结果有所差别，本文采用 AMIP 试验 5 个成员与 Historical试验 6 个成员的逐月资料，评估两试验对北非夏季风年际变率的模拟效果。2.2 观测、再分析资料本文所采用的观测与再分析资料如下：（1）GPCP_V2.3（GlobalPrecipitationClimatologyProjectdatasetversion2.3）逐月降水资料，水平分辨率为2.52.5（Adleretal.,2003）；（2）HadISST1.1（Hadley Centre Global Sea Ice and Sea SurfaceTemperatureversion1.1）的逐月海表温度资料，水平分辨率为 11（Rayneretal.,2003）；（3）欧大气科学47卷1068ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47洲中期天气预报中心（EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts，简称 ECMWF）的 ERA_Interim逐月的 2m 气温与平均海平面气压资料，计算水汽收支诊断方程所需的降水 P、蒸发 E 以及各层纬向风 u、经向风 v、比湿 q、表面气压 ps、垂直速度，水平分辨率为 0.750.75（Deeetal.,2011）。为方便比较分析，上述所有模式与观测资料均选取 19792010 年作为研究时段，并利用双线性插值方法将所有观测、再分析与模式资料统一插值到水平分辨率为 11网格上，垂直方向上选取1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150 和 100hPa 各层的数据。2.3 分析方法本文在研究 FGOALS-g3 模式降水模拟偏差原因时，采用了整层积分的水汽收支方程（Seageretal.,2010），表达式为P=tq(V3q)+E+res，（1）(V3q)其中，V3为风矢量，q 为比湿，P 为降水项，E 为蒸发项，表示整层水汽输送的辐合辐散，res 为残差项，表示垂直方向上的整层积分。tq 0V3=0(V3q)=pqVhhqhppqVhhq对 于 月 平 均 及 更 长 时 间 尺 度 上 的 降 水，同时，基于连续方程，得到，其中，Vh表示水平风矢量，为垂直速度，为水平方向上的梯度算符，为垂直方向上的偏导数，为整层积分的垂直水汽平流项。为整层积分的水平水汽平流项（ChouandNeelin,2004;Chouetal.,2009;ChouandLan,2012）。因此公式（1）式可写为P=pqVhhq+E+res.（2）pq=qhVh一般来说，垂直速度 在地表与对流层顶近似为0，基于质量守恒定理，得到，说明垂直水汽平流项能够表征水汽水平的辐合辐散（Seageretal.,2010;Linetal.,2014;MaandZhou,2015）。()()P=P+PE=E+E=+q=q+q本文在讨论季风降水的年际变率时，主要考虑 ENSO 事件对北非降水年际变率的影响，关注模式对厄尔尼诺发展年北非降水异常的模拟能力。在分析中，我们将水汽收支各物理量分解为气候态和异常项，其中气候态为 19812010 年，即，水汽收支方程异常的表达式为P=pqVhhq+E+res，（3）Vhhq其中，通常较小，无需拆分（Chouetal.,2009），而垂直水汽平流项异常可分解为pq=pqpqpq，（4）pqpq式中，垂直水汽平流项主要分解为热力项与动力项，热力项异常由 q 的变化产生，表征温度变化，动力项与垂直速度的变化有关，可表征大气环流的变化，代入（3）式，得到水汽收支异常方程为P=pqpqVhhq+E+res.（5）本文定义局地夏季（59 月）降水与冬季（113 月）降水之差超过 2.0mmd1，并且局地夏季降水超过多年平均的年总降水的 55%的北非地区为北非季风区（Wangetal.,2012）。3 结果分析以下将从降水与环流气候态及其年际变率方面，通过模式与观测的比较，评估模式的性能；通过单独大气模式与耦合模式的比较，理解海气耦合过程对北非季风模拟效果的影响。同时，通过水汽收支诊断，理解影响模式模拟偏差的原因。3.1 FGOALS-g3 模式对北非夏季风气候态的模拟3.1.1北非夏季风降水GPCP 观测资料中（图 2a），北非降水年循环气候态特征明显，35 月降水位置从赤道向北移动至 4N，之后夏季雨带持续北移，并在 8 月降水达到峰值，降水中心北推至 10N 附近，这种雨带北移的过程被称为“季风跳跃”（SultanandJanicot,2003），随后降水南移并减少。AMIP 与Historical 试验均可模拟出降水季节性的南北移动，但模拟降水移动的最北端位置较观测偏南，其中Historical 试验更为明显，造成萨赫勒地区湿季（79 月）降水有明显的干偏差。同时，模拟的降水大值发生时间偏早，AMIP 与 Historical 试验模拟的降水最大值均发生在 5 月，AMIP 试验模拟的中心位于北非季风区，而 Historical 试验模拟的中心在赤道附近。AMIP 试验与 GPCP 在 79 月020N（图 2 中虚线框）范围内模拟降水的相关系数达 0.89，而 Historical 试验仅有 0.43。因此AMIP 试验比 Historical 试验更接近观测，模拟出4期邱慧等：北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析No.4QIUHuietal.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilityoftheNorthAfrican.1069降雨北推过程中几内亚湾降水的减少。较 AMIP 试验而言，Historical 试验模拟的降水在 57 月赤道附近有明显的湿偏差，其余地区干偏差，原因可能来自耦合模式的海温模拟偏差。观测中北非地区干湿季差异明显，萨赫勒地区降水集中在 79 月，北非季风区降水主要集中在 69 月（图 2e,f）。FGOALS-g3 模式 AMIP 与 Historical 试验的湿季降水的模拟偏差明显，模拟降水少于观测值，其中AMIP 试验偏差小于 Historical 试验。GPCP 降水和 ERA_Interim 环流观测资料中（图 3a），北非地区 79 月季节平均的气候态降水集中在北非季风区，其北部的萨赫勒地区降水经向梯度大，纬向分布相对均匀。降水大值中心与高原地形密切相关，如阿达马瓦山与埃塞俄比亚高原。图219792010 年（a）GPCP（GlobalPrecipitationClimatologyProject）观测资料和（bd）FGOALS-g3 模式模拟结果中 18W40E 纬向平均的降水量（填色，单位：mmd1）的年循环：（b）AMIP 试验；（c）Hostorical 试验；（d）Hostorical 试验减去 AMIP 试验结果。19792010 年（e）萨赫勒地区和（f）北非季风区区域平均降水量的年循环。（b、c）中右上方数字分别是 AMIP、Historical 试验与GPCP 观测资料在 79 月（JAS）020N（图中虚线框）范围内相关系数Fig.2Annualcycleclimatologyforprecipitation(shadedcolor,units:mmd1)averagedbetween18Wand40Eduring19792010from(a)GPCP(Global Precipitation Climatology Project)dataset and(bd)simulations of FGOALS-g3:(b)AMIP simulations,(c)Historical simulations,(d)HistoricalsimulationsminusAMIPsimulations.Annualcycleofareameanprecipitationof(e)theSaheland(f)NASMregionsduring19702010.Thenumbersintheupper-rightcornerof(b,c)arethecorrelationsbetweenAMIPandHistoricalsimulationswithGPCPprecipitationover020NinJulySeptember(JAS,thedashedregion),respectively大气科学47卷1070ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47低层 925hPa 风场中，几内亚湾沿岸的西南季风为北非季风区带来充足的水汽，并与源自撒哈拉的干热的 Harmattan 风辐合。耦合与非耦合试验均能模拟出北非雨带的总体空间分布特征，但两试验均高估了几内亚高原、阿达马瓦山与埃塞俄比亚高原的地形降水，明显低估了除降水大值区以外的降水。925hPa 环流场显示，Historical 与 AMIP 模拟的西南季风模拟偏弱，几内亚湾异常西北风，Harmattan 风偏强且位置偏南，导致降水异常偏少（图 3cf）。AMIP 试验与 GPCP 降水在萨赫勒与北非季风区的空间相关系达 0.80 和 0.62，而Historical 试验仅有 0.74 和 0.46。相应地，AMIP试验与观测降水在上述两地区的均方根误差为 2.58、3.23mm，Historical 试验为 3.30、4.01mm。因此，AMIP 试验北非 79 月降水气候态的模拟优于Historical 试验。Historical 试验在北非季风区与萨赫勒地区模拟降水较 AMIP 试验结果偏少，对应低层西南季风模拟偏弱，出现异常西北风，模拟的Harmattan 风偏强，异常东北风位置伸入北非季风区（图 3b）。3.1.2北非夏季风降水主要的环流系统控制北非夏季风降水的主要环流系统包括非洲东风急流 AEJ、非洲东风波 AEWs、热带东风急流 TEJ、撒哈拉热低压 SHL。该部分主要评估主要环流系统的模拟技巧，以及其对降水模拟技巧的影响。SHL 是位于撒哈拉地区的热低压系统，实际上是一个纬向延伸的槽，一般被视作行星尺度上亚洲季风槽的延伸（Wuetal.,2009）。西南季风通图319792010 年观测与 FGOALS-g3 模式模拟的 79 月季节平均北非季风区（粗黑框）与萨赫勒地区（红框）的气候态降水量（阴影，单位：mmd1）与 925hPa 风场（矢量，单位：ms1）及其偏差分布：（a）GPCP 降水和 ERA_Interim 环流资料；（b）Historical 减去AMIP 试验结果；（c）AMIP 试验；（d）AMIP 试验结果减去观测结果（obs）；（e）Historical 试验；（f）Historical 试验结果减去观测结果（obs）。（c,e）中右上方数字分别是 AMIP 与 Historical 试验模拟的萨赫勒与北非季风区 JAS 季节平均降水与 GPCP 降水之间的空间相关系数Fig.3SpatialdistributionsofJulyAugustSeptember(JAS)seasonal-meanprecipitation(shadedcolor,units:mmd1)and925hPawinds(vectors,units:ms1)intheNorthAfricaSummerMonsoon(NASM,theblackboldlineregion)andSahel(theredlineregion)regionsduring19792010:(a)GPCP&ERA_Interim;(b)Historical simulation minus AMIP simulation;(c)AMIP simulation;(d)AMIP simulation minus observation;(e)Historicalsimulation;(f)Historicalsimulationminusobservation.Thenumbersintheupper-rightcornerin(c,e)arethepatterncorrelationsofprecipitationbetweenAMIPandHistoricalwithGPCPintheSahelandNASM,respectively4期邱慧等：北非季风气候态及其年际变率的数值模拟：基于 FGOALS-g3 模式的诊断分析No.4QIUHuietal.SimulationofClimatologyandInterannualVariabilityoftheNorthAfrican.1071常形成于大西洋冷舌与 SHL 之间，SHL 的气旋式环流包括南侧的西南季风与西侧的东北向的Harmattan 风（Lavaysseetal.,2010），SHL 显著地影响着季风北抬与降水（PeyrillandLafore,2007）。观测中（图 4a），SHL 位于撒哈拉地区中部，中心气压最低达 1007hPa，最高温度达 36.8C。AMIP 与 Historical 试验模拟的 SHL 位置均偏南，且低压强度与温度均低于观测，表明两试验中的 SHL 偏弱（图 4bc）。比较 Historical 与 AMIP试验发现，Historical 试验模拟表面气温偏低，而表面气压偏高，导致模拟的 SHL 强度比 AMIP 试验更弱，对应 Historical 试验模拟的降水负偏差（图 4e）。此外，模式能够合理模拟大地形对表面气压和温度的影响，如埃塞俄比亚高原地区的冷中心。AEJ 是撒哈拉与大西洋强烈的经向热力差异驱动的，依靠南侧的湿对流与北侧的干对流维持（Nicholson,2013），影响着北非季风降水。AEWs通常位于非洲东风急流轴附近及其南侧，在 AEJ与热带东风急流 TEJ 之间，AEWs 影响中尺度对流系统的发展，从而影响北非降水。ERA_Interim 资 料 中 以 及 Historical 和 AMIP试验模拟的平均纬向风与经圈环流见图 5。观测中（图 5a），北非上空存在两个明显的经圈环流：一是深对流系统，上升运动主体位于 10N 附近，可延