氣候模式是進(jìn)行氣候及其變化研究的重要工具，自上世紀(jì)60年代開始構(gòu)建基于數(shù)理方程的海氣耦合模式以來，氣候模式的發(fā)展和應(yīng)用都已取得重大成果。例如，已能再現(xiàn)大氣溫室氣體增多所引發(fā)的全球變暖現(xiàn)象；其中，2021年發(fā)布了第六次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）產(chǎn)品，這些基于氣候模式的模擬結(jié)果是 IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）等評估未來氣候變化的主要依據(jù)。特別地，2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予Syukuro Manabe等氣候?qū)W家，以表彰他們對“地球氣候系統(tǒng)的物理建模，并可靠地預(yù)測全球變暖”等研究方面的卓越貢獻(xiàn)。但目前，氣候模式模擬結(jié)果與觀測相比仍存在較大的差異和不確定性，這些系統(tǒng)性誤差的存在大大削弱了模式對于氣候預(yù)測和未來預(yù)估的可靠性。誤差的歸因和模式性能的改進(jìn)一直是模式發(fā)展中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，也是CMIP6所關(guān)注的三大科學(xué)問題之一。過去關(guān)于氣候模式誤差的研究大多局限于海表面誤差，而對于海洋次表層的模擬關(guān)注較少。
本工作利用最新發(fā)布的OMIP數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，熱帶大西洋次表層存在海盆尺度的暖誤差現(xiàn)象。該誤差主要出現(xiàn)在100-150 米的次表層海區(qū)，并且在赤道外存在兩個(gè)暖誤差中心。與南側(cè)誤差相比，北側(cè)誤差強(qiáng)度更強(qiáng)、所在的深度更深。作為OMIP模式中典型的系統(tǒng)性誤差特征，該誤差沒有明顯的季節(jié)變化性。進(jìn)一步，本工作通過進(jìn)行單獨(dú)海洋模式的敏感性試驗(yàn)，從大氣和海洋兩方面探究了該誤差產(chǎn)生的原因。從大氣的角度來看，該誤差的產(chǎn)生可部分地歸因于模式中風(fēng)場的不確定性；從海洋的角度來看，該誤差主要?dú)w因于上層海洋垂向混合參數(shù)化方案的不確定性。與湍流微尺度觀測相比，海洋模式高估了內(nèi)部垂向混合的強(qiáng)度。通過使用觀測估算的擴(kuò)散系數(shù)替換現(xiàn)有模式中的給定值，模式上層層結(jié)得到加強(qiáng)，熱帶大西洋次表層模擬得到顯著改善，次表層暖誤差減小了約50%。進(jìn)一步的熱收支分析表明，次表層海溫模擬的改善主要?dú)w因于垂向混合冷卻作用的加強(qiáng)。此外，由于次表層熱力結(jié)構(gòu)模擬的改善，熱帶流系的模擬也得到相應(yīng)的改進(jìn)，包括北赤道流加強(qiáng)等更真實(shí)的模擬。
該研究揭示了海洋垂向混合過程在次表層模式誤差形成中的重要作用，對于提高海洋和氣候數(shù)值模式的模擬和預(yù)測能力具有重要意義，為改進(jìn)氣候模式提供理論指導(dǎo)。研究由博士研究生張秋實(shí)、朱聿超副研究員和張榮華研究員（通訊作者）完成，研究得到了中科院海洋大科學(xué)研究中心、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室、中科院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
熱帶大西洋次表層溫度誤差（>3 ）空間結(jié)構(gòu)及歸因示意圖。其中，表面為OMIP模式集合平均的風(fēng)應(yīng)力旋度誤差（單位：10-8 N m-3），次表層展示了OMIP模式集合平均的三維溫度誤差（單位： ）及其在經(jīng)度-緯度平面和深度-緯度平面的投影）
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Zhang, Q.，Y. Zhu, and R.-H. Zhang, 2022: Subsurface Warm Biases in the Tropical Atlantic and Their Attributions to the Role of Wind Forcing and Ocean Vertical Mixing. Journal of Climate, 35, 2291-2303. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-21-0779.1.
