海洋所揭示海洋垂向混合过程在次表层模式误差形成中的重要作用

中国科学院海洋研究所研究员张荣华课题组利用最新发布的海洋模式比较计划（OMIP）数据，结合湍流微尺度观测资料和数值模拟试验等，开展热带大西洋次表层温度误差归因和模式模拟改进研究，相关研究成果发表在Journal of Climate上。

气候模式是研究气候及其变化的重要工具。20世纪60年代构建基于数理方程的海气耦合模式以来，气候模式的发展和应用均已取得重要成果。例如，可再现大气温室气体增多而引发的全球变暖现象；2021年第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）产品发布，这些基于气候模式的模拟结果是IPCC（政府间气候变化专门委员会）等评估未来气候变化的主要依据。然而，气候模式模拟结果与观测相比，存在较大的差异和不确定性，这些系统性误差削弱了模式对于气候预测和未来预估的可靠性。误差的归因和模式性能的改进是模式发展的热点和难点，也是CMIP6关注的科学问题之一。过去，关于气候模式误差的研究多局限于海表面误差，而对于海洋次表层的模拟关注较少。

本研究利用最新发布的OMIP数据发现，热带大西洋次表层存在海盆尺度的暖误差现象。该误差主要出现在100-150米的次表层海区，且在赤道外存在两个暖误差中心。与南侧误差相比，北侧误差强度更强、所在的深度更深。作为OMIP模式中典型的系统性误差特征，该误差没有明显的季节变化性。进一步，该研究通过进行单独海洋模式的敏感性试验，从大气和海洋两方面探究了该误差产生的原因。从大气的角度来看，该误差的产生可部分地归因于模式中风场的不确定性；从海洋的角度来看，该误差主要归因于上层海洋垂向混合参数化方案的不确定性。与湍流微尺度观测相比，海洋模式高估了内部垂向混合的强度。通过使用观测估算的扩散系数替换现有模式中的给定值，模式上层层结得到加强，热带大西洋次表层模拟得到显著改善，次表层暖误差减小了约50%。进一步的热收支分析表明，次表层海温模拟的改善主要归因于垂向混合冷却作用的加强。此外，由于次表层热力结构模拟的改善，热带流系的模拟也得到相应的改进，包括北赤道流加强等更真实的模拟。

该研究揭示了海洋垂向混合过程在次表层模式误差形成中的重要作用，对于提高海洋和气候数值模式的模拟和预测能力具有重要意义，并为改进气候模式提供理论指导。研究工作得到中科院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等的支持。

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热带大西洋次表层温度误差（>3℃）空间结构及归因示意图。其中，表面为OMIP模式集合平均的风应力旋度误差（单位：10^-8 N m^-3），次表层展示了OMIP模式集合平均的三维温度误差（单位：℃）及其在经度-纬度平面和深度-纬度平面的投影。