研究团队揭示CMIP6模式中ENSO冬季南海海温模拟偏冷的偏差来源

近日，中国科学院南海海洋研究所中国-斯里兰卡热带海洋环境“一带一路”联合实验室（CSTO）与热带海洋环境实验室（LTO）研究团队在第六次耦合模式比较计划（CMIP6）气候模式对ENSO影响下南海海表温度（SST）变化的模拟偏差及其动力机制研究方面取得新进展。相关成果以“Origins of Cold Sea Surface Temperature Biases in the South China Sea During ENSO Winters in CMIP6 Models”为题，发表于国际期刊Journal of Climate。博士研究生张茜娅为论文第一作者，研究员徐康为通讯作者，合作作者包括英国埃克塞特大学教授Matthew Collins、CSTO研究员王卫强、研究员张磊和副研究员陈梦燕。

南海是连接热带太平洋与印度洋的重要边缘海，其海温变化不仅受到区域海气相互作用的影响，也对ENSO等大尺度气候模态具有显著响应。观测表明，南海SST异常对ENSO的响应存在显著的季节演变特征，呈现典型的“双峰”型增暖结构：第一次增暖出现在El Niño成熟期冬季，主要与热带太平洋异常Walker环流及其引起的南海上空大气环流变化有关；第二次增暖则出现于次年夏季，主要受到印度洋“电容器效应”及其诱发的西北太平洋反气旋影响。已有研究对观测中这两个增暖阶段的物理机制开展了较为系统的分析与诊断，但气候模式能否准确再现南海SST对ENSO的季节性响应，以及不同模式之间为何存在显著差异，仍缺乏深入认识。

基于CMIP6中24个模式的历史模拟数据，研究团队系统评估了ENSO影响下南海SST的季节演变特征。结果表明，尽管大多数CMIP6模式能够较好地模拟ENSO次年夏季南海的第二次增暖，但普遍低估了ENSO冬季南海第一次增暖的幅度。进一步分析发现，冬季南海增暖偏弱的直接原因，是模式对前期秋季南海SST增暖过程的模拟不足，而这一偏差又可追溯至热带太平洋“冷舌”偏差，即模式模拟的热带中-东太平洋气候态SST系统性偏低。

热带太平洋“冷舌”偏差改变了赤道太平洋的气候态纬向SST梯度和相应的大气海洋环流场，并通过与ENSO相关的异常风场和SST梯度相互作用，增强了赤道中东太平洋暖水的纬向平流过程（图1a、b）。两个纬向平流过程相互协同，使暖水在赤道西太平洋堆积，并促使ENSO相关的暖SST异常向西扩展（图1c，红色过程）。由此产生的赤道西太平洋暖海温异常进一步通过Gill响应影响其西北侧的大气环流，在西北太平洋-南海区域形成低层气旋性环流偏差，导致模式模拟的南海反气旋位置明显偏西（图1c，绿色过程）。

南海反气旋位置偏西进一步改变了局地秋季的海气热量交换过程。一方面，气旋性环流偏差伴随上升运动增强，使云量增加、到达海面的短波辐射减少，从而削弱太阳辐射对海表的加热作用；另一方面，异常气旋式环流增强Ekman抽吸和垂向混合，使混合层下方的冷水向上输送；同时，异常风场与气候态东北季风叠加，增强海表风速和潜热通量损失。短波辐射减弱、垂向混合增强和潜热损失增加三个过程共同抑制了南海秋季热量积累（图1c，蓝色过程），最终导致CMIP6模式在ENSO冬季模拟出明显的南海SST冷偏差。

该研究从气候态海温模拟偏差这一视角出发，揭示了CMIP6模式中ENSO冬季南海海温模拟偏冷的重要来源，建立了从热带太平洋气候态“冷舌”偏差到南海局地海温模拟偏差的完整动力联系，即太平洋气候态冷舌偏差增强赤道暖水向西输运和ENSO暖SST异常西伸，进而导致南海反气旋位置偏西，并通过改变南海秋季海气热量收支抑制海温增暖，最终形成冬季SST冷偏差。研究表明，CMIP6模式对ENSO-南海遥相关的模拟能力不仅取决于ENSO本身的模拟，还受到热带太平洋气候态海温及赤道海洋环流模拟偏差的显著影响。因此，改进热带太平洋，尤其是中东太平洋气候态SST及相关纬向平流反馈过程的模拟，是降低ENSO-南海遥相关偏差、提高南海区域气候预测和未来气候预估可信度的重要途径。

该研究由国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目和国家留学基金委奖学金等项目共同资助完成。

https://doi.org/10.1175/JCLI-D-25-0508.1