模拟性能

1000年积分稳定性

气候模式积分的稳定性是评判模式好坏的一个关键指标，它是模式能否长期积分的保障。下图是模式自由积分 1000 年全球 SST 平均（GM SST）的时间序列。由于海洋模式初始场各要素选用的是 2008 年的状态，该初始场与处于工业革命前水平的大气强迫场不匹配，故在最初 50 年积分中海洋-大气自由耦合，全球海表温度明显下滑，最终达到工业革命前水平而处于相对平衡状态。最后 100 年 GM SST 变化不到 0.1 °C，可判定该模式基本达到稳定水平，从侧面反映出模式具有很好的物质和能量守恒性。因此模式在没有在通量订正的情况下，能稳定且进行长时间积分。

模式自由积分 1000 年的全球平均 SST 时间序列（刘波 2019）

参考文献：

刘波. ICM气候模式的发展以及对东亚夏季风模拟和ENSO预测研究[D]. 中国科学院大学,2019.

30 年自由积分GM SST

为考察模式 30 年积分稳定性，本人做了四组试验，即分别选取 1994 年 7 月、2023 年 1 月为积分起始时间，各生成两个扰动变量，分别自由积分 30 年。图中序列扣除了季节循环。

这四组试验都表现为先快速降温、后升温。与 2023 年 1 月起积分不同的是，1994 年 7 月起积分在后 20 年表现出明显的上升趋势。“后升温”是因为模式采用了 SSP 2-4.5 的强迫情景，“先快速降温”及“更为明显”是因为人类在 20 世纪末 21 世纪初的排放大于 SSP 2-4.5 的强迫情景。

30 年自由积分 GM SST

为了研究在观测资料强迫下短期模式积分的气候态的分布情况，以下的分析对象均为 30 年自由积分的模式资料。

SST 气候态

模式对 SST 的模拟结果较观测在加拿大、北太平洋偏低，南极洲周围、日本东部、非洲南部西海岸偏高，赤道东太平洋上的冷舍偏强。

30 年自由积分 SST 空间分布和观测的比较

SAT 气候态

SAT 是海平面气温。

整体模拟结果与观测一致，差值图也有与 SST 类似的模拟偏差。在陆地上，对北美 45°-70°N 高纬地区存在暖的模拟偏差，偏差大小在 2-4℃，但大部分北美洲陆地在 ±1℃ 范围内；在对欧亚大陆气温的模拟上，对 45°N 附近地区的模拟偏差较低，对高纬地区有一定的冷偏差；对非洲和南美洲气温的模拟偏差也不大，最大偏差中心有较小范围的偏冷，在 2-4℃ 之间。另外，我们关注的东亚地区，除青藏高原地区虚假的偏冷信号，其他大部分模拟偏差不大，大部分在 1℃ 左右内的冷偏差。

30 年自由积分 SAT 空间分布和观测的比较

SLP 气候态

SLP 是海平面气压。

模式能很好的模拟出冬季北半球的冰岛低压、西伯利亚高压、阿留申低压、北美高压以及南半球大陆低压、三个大洋上空的副热带高压。另外，对南极大陆海平面气压模拟偏高。对夏季海平面气压的模拟上，能很好地再现观测中副热带高压、格陵兰高压、亚洲热低压和北美热低压等环流系统。在格陵兰岛上，冬季偏高、夏季偏低。而对南极洲的夏季模拟比冬季好很多。对青藏高原尤其是夏季偏低特别明显。但整体而言模式对海平面气压场的模拟有着很好地刻画能力。

30 年自由积分 SLP 空间分布和观测的比较

降水场气候态

模式很好地再现了冬季赤道地区沿着热带辐合带（ITCZ）、赤道印度洋、南美洲以及北半球副热带海区等雨带的分布形态。但对赤道“Double ITCZ”型降水模拟仍偏多；在夏季时在青藏高原内部的南部模拟的降水比观测有偏多异常。

30 年自由积分降水空间分布和观测的比较

风场气候态

850 hPa

模式对北半球中高纬西风带、南极绕极流西风带、北太平洋高纬海区气旋（阿留申低压）、副热带海区反气旋（副热带高压）均有很好的体现。

模式模拟的阿留申低压偏弱，赤道大西洋东风带偏弱，赤道太平洋东风带偏弱。

另外，模式对南极绕极流强西风带的模拟偏弱，这也是导致模式对南极绕极流 SST 模拟偏高的原因之一。

30 年自由积分 850 hPa 风场空间分布和观测的比较

200 hPa

模式能很好地模拟出南北半球副热带强西风带分布。

与观测的误差：对两强西风带模拟偏强，同时在赤道附近区域存在异常西风偏差。

30 年自由积分 200 hPa 风场空间分布和观测的比较

Taylor 图

对 SST 气候态场的模拟远好于大气气候态场，在所分析的气候态场中，模拟的气候态场与观测差别最大的是降水场。模拟降水场的空间方差偏大，风场的空间方差偏小。

模式模拟结果与观测的 Taylor 分析图。数字 1-5 分别代表春、夏、秋、冬季以及年平均。方位坐标代表与观测的空间相关，径向坐标代表与观测的标准偏差

EASM 和 PJ 遥相关模拟

Kosaka 等（2013）提出 PJ 型算法：将夏季 850 hPa 0-60°N，100-160°E 范围内的涡度异常的 EOF 第一模态，与降水场和 850 hPa 风场的回归得出。

下图为 (a) 观测和 (b) 模式的涡度异常的第一模态，尽管二者都体现了经向三极子分布形态，但在强度、范围等方面仍有一定的差异。接下来在比较 PJ 遥相关时，观测用观测的模态，模式用模式的模态。

夏季 850 hPa 0-60°N，100-160°E 范围内 (a) 观测和 (b) 模式的涡度异常的第一模态

模式很好的模拟出了观测中 PJ 型中降水场异常经向三极子分布型态，对应着风场的气旋、反气旋、气旋异常分布形。

此外，模式模拟的华北地区的雨带偏弱。对副热带高压的模拟刻画的很好，但强度模拟偏弱（位置偏东），这可能是雨带偏弱的原因之一。

模式对 PJ 遥相关的模拟图示，(a) (b) 填色为夏季 ( JJA ) 降水气候态、箭头为 850 hPa 风场气候态，(c) (d) 夏季降水场（填色）和 850-hPa 风场（箭头）与夏季 850-hPa 0-60°N，100-160°E 范围内的涡度异常的 EOF 第一模态的回归

参考文献：

Kosaka Y, Xie S P, Lau N C, et al. Origin of seasonal predictability for summer climate over the Northwestern Pacific [J]. P Natl Acad Sci USA, 2013, 110(19): 7574-9.

SST 季节与 ENSO 循环

模式能较好刻画赤道 SSTA 的季节循环过程。但模式的正、负异常过于西伸，在冬季的赤道东太平洋转暖过早，且中间（ 2 月份时）存在一次异常转冷。在对 Niño 3.4 指数的功率谱分析中，模式能较好模拟出观测中 ENSO 周期（约 3-7 年）。

(a) 观测 (b) 模式赤道 SSTA 的季节循环过程和 (c) Niño 3.4 指数的功率谱

主要气候模态

PDO

PDO 是太平洋年代际振荡。

分析方法：先对 20°N 以北太平洋 SST 进行 EOF 分析，而 PDO 指数则用该 EOF1 标准化后的时间序列表示。用 PDO 指数回归的太平洋 SST 异常分布形。

下图为观测和模式的 EOF-1 空间向量，方差贡献分别为 19.8% 和 25.8%。在分布上模式与观测的主要不同表现为，模式在北太平洋东岸的负异常面积较小、强度较弱，在鄂霍茨克海附近有强正异常。

(a) 观测 (b) 模式20°N 以北太平洋 SST 第一模态

模式模拟出的 PDO 海温分布形态与观测的空间相关系数为 0.35，而刘波师兄的结果达 0.73。这可能是因为我的模式模拟只有 30 年且存在气候漂移所致。但从下图中分布结构可以看出，模式仍能模拟出与观测相近的 PDO 海温分布形。

模式存在赤道冷 SST 异常振幅模拟偏低的偏差。我们发现这与模式对ENSO振幅模拟偏弱的情况类似，Zhang 等（1997）指出 PDO 信号可以被看做是 ENSO 变率的残留信号，因此，模式对 ENSO 模拟的偏差应该与 PDO 的类似。

PDO回归的 (a) 观测 (b) 模式太平洋 SST 异常分布形

参考文献：

Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. ENSO-like interdecadal variability: 1900-93 [J]. J Climate, 1997, 10(5): 1004-20.

NAO

NAO 是北大西洋涛动。

分析冬季北半球 500-hPa 位势高度场 EOF 第一模态。（但模式 EOF-1 反映的不是 NAO，而 EOF-2 反映的才是 NAO，故模式分析 EOF-2。方差贡献分别为 20.7% , 18.4%。）

模式能基本模拟出 NAO 分布型。空间相关系数达 0.67。

(a) 观测冬季北半球 500-hPa 位势高度场 EOF 第一模态 (b) 模式冬季北半球 500-hPa 位势高度场 EOF 第二模态（由于第一模态反映的不是 NAO，而第二模态恰好是）

PNA 遥相关

PNA 遥相关是太平洋-北美遥相关。

太平洋-北美（PNA）遥相关是北半球副热带地区大气低频振荡中最主要的大尺度环流型，从热带太平洋一直延伸至北美地区。这里我们用 Wallace 和 Gutzler（1981）提出的 PNA 指数（PNAI）定义方法，其公式如下：

其中 Nor 表示标准化，z’ 表示 500 hPa 冬季位势高度异常。

由格点数据计算某一点上的值时采用方法为线性插值法

用 PNAI 指数回归 500-hPa 位势高度异常，结果如图所示。北半球地区存在 4 个异常中心，中高纬异常中心较强，低纬度两个异常中心相对较弱。模式模拟出了 PNA 位势高度异常的位置以及振幅大小均模拟的较好，两者空间相关系数达 0.83。相对而言，模式对北美上空正异常中心位置模拟有所偏西。

（a）观测和（b）模式中 PNA 指数回归的 500-hPa 位势高度异常。

参考文献：

Wallace J M, Gutzler D S. Teleconnections in the Geopotential Height Field during the Northern Hemisphere Winter [J]. Mon Weather Rev, 1981, 109(4): 784-812.