论IPCC－AR4模式对影响西北太平洋热带气旋的大气动力环境场的气候特征模拟性能

余锦华，赵晓彤，陈成

（1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，大气科学学院，江苏 南京 210044）

论IPCC－AR4模式对影响西北太平洋热带气旋的大气动力环境场的气候特征模拟性能

余锦华1，赵晓彤1，陈成1

（1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，大气科学学院，江苏 南京 210044）

评估了23个IPCC-AR4模式在低纬地区1948—1999年7—9月大尺度环流场的模拟性能，重点关注西北太平洋区域的西太副高、季风槽以及台风活动海域的垂直风切变。结果显示，绝大多数模式的7—9月低纬地区500 hPa平均高度场、850 hPa风场空间分布与NCEP都具有很高的相似性，但大多模式500 hPa高度场存在系统性偏低，而850 hPa风场偏强。所有模式模拟的西北太平洋副高脊线与NCEP都有一致的西南-东北走向，但有些模式的脊线位置偏离NCEP的较远。有4个模式没有模拟出类似于NCEP的季风槽线。综合模式对夏季热带环流场、西北太平洋副热带高压、季风槽以及西北太平洋热带气旋活动关键区域垂直风切变气候特征的模拟性能，按性能优劣，排在前10的模式依次是mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a；排在后6位的模式是inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_ cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。

IPCC-AR4模式；西北太平洋热带气旋；动力环境场；模拟评估

1 引言

大气环流场是直接影响热带气旋（TC）活动的局地动力环境场，夏季影响西北太平洋地区天气气候的环流系统主要有西北太平洋副热带高压和季风环流，它们是热带气旋孕育、移动和发展的大尺度环流背景。西北太平洋副热带高压的位置、面积、强弱等除了通过引导气流影响TC的路径外［1-2］，副高与热带气旋的相互作用对TC生成位置、强度、结构等也产生相当的影响［3-4］。模式对热带气旋路径预报的准确性很大一部分取决于模式对副热带高压的预报精度。因此副热带高压的模拟性能是评价IPCC-AR4模式对TC大尺度环境动力控制因子模拟的一个重要方面。研究认为，西北太平洋有73%左右的TC生成于季风槽中［5］，季风槽位置的变化直接影响到热带气旋的生成位置［6］，进而影响TC的生命史、强度和耗散能量（ACE），季风槽轴走向与热带气旋路径类型具有密切的关系［7-8］。因此，西北太平洋海盆，IPCC -AR4模式模拟的季风槽是需要重点考察的天气系统。

大量研究表明环境垂直风切变是影响TC生成、强度变化及结构的一个主要动力控制因子。强的垂直风切变形成一波非对称结构，阻碍TC深对流的轴对称化，并使TC不易形成暖心结构，从而不利于TC的形成和发展［9-11］。因此环境垂直风切变的模拟性能也是评价IPCC-AR4模式对影响TC活动的大尺度大气环流模拟性能的一个重要指标。

IPCC-AR4模式对大气环流的模拟性能评估已做了很多研究工作［12-16］，但由于评估的着眼点不同，各模式的模拟性能必定存在差异。迄今为止，从控制热带气旋活动的大气环流特征角度评估IPCC -AR4模式的模拟性能还未见有结果给出。未来全球变暖背景下，TC生成频数是增加还是减少、TC强度、路径具有怎样的变化特征等，都是关注的重点，也是目前国内外台风界研究的热点。由IPCCAR4不同模式对未来大尺度环境场的情景预测是TC活动对全球增暖响应研究的一个重要资料来源［17］。全球模式具有很多的不确定性，这种不确定性会通过降尺度途径产生TC活动的不确定性。我们已经评估IPCC-AR4模式对热带地区海表温度（SST）的模拟性能［18］，在选取下垫面SST强迫时，已知道该优先选取哪些模式。本文作为系列的第二部分，从夏季低纬环流特征、西北太平洋副热带高压、季风槽以及垂直风切变等方面就23个IPCCAR4模式对影响西北太平洋TC活动的大气环流场的模拟性能进行客观评估，给出模拟性能好的模式以及模式集成应当剔除的模式。研究成果可以在西北太平洋TC活动的情景研究中，为挑选IPCCAR4大气环流模式提供参考。

2 模式、资料及方法简介

本文从PCMDI（the Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison）资料集网（http：／／www-pcmdi.llnl.gov／）下载了由IPCC-AR4收集的控制试验（20c3m）23个海气耦合模式（表1）中的大气环流场，主要包括各等压面高度场、纬向风和经向风场。用500 hPa位势高度和风场来描述副热带高压特征，垂直风切变按常规做法用200 hPa减去850 hPa风场得到。用850 hPa高度上，一定区域的纬向西风与东风交界处作为季风槽的位置。

表1 23个IPCC－AR4模式夏季（7—9月）500 hPa高度场（0°～40°N，0°E～180°～0°W）及850 hPa风场（20°S～40°N，0°E～180°～0°W）与NCEP／NCAR气候态的相似系数和均方根误差

续表1

模式验正资料来自美国国家环境预测中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）再分析资料各等压面的位势高度和环流场，时间为1948—1999年，其空间分辨率为2.5°×2.5°。

场评估最常用的方法是比较空间相似系数和场的均方根误差。空间相似系数和均方根误差的计算公式如下：

式中，xi，yi为两个物理量场在第i格点的值，n为格点数。r描述了两个场的空间结构相似程度，等于1说明两场的分布完全相同。但是分布完全一致并不能表示同一格点的值完全相同，有时甚至会差异很大，当某一物理量场系统性偏低或偏高于另一场时，就会出现这种情况。均方根误差则描述了两个场对应格点上数值相差大小的平均，物理量的分布及格点数值的差异对它都有影响，该值越小，则说明两物理量场的空间分布相似，而且对应格点上的值相近，该值为零，表示两场完全相同。因此，均方根误差也是一个描述两个场之间差异大小的重要指标。在以下的模式评估中，主要基于这两个参数（对于曲线，则用相关系数及均方根误差两个指标）来给各模式模拟性能评分，分数从空间相似系数的最大到最小，高分到低分依次排序；均方根误差从最小到最大，高分到低分依次排序。最后对各评估项目的分数进行等权重平均，从高到低给模式排序，得分高者，模式模拟性能较好，反之则相对较差。

3 热带环流气候平均场的对比

气候场的模拟性能是评估模式模拟优劣的基础。考虑到西北太平洋台风主要发生在北半球低纬地区的夏季月份，因此，主要比较北半球低纬地区（0°～40°N）7—9月的环流模拟情况。大多数模式500 hPa气候高度场与NCEP／NCAR（后面简称NCEP）的空间相似系数较大（表1第2列），表明它们平均高度场的空间分布与NCEP都相近，只有模式giss_er和giss _eh与NCEP的相似系数很小，图1a为giss_eh与NCEP／NCAR的差值场，可见，giss_eh与NCEP高度场相差较大的区域主要位于陆地上，在欧亚大陆前者比后者要大100～250位势米，而在海盆里，它们的高度场比后者偏小60位势米以下。giss_er与NCEP的500 h Pa高度差值场与图1a的很相似（图略）。均方根误差最大的模式是ipsl_cm4，为156位势米（表1第2列），其差值场表现为一致性偏低（见图1b），相似系数也偏小，只有0.6。此外模式csiro_ mk3_5、ncar_ccsm3_0的均方根误差大于50位势米，这两个模式的位势高度气候值在各区域普遍高于NCEP（图略）。如果将所有模式集成，得到气候场的相似系数为0.907，均方根误差为12.4位势米；如将giss_eh、giss_er和ipsl_cm4剔除，其余模式集成后的气候场与NCEP的空间相似系数为0.95，均方根误差为6.9位势米，即空间相似系数提高了0.05，均方根误差减小了近50%，由此可见，从北半球低纬地区位势高度场的模拟性能来看，剔除giss_eh、giss_er和ipsl_cm43个模式后，剩余20个模式的集成与NCEP更为接近。

图1 1948—1999年7—9月平均500 hPa高度场之差场（位势米）a.giss_eh-NCEP，b.ipsl_cm4-NCEP

图2 ncar_pcm1 1948—1999年7—9月平均850 hPa全风速场、纬向风速及经向风速与NCEP的差场（m／s）a.全风速，b.纬向风速，c.经向风速

夏季南半球越赤道气流对北半球的天气气候具有重要影响，以下重点考察模式对20°S～40°N 850 h Pa 7—9月的风场模拟性能。由表1第3列可见，20°S～40°N 850 hPa 7—9月全风速气候场与NCEP的空间相似系数在0.7以下的有7个模式，其中最小的是ncar_pcm1（0.56），其次为giss_eh（0.573）。均方根误差最大的模式是miroc3_2_ medres，为2.77 m／s，其次是模式iap_fgoals1_0_g（2.56 m／s），这两个模式的空间相似系数位居倒数第3、第4（0.607，0.608）。模式ncar_pcm1与NCEP的差值场（见图2a）表现为太平洋西部和东侧为正值，特别是西部的正值中心在10 m／s以上，太平洋中部的负值中心达-6 m／s。进一步比较该模式的纬向风及经向风与NCEP的差场（见图2b、c），显示北太平洋地区误差的贡献主要来自纬向风场，东亚沿岸主要来自经向风场，其他区域纬向风和经向风的贡献相当，另一重要特征是孟加拉湾、南海地区的西风、南风减弱；赤道印度洋、太平洋越赤道气流增强。该模式整个场的平均风速偏低于NCEP（图3）。giss_eh与NCEP的全风速差场和图2a的相似，只是在太平洋的正值偏小，而在印度洋负值的数值偏大一些（图略）。模式miroc3_2_medres及iap_fgoals1_0_g与NCEP的气候差场以负值为主（图略）。平均的时间序列显示（图3），大多数模式的全风速系统性偏差大于NCEP。模式iap_fgoals1_0_g，miroc3_2_medres的空间相似系数偏小、均方根误差大的原因是自20世纪50年代后期模拟的风速出现了异常情况，iap _fgoals1_0_g的风速在0.32～2.5 m／s间出现高频振荡，miroc3_2_medres的风速则出现了下降趋势，直降到1990年的0.63 m／s，之后维持一低值水平（0.7～1.0 m／s）。总风速的变化，主要是由纬向风速的异常变化造成的，即iap_fgoals1_0_g的平均纬向风在20世纪50年代后期之前变化于-2～-3 m／s，之后在0～-2.5 m／s高频振荡（图略），振荡频率与全风速一致；模式miroc3_2_medres的纬向东风从50年代开始减弱，直到零，再增加到0.7 m／s左右。

图3 NCEP／NCAR及模式在20°S～40°N、7—9月850 hPa平均全风速的时间演变序列

所有模式集成与NCEP气候风场的空间相似系数为0.851，均方根误差是2.17 m／s。将上述miroc3 _2_medres、iap_fgoals1_0_g、ncar_pcm1和giss_eh 4个模式剔除，余下19个模式合成后与NCEP气候风场的空间相似系数为0.859，均方根误差是2.44 m／s。如将表1第3列中的相似系数在0.7以下，均方根误差也排在前7的7个模式剔除，剩下16个模式的集成与NCEP气候风场的空间相似系数也为0.859，均方根误差反而增大到2.57 m／s。可见，集成模式似乎不能从风场的角度来考虑。因为风为矢量，评估时只考虑到其大小，没有考虑其方向，模式集成时又需要考虑到方向性。由表1可见，第2列全风速的相似系数和均方根误差并不是第3至第5列纬向u风场和经向v风场的平均。大多模式u、v风场各自的相似系数都大于全风速。

4 西北太平洋副热带高压模拟性能对比

4.1 西北太平洋副热带高压指数

国家气候中心定义了一系列指标，包括强度指数、面积指数、脊线位置、西界位置、北界位置等，来表征西北太平洋副热带高压特征。如副热带高压位置在南北方向，以副高脊线所在纬度的平均值代表，东西方向以588线西伸端点所在经度代表，副热带高压面积指数常用588线所围的面积表示。这些指标的给出是基于高空探测资料，与用NCEP再分析资料得到的有些区别。这些描述副热带高压特征的指数可以分为两类，一是与位势高度的气候平均值有关，如强度指数、面积指数，另一类是与位势高度的气候平均值无关，而与其梯度有关，如用东、西向风速为零描述的脊线位置、关键区的相对涡度等。以下主要通过脊线位置、副高强度及面积指数的气候特征来评估模式对副热带高压的模拟性能。

图4 NCEP和IPCC-AR4 23个模式（a）及模式集成（b）在10°～40°N 120°E～180°、每间隔2经度对应的500 hPa高度上平均纬向风速为零的连线（脊线气候位置）

4.2 西北太平洋副热带高压的模拟评估

4.2.1 西北太平洋副热带高压脊线的模拟评估

副热带高压脊线描述了副热带高压的南北位置，其走向还反映了副热带高压的形态。以500 hPa等压面上，10°～40°N，120°E～180°区域东、西向风速为零的连线来描述西北太平洋副热带高压脊线位置。每间隔2°经度（共31个经度）每一经度上脊线位置的时间平均来描述该经度上副高脊线的平均南北位置，自西向东各经度上脊线点的连线反映了副高脊线的走向，将所有经度上脊线位置的再次平均描述了模式模拟的1948—1999年平均副高脊线南北指数（副高脊线的气候值）的大小。将23个模式副高脊线的气候值（表2第2列）与NCEP的相减，得到表2第3列，可见，与NCEP相比，脊线偏北的模式有9个，偏南的有14个。有5个模式的脊线位置与NCEP的靠近，按均方根误差由小到大，排在前10的模式依次是gfdl_cm2_1、csiro_mk3_5、bccr_cm2、ingv_echam4、cccma_t67、cnrm_cm3、iap_fgoals1_0_g、ukmo_hadgem1、mpi_echam5和gfdl_cm2_0。有7个模式均方根误差在3°以上，其中偏差最大的模式是giss_er（6.69°），其后依次是ipsl_cm4（5.19°）、ukmo_hadcm3（4.63°）、ncar_pcm1（4.14°）、miroc3_2_hires（3.77°）、miroc3_2_medre（3.57°）和inmcm3_0（3.1°）。这7个模式中除了ncar_pcm1偏向于NCEP以北外，其余的脊线位置都偏南。绝大多数模式副高脊线走向与NCEP的比较一致，都为西南—东北走向（图4a），与NCEP的相关都很高（表2第4列）。除了giss_er模式外，它的脊线走向与NCEP的相关不显著，其脊线平均偏南NCEP 6.42°，是偏差最大的。由图4a可见，该模式在同一经线上的脊线位置都明显偏南于NCEP，相关很小的原因是120°～126°E和160°～170°E区间脊线走向与NCEP的相反。

表2 IPCC－AR4 23个模式7—9月西北太平洋脊线（10°～40°N、120°～180°E，500 hPa风速U为零的连线）平均纬度（NCEP的风速U为零的纬度位置平均为27.77°N，均方差1.6）及其与NCEP的差、序列相关、均方根误差

如果将所有模式合成，则脊线位置（图4b正方形连线）偏离于NCEP南侧1.29°。去除偏南最大的3个模式giss_er，ipsl_cm4和ukmo_hadcm3，剩下20个模式合成的脊线位置（见图4b三角形连线）平均误差是0.52°，脊线位置及走向与NCEP最接近（对比图4b三角形连线与菱形连线）。如将另两个偏南的模式miroc3_2_hires和miroc3_2_medres也去除，剩余模式合成的脊线位置（见图4b×连线）与NCEP平均相差0.47°，虽有改进，但效果不明显。因此，对于西太平洋副热带高压脊线的模拟，至少剔除giss_er、ipsl_cm4和ukmo_hadcm3这3个模式。而前两个模式也是在热带环流场评估中要剔除的模式。

4.2.2 西北太平洋副热带高压强度及面积的模拟性能

用10°～40°N，120°E～180°7—9月平均584线所围区域内平均格点位势高度及格点数分别描述西北太平洋副热带高压强度和面积。NCEP的西北太平洋副高强度为5 865位势米、面积为427个格点。由表3可见，模式ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a，由于西北太平洋地区500 hPa位势高度系统性偏低于NCEP太大，以至于没有出现584位势什米等值线。剩下21个模式中，有13个模式的副高强度弱于NCEP，偏弱最大的模式是inmcm3_0为-25位势米；有8个模式的副高强度强于NCEP，偏强最大的模式是ingv_ echam4为55位势米。有15个模式的副高面积小于NCEP，而且偏小300格点以上的模式有4个，以inmcm3_0偏少417格点为最；在副高面积偏大的6个模式中，最大的是ingv_echam4为64个格点。

表3 IPCC－AR4 23个模式1948—1999年7—9月平均西北太平洋副高强度和面积（NCEP的强度及面积分别为5 865位势米，427格点）及其与NCEP差值。西北太平洋热带气旋活动海域（10°～26°N，110°～170°E）7—9月垂直风切变的空间相似系数

将所有模式集成后的平均副高强度为5 873位势米，面积平均为280格点。与NCEP相比，副高强度强8位势米，但副高面积偏小147格点。将ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a剔除，剩余21个模式集成后的平均副高强度为5873位势米，面积平均为307格点；把副高面积偏小最大的模式inmcm3_0从集成中剔除，得到副高强度为5 873位势米，面积为322格点；再将副高面积偏小超350格点的模式bccr_cm2和giss_eh剔除，得到集成后的副高强度为5 874位势米，副高面积为351格点。可见，从气候平均西北太平洋副高强度和面积的角度，剔除ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、inmcm3_05、bccr_cm2和giss_eh 5个模式是比较合适的。

图5 NCEP和IPCC-AR4 23个模式每个模式（a）及模式集成（b）在0°～25°N、120°～150°E每间隔2经度对应的1948—1999年7—9月850 hPa平均纬向风速为零的连线（季风槽气候位置）

5 季风槽模拟性能对比

基于前人的很多研究［5—8］，本文以1948—1999年7—9月的0°～25°N，120°～150°E区域、850 hPa高度场上纬向风速为零的连线作为西北太平洋季风槽的气候位置。图5a是NCEP和19个IPCC-AR4模式的西北太平洋季风槽线，4个模式giss_eh、miroc3_ 2_hires、miroc3_2_medres和ukmo_hadcm3没有模拟出季风槽。从图5a可见，NCEP季风槽线呈西北-东南走向，绝大数模式模拟的季风槽线走向与NCEP的一致，除了ncar_pcm1在120°～130°E为西南—东北走向，130°～150°E近似东—西走向外。模式模拟的季风槽西段有些在NCEP的南侧，多数在NCEP的北侧，而模式模拟的季风槽东段都位于NCEP的北侧。有6个模式（iap_fgoals1_0_g、bccr_cm2、giss_ aom、giss_er、gfdl_cm2_0和ingv_echam4）的季风槽较短，只出现在西段，约在120°～130°E或120°～142°E之间，特别是模式iap_fgoals1_0_g，季风槽只从120°E向东南伸展到124°E。图5b分别给出了几种不同模式集成得到的季风槽气候位置，如前所述，因为大多数模式模拟的季风槽位置偏北，这几种不同模式集成得到的季风槽气候位置依然偏向于NCEP的北侧，但偏离程度以及向东伸展的程度不同。23个模式集成后的季风槽位置偏西，最东端只伸展到146°E（正方形连线）。剔除4个无季风槽模式，19个模式集成得到的季风槽位置比23个模式集成的偏北，其东伸点伸到148°E以东（三角形连线）。同时将季风槽偏西的6个模式剔除，剩下的13个模式集成，显示季风槽位置相对于NCEP偏北更加显著，其最东点伸到了157°E（×连线，图中只画到150°E）。如果剔除4个无季风槽模式，同时将季风槽位置最偏北的两个模式（ncar_ pcm1和ukmo_hadgem1）也剔除，剩余17个模式集成得到的季风槽位置与NCEP最接近，其东端正好伸到150°E（·连线）。在挑选模式时，从对季风槽的模拟性能角度应当剔除giss_eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_ medres、ukmo_hadcm3、ukmo_hadgem1和ncar_pcm1 6个模式。

6 热带气旋活动区域垂直风切变的模拟性能对比

垂直风切变综合反映对流层高层和低层环流特征的影响。下面的分析集中于西北太平洋TC主要活动海域（10°～26°N，110°～170°E）以及TC活跃季节（7—9月）的垂直风切变。由表3可见，空间相似系数最大的模式是cccma_t63为0.922。有4个模式与NCEP的空间相似系数为负值，它们是miroc3_2_medres（-0.344）、miroc3_2_hires（-0.114）、giss_er（-0.079）和iap_fgoals1_0_g（-0.064），还有2个模式的相似系数为小的正值，它们是giss_aom（0.086）和bccr_bcm2（0.09）。这些空间相似系数为负或较小正值的模式与NCEP的均方根误差也较大，在5.0 m／s以上，但均方根误差最大的模式是ncar_pcm1为9.26 m／s。NCEP整个场的气候平均值为8.2 m／s。有18个模式的垂直风切变系统性大于NCEP，有5个模式系统性小于NCEP。将所有模式集成后的垂直风切变与NCEP的空间相似系数为0.855，均方根误差为2.33 m／s。将空间相似系数为负的4个模式剔除，剩余模式集成与NCEP的空间相似系数为0.88，均方根误差为2.29 m／s。再将空间相似系数较小正值的两个剔除，剩余模式与NCEP的空间相似系数为0.889，均方根误差为2.38 m／s。可见，垂直风切变因涉及风矢量的问题，在考虑模式集成时，可以不考虑。如果要剔除的话，可以剔除4个模式miroc3 _2_medres、miroc3_2_hires、giss_er和iap_fgoals1_ 0_g，剩下19个模式集成也是合适的。

7 小结与讨论

本文基于影响热带气旋活动的大尺度环流场，对IPCC-AR4 23个模式模拟的与西北太平洋TC活动关系密切的大尺度环流系统_副热带高压和季风槽以及环境垂直风切变等的气候场与NCEP进行了对比，得到如下结论，

（1）北半球低纬地区（0°～40°N）7—9月模拟的500 hPa高度场与NCEP对比显示，大多数模式的高度场系统性偏低于NCEP。综合空间相似系数和均方根误差的大小，模拟性能较好的前10个模式依次是cccma_t47、cnrm_cm3、cccma_t63、mpi_echam5、miroc3_2_hires、gfdl_cm2_1、bccr_cm2、ukmo_hadgem1、ncar_pcm1和ukmo_hadcm3。模拟性能排在倒数3位的依次是giss_er、giss_eh和ipsl_cm4。

（2）20°S～40°N 850 hPa 7—9月1948—1999的全风速，大多数模式系统性偏高于NCEP，模式模拟的纬向风速的偏东气流系统性强于NCEP。综合气候场空间相似系数和均方根误差的大小，模拟性能较好的前10个模式依次是mpi_echam5、ingv_echam4、gfdl_cm2_0、csiro_mk3_5、gfdl_cm2_1、cccma_t63、cccma_t47、mri_cgcm2_3_2a、cnrm_cm3和ukmo_ hadcm3）。模拟性能差的模式是miroc3_2_medres、giss_eh、ncar_pcm1、iap_fgoals1_0_g、inmcm3_0、giss_ er、ipsl_cm4和giss_aom。

（3）模式模拟的西北太平洋副热带高压脊线的走向都与NCEP的一致，即东北—西南向；脊线偏北的模式有9个，偏南的有14个，5个模式的脊线位置与NCEP的靠近。根据脊线走向及位置与NCEP的接近程度，模拟性能较好的前10个模式依次是cccma_ t63、ukmo_hadgem1、gfdl_cm2_1、gfdl_cm2_0、mpi_ echam5、bccr_cm2、giss_aom、csiro_mk3_5、ncar_ccsm3 _0和cccma_t47。模拟性能差的模式是giss_er、ipsl_ cm4、ukmo_hadcm3、inmcm3_0、csiro_mk3_0和ncar_ pcm1。集成时至少剔除的模式是giss_er，ipsl_cm4和ukmo_hadcm3。

（4）模式ipsl_cm4和mri_cgcm2_3_2a，由于西北太平洋地区500hPa位势高度系统性偏低于NCEP太多，没有出现584位势什米等值线。21个模式中，有13个模式的副高强度弱于NCEP，8个模式强于NCEP。与NCEP相比，模式模拟的西北太平洋副热带高压强度及面积指数较好的前10个模式依次是mpi_echam5、cnrm_cm3、giss_aom、cccma_t63、cccma_ t47、miroc3_2_hires、ukmo_hadcm3、iap_fgoals1_0_g、giss_er和ncar_pcm1。挑选模式时应踢除ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、inmcm3_05、bccr_cm2和giss_eh 5个模式。

（5）4个模式没有模拟出季风槽，它们是giss_eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_medres和ukmo_hadcm3。与NCEP季风槽位置较接近的前10个模式依次是ncar_ccsm3_0、gfdl_cm2_1、ipsl_cm4、mri_cgcm2_3_2a、cccma_t63、cnrm_cm3、mpi_echam5、csiro_mk3_5、csiro _mk3_0和inmcm3_0。集成时应剔除的模式是giss_ eh、miroc3_2_hires、miroc3_2_medres、ukmo_hadcm3、ukmo_hadgem1和ncar_pcm1。

（6）模式对西北太平洋热带气旋活动关键海域（10°～26°N，110°～170°E）、TC活跃季节（7—9月）垂直风切变的模拟表现为，19个模式模拟的垂直风切变偏大于NCEP，4个模式偏小于NCEP。前10个模拟性能好的模式依次是ingv_echam4、cccma_t63、ukmo_hadgem1、mpi_echam5、gfdl_cm2_1、mri_cgcm2_3_ 2a、cccma_t47、cnrm_cm3、csiro_mk3_5和；ncar_ccsm3 _0。模拟性能较差的6个模式依次是miroc3_2_ hires、miroc3_2_medres、giss_er、giss_aom、iap_fgoals1_ 0_g和ncar_pcm1。

将模式在上述6个方面的得分进行等权重平均，按分数从高到低（模拟性能从高到低），模式的排序依次是：mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_ 0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a、gfdl_cm2_0、csiro_ mk3_0、giss_aom、bccr_cm2、miroc3_2_hires、ukmo_ hadcm3、ncar_pcm1、inmcm3_0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_ cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er。从模式的模拟性能可以看到，分辨率的影响很明显，如最后的两个模式是美国国家宇航局（NASA）戈德空间研究所（GISS）提供，大气模式水平分辨率都为4°lat×5°lon，是所有模式中最大的，两者海洋模式的分辨率稍有差别，giss-eh用的是HYCOM 2×2×L16，giss-er用的是Russell 4×5×L13，giss-er的模拟性能比giss-eh差，说明海洋模式分辨率也会影响到大气物理量的模拟结果。miroc3_2_medres是日本东京大学气候系统研究中心及国家环境研究所提供，分辨率为T42L20，该机构同时提供了高分辨率（T106L56）模式miroc3_ 2_hires等。表明，在模式其他条件都大体相同的情况下，高分辨率模式的模拟性能好于低分辨率模式。不同机构提供的模式模拟性能的差异涉及很多因素，如各种物理过程的参数化方案，有待于今后深入探讨。

本文使我们对IPCC-AR4 23个模式在西北太平洋影响热带气旋活动的夏季大气环流场模拟性能有初步了解。对用这些模式做有关研究时，该选择哪些模式集成，该选何种模式，有所帮助。单独使用时，应选用模拟性能在前10的模式；模式集成时，可以考虑剔除模拟性能排在后6的模式，否则对集成效果会产生较大的影响。目前，海-气耦合模式对类似于副热带高压、季风槽低纬地区重要的环流系统以及影响TC活动的垂直风切变的模拟性能对比只能在气候场这个层次上，没有达到像SST时间变化的评估层次上。此外，我们发现，模式对全球大气环流模拟的水平很大一部分取决于模式对太平洋地区的模拟性能，这可能与缺乏对太平洋地区复杂的海-气相互作用，东亚地区复杂的陆气相互作用的理解有关。

本文仅通过对比影响西北太平洋TC活动的主要大尺度动力环境因素与NCEP环流场来评估IPCC -AR4模式性能，剔除性能差的模式。从TC活动情景预估的角度，这么做也许还不够，今后进一步将挑选模式的大尺度环境场强迫区域中尺度模式，通过一定的热带气旋识别技术，诊断TC活动，与NCEP环境场强迫得到的TC活动特征相对照。从多方面着手，找出适合西北太平洋热带气旋活动情景预估研究的IPCC-AR4模式。

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Abstruct：The fidelity of atmospheric circulation over tropical regions，especially subtropical high，monsoon trough and vertical wind shear over the regions of tropical cyclone activity in the coupled general circulation models（CGCM）participating in the Forth Assessment Report（AR4）of Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）is accessed by virtue of comparing simulated climate field with that of National Center Environmental Prediction（NCEP）／National Center Atmospheric Research（NCAR）during 1948—1999 from July to September.It is found that vast majority of 23 IPCC-AR4 models show a good performance in mean state in 500 hPa height field over the domain 0°—40°N，0°E—180°—0°W and 850 hPa wind field over the region 20°S—40°N，0°E—180°—0°W—180°—0°W，but in comparison to that of NCEP／NCAR，most of models show a low bias in 500 hPa height and a strong bias in 850 hPa wind flow.The subtropical high ridge over the western North Pacific of all models is in NE-SW orientation which is similar to that of NCEP／NCAR，but some of models'ridge locates to far away from the latter.Monsoon troughs of four models are absent from 850 hPa flow and six of monsoon troughs in models occur to the west of 140°E.According to the performance of simulation in spatial structure of atmospheric circulation over tropical area，subtropical high ridge，monsoon trough in the western North Pacific and vertical wind shear in active regions of tropical cyclone over western North Pacific in summer（from July to September），the first ten excellent models are successively mpi_echam5、cccma_t63、gfdl_cm2_1、cnrm_cm3、cccma_t47、ukmo_hadgem1、ingv_echam4、ncar_ccsm3_0、csiro_mk3_5、mri_cgcm2_3_2a and the last six models are successively inmcm3_ 0、iap_fgoals1_0_g、ipsl_cm4、miroc3_2_medres、giss_eh、giss_er.

Assessments on climatologic simulation of atmospheric dynamic environment of tropical cyclone over western North Pacific in IPCC－AR4 models

Yu Jinhua1，Zhao Xiaotong1，Chen Cheng1

（1.Key Loboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China）

IPCC-AR4 models；western North Pacific tropical cyclone；dynamic environment；simulation assessment

P732.4

A

0253-4193（2014）03-0061-12

2012-09-12；

2013-07-22。

国家自然科学基金（41375098）；国际科技合作项目（2010DFA24650）；公益性行业（气象）科研专项（GYHY200806009）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。

余锦华（1964—），女，安徽省黟县人，教授，博士，主要从事热带气旋、气候变化等方面的研究。E-mail：jhyu＠nuist.edu.cn

余锦华，赵晓彤，陈成.论IPCC-AR4模式对影响西北太平洋热带气旋的大气动力环境场的气候特征模拟性能［J］.海洋学报，2014，36（3）：61—72，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.007

Yu Jinhua，Zhao Xiaotong，Chen Cheng.Assessments on climatologic simulation of atmospheric dynamic environment of tropical cyclone over western North Pacific in IPCC-AR4 models［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：61—72，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.007