近日，气候与应用前沿研究院（ICAR）罗京佳教授团队在《National Science Review》(IF: 16.693)上发表题为“Over-projected Pacific warming and extreme El Niño frequency due to CMIP5 common biases”的研究论文。该研究表明，目前流行的关于极端厄尔尼诺发生频率在全球变暖背景下将加倍这一结论，没有考虑到CMIP5模式的系统性偏差对未来预估的影响。该研究以过去110年（1901-2010）中的实际数据为参照，分析了模式中的13种系统性偏差，并由此修正了模式对于未来变化的预估，结果发现：全球变暖背景下极端厄尔尼诺频率变化被显著高估，基于订正后的气候态变化，极端厄尔尼诺频率将几乎不变。
文章发表后，国际最负盛名的物理海洋学家之一Toshio Yamagata教授专门为该文撰写评论（Reducing model biases is essential to projecting future climate variability，https://doi.org/10.1093/nsr/nwab080）。评论认为，该文“首次明确指出CMIP5模式的多种偏差对预估热带太平洋海表温度及厄尔尼诺变化的严重净影响”。
此前有研究认为，在全球变暖情况下，极端厄尔尼诺的发生频率将加倍。在这里，“极端厄尔尼诺”是基于对流定义的，其详细定义为：北半球冬季Niño3区域对流层中上层（500~0hPa）平均的垂直速度为正。如何检验这一预估是否可靠、有无偏差呢？可以用同样的模式对过去进行分析，如果分析结果与历史数据不符，就说明模式不够准确、存在偏差。
事实上，与过去110年中的实际情况相比，所有CMIP5模式所模拟得到的赤道太平洋东风趋势都偏弱甚至相反。并且在模式中，如果模拟的赤道太平洋东风趋势越弱，预估的将来极端厄尔尼诺频率的增加就越高（图1a），这意味着，这些模式都高估了极端厄尔尼诺的频率。如果按照实际信风趋势情况对模式结果进行校正，可以发现，未来的极端厄尔尼诺频率将不变，甚至减少。这说明，模式偏差对未来极端厄尔尼诺频率变化预估的影响不可忽略。
决定极端厄尔尼诺频率的主要因素是是太平洋东-西向海温梯度。具体而言，太平洋东-西向海温梯度决定着Niño3 区域的对流气候态，而对流气候态又是极端厄尔尼诺频率的主要贡献者（图1b）。因此，校正模式系统误差，从而对太平洋东-西向海温梯度的变化进行更好的预估，就可以更准确地预估未来极端厄尔尼诺频率的变化。
CMIP5模式存在多种系统性偏差，该研究从中选取了13种，并分析了它们对热带海温梯度变化模拟结果的影响。按照物理机制，这13种系统性偏差可以分为5类：1）热带太平洋Bjerknes反馈和 “恒温器”效应，2）热带三大洋相互作用，3）海温气候态，4）ENSO海气反馈过程，5）ENSO正负位相的不对称性（偏度）。
利用“集现约束（emergent constraint）”方法，研究者分别计算了13种系统性偏差对热带太平洋东-西向海温梯度变化的影响。将它们的影响相加，并利用多元线性回归方法剔除不同偏差之间的重复影响，结果发现，全球平均海温每增暖1℃，热带太平洋东-西向海温梯度变化会被高估约0.52℃（图2）。对上述模式系统性偏差进行订正后，海温增暖的最大值中心从原先预估的热带东太平洋转移到热带西太平洋，同时，热带太平洋信风将明显增强，而热带东太平洋区域对流和降水将减弱（图3）。
如图4所示，基于订正后的气候态变化，极端厄尔尼诺频率将几乎不变。可见，模式偏差对极端厄尔尼诺频率变化的预估有重要影响，甚至可以改变极端厄尔尼诺频率变化的增减符号。因此，努力提高模式的模拟性能，减少系统性偏差，是准确预估热带太平洋气候变化以及极端厄尔尼诺事件频率变化的前提。
该研究得到了国家自然科学基金（42088101、42030605）和国家重点研发计划（2017YFA0603803）的支持。南京信息工程大学博士研究生唐韬为该论文共同第一作者，南京信息工程大学大气院气候与应用前沿研究院罗京佳教授为共同一作及通讯作者，合作作者包括彭珂博士、祁莉教授及唐绍磊博士。
图1 未来极端厄尔尼诺频率的变化与（a）过去110年赤道太平洋东风趋势和（b）Niño3区域对流平均态变化之间的线性关系；(c) 未来Niño3区域对流平均态变化与热带太平洋东-西海温梯度变化之间的线性关系
图2模式13个系统性偏差对东-西海温梯度变化的影响
图3订正模式偏差影响后，热带太平洋气候态的变化（a）海温，（b）对流（omega，向上为负）, (c)降水
图4厄尔尼诺频率变化
全文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab056