基于CMIP5的两个FGOALS模式的南海夏季风特征分析

钟瑜珊 谭雅丽 潘剑波

摘 要：本文利用分辨率为60×128的FGOALS-g2模式的1950—1999年的月平均风场资料和分辨率为108×128的FGOALS-s2模式的1950—1999年月平均风场资料，与同期美国国家环境预报中心资料进行比较分析，根据风场平面特征、风场年际特征以及风场资料数据的统计特征，探讨FGOALS模式对南海夏季风特征的模拟能力。

关键词：CMIP5模式;FGOALS模式;南海夏季风

中图分类号：P422文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0137-04

Characteristics of South China Sea Summer Monsoon Based on CMIP5 and Two FGOALS Models

ZHONG Yushan1 TAN Yali2 PAN Jianbo1

（1.The Center for Early Warning Information Release of Emergency in Xinfeng County，Xinfeng Guangdong 511100;2. Xinfeng County Meteorological Bureau，Xinfeng Guangdong 511100）

Abstract： In this paper， the monthly mean wind data of FGOALS-g2 model from 1950 to 1999 and FGOALS-s2 model from 1950 to 1999 were used to compare with the data of National Center for environmental prediction in the same period. According to the plane characteristics， interannual characteristics and statistical characteristics of wind data， the ability of FGOALS model to simulate the characteristics of South China Sea summer monsoon was discussed.

Keywords： CMIP5 model;FGOALS model;South China Sea summer monsoon

全球季風是指大气环流随季节变化而大尺度反向，并同时伴有显著降水变化特征的现象。季风作为全球大气环流的重要组成部分，对中国乃至全世界气候、天气影响都很大。南海季风是影响东亚天气气候的主要因素之一，其爆发时间具有年际变化[1]。南海夏季风的爆发标志着东亚夏季风建立和雨季开端，其爆发时间和强度影响着东亚夏季风向北推进的进程[2]。

近年来，全球耦合气候系统模式的研究有了较大进步。全球气候模式是研究气候变化、气候模拟和气候变化情景预估的重要工具。第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的目的是解决联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第四次评估报告后出现的一些主要的科学问题，以丰富现有的气候变化理论，提高对气候变化的预估能力[3]。CMIP5包含了更多的模式，采用了更合理的参数化方案、通量处理方案和耦合器技术，以提高气候模式的模拟和预估能力[4-5]。

1 资料和方法

1.1 数据资料

本文采用的模式资料是分辨率为60×128的FGOALS-g2模式的1950—1999年的月平均风场资料，以及分辨率为108×128的FGOALS-s2模式的1950—1999年月平均风场资料。

为了对比和检验两套FGOALS模式对历史南海季风爆发的模拟能力，本文采用的风场对比资料是美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的全球逐月大气再分析资料，选取1951—1999年的1—12月的月平均风场资料，其分辨率为73×144。

1.2 方法

本文定义的南海区域为（5°N—15°N，110°E—120°E）。

利用风场结合温湿指标来定义南海季风的爆发更符合季风最初的定义。根据相关文献，将南海季风的爆发定义为：在南海区域的850 hPa纬向风区域平均由偏东风转为偏西风，并以该年6—8月的850 hPa纬向风的算术平均值为南海季风强度指数。

由于各模式的网格资料分辨率各不相同，为便于处理，本文利用区域平均的方法来处理数据。在分析爆发的演变过程时，本文计算三套850 hPa的风场资料数据，在南海区域作区域平均，得到耦合模式和NCEP资料的南海爆发指数逐月序列，根据序列分析爆发时间、爆发强度等特征，并对耦合模式和非耦合模式资料作气候平均态和标准差的处理。其中用到的统计方法有平均偏差、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和方差。

平均偏差公式为：

[BIAS=i=1nAi-Bin]                  （1）

式中：[A]代表模式资料模拟的风速值;[B]代表NCEP再分析资料的风速值;[n]代表样本个数。

均方根误差计算公式如式（2）所示：

[RMSE=i=1nAi-Bi2n-1]           （2）

方差计算公式如式（3）所示：

[S2=t=1nAi-Bi-A1-B12n-1]               （3）

2 结果分析

2.1 风场平面特征

图1为1950—1999年50年5月和6月平均的风场矢量图和纬向风风速填色图（东风为负，西风为正，下同）。如图1所示，NCEP和FGOALS-g2的风场资料在南海区域风场平面分布大致相似，而NCEP和FGOALS-s2的风场资料在南海区域风场平面分布有较大区别。

从空间平面图来看，5月的NCEP资料显示，南海南部（5°N—10°N，110°E—120°E）區域已经转向为较为平直的偏西风，南海北部（10°N—15°N，110°E—120°E）区域，风场尚未完全转向为偏西风，在南海东北部区域还有偏东风量。从图A1到A2的变化可以看出，从5月到6月，在南海区域，纬向风自南向北发生偏转，偏西风量风速也自南向北增大，在南海东西部的110°E和120°E位置存在纬向西风的风速高值区。

FGOALS-g2资料显示，5月，南海南部以西南气流为主，并且到6月仍处于向较为平直的西风气流转向的过程，南海北部也较早转向为偏西风，整个南海区域纬向风风速与NCEP资料对比偏小，偏差在2 m/s内。同时，还可以明显观察到，FGOALS-g2只模拟出了8°N、120°E附近的纬向风大风速区，并没有模拟出8°N、110°E附近的纬向风大风速区，在局部区域有偏差。可见，FGOALS-g2模式能较好地模拟出南海850 hPa纬向风的基本分布特征，但对850 hPa风矢量转向的规律以及局部地区模式耦合把握还不够。

FGOALS-s2资料显示，在850 hPa的纬向风转向是由南海北部开始的，并且自北向南推进，这与NCEP资料的结果相差较大。同时，FGOALS-s2对风速的模拟效果也不好，与NCEP资料存在较大偏差。鉴于FGOALS模式是为了评估全球的气候变化而设计的，因此，部分模式对局部区域的模拟可能会存在一些问题，导致模式的模块间耦合不够理想，不能合理地模拟出局部区域的事件。

2.2 风场变化特征

南海地区50年850 hPa纬向平均风速各月变化如图2所示。从图2可以看出，850 hPa纬向风的NCEP资料显示，5月以前低空纬向风均为负值（东风），其中1月出现东风极大值，为6.55 m/s，5月初开始转向为正值（西风）。根据本文定义，850 hPa纬向风的突变代表着南海季风的建立。随后纬向风风速迅速增大，5月到6月增长速率为4.25 m/s，6月之后，增长速率减缓，直至8月，西风风速达到极大值，为6.36 m/s，随后风速开始减小，到10月转向为负值，至此，南海季风爆发结束。

FGOALS-g2资料显示，1—10月，各月西风纬向平均风速都比NCEP资料小，东风纬向平均风速都比NCEP资料大，1月，东风出现极大值，为8.68 m/s，和NCEP资料差距为2.13 m/s。图2显示出，850 hPa纬向风是在5月中旬才开始转为正值的（西风），比NCEP资料偏迟。在偏西风增速的过程中，7月西风达到极大值，为3.86 m/s，随后风速减小，到8月又有增速的过程，随后在9月西风达到另一极大值，为4.10 m/s，与NCEP资料的4.22 m/s相近。9月之后，纬向风风速开始减小，但速率较NCEP资料更慢，转向时间也比NCEP资料更迟。可见，FGOALS-g2的纬向风变化与NCEP资料的规律有明显差距，南海季风爆发时间长度相似，FGOALS-g2模拟的南海季风较迟开始、较迟结束。

FGOALS-s2资料显示，1—10月，各月西风纬向平均风速都比NCEP资料小，东风纬向平均风速都比NCEP资料大。1月，FGOALS-s2资料模拟的东风极大值为8.92 m/s，与NCEP间的差距为2.37 m/s，同FGOALS-g2资料相似，850 hPa纬向风都是在5月中旬才开始转向为正值（西风），比NCEP资料迟。在偏西风增速的过程中，风速大致以匀速增大，在8月达到极大值，为5.09 m/s，随后开始减小，9月为4.17 m/s，与NCEP资料的4.22 m/s相近，但9月以后的减速速率比NCEP资料小，转向时间也比NCEP资料更迟。FGOALS-s2的纬向风变化与NCEP资料的整体形势变化相似，南海季风爆发时间长度相似，但对全年的极大值和极小值的计算以及变速规律的模拟掌握不足。

2.3 南海季风强度指数变化特征

三套数据夏季纬向风50年气候平均态，如图3所示。NCEP资料显示，在南海整个区域，乃至南海东部的西太平洋地区，南海季风强度均大于5 m/s;但FGOALS-g2资料显示，在南海南部和偏东部模拟的南海季风强度相对较弱;而在FGOALS-s2的资料中，可以明显看到在南海北部，南海季风强度指数为负值，即在该处6—8月的平均纬向风仍为偏东风。在南海南部，FGOALS-s2模式模拟的南海季风强度也比NCEP资料模拟的较弱，结合前文可推测是因为FGOALS-s2模式的滞后性引起的南海季风强度减小。

3 结语

对于模拟南海季风爆发及结束时间，FGOALS-g2和FGOALS-s2模式表现出明显的滞后性，并且受滞后性的影响，纬向风的增速速率减缓，纬向西风的风速模拟结果不稳定，其对应的南海季风强度指数偏小。

参考文献：

[1]黄昕，周天军，吴波，等.气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析[J].大气科学，2019（2）：437-455.

[2]林壬萍，周天军.参加CMIP5计划的四个中国模式模拟的东亚地区降水结构特征及未来变化[J].大气科学，2015（2）：338-356.

[3]杜银，包庆，谢志清.FGOALS模式对梅雨期东亚副热带西风急流变化特征的模拟[J].大气科学，2017（3）：603-617.

[4]任荣彩，杨扬.Changes in Winter Stratospheric Circulation in CMIP5 Scenarios Simulated by the Climate System Model FGOALS-s2[J]Advances in Atmospheric Sciences，2012（6）：1374-1389.

[5]郝钰茜.北半球夏季风区降水年际协同变化主模态的变化特征和机理[D].北京：中国气象科学研究院，2019：25.