Long-term climate simulation in NorESM: burst-coupling the sediment in the BLOM/iHAMOCC ocean module
在这份报告中，我们提出了一个长期模拟的NorESM，挪威地球系统模型的模拟方法。在这个过程中，沉积物被反复解耦和耦合到海洋模式（BLOM/iHAMOCC），一个过程称为突发耦合。通过这样，海洋（海水和沉积物）进入近似恒定状态。我们表明，只是该模型必须运行至少50000年，以获得一个近似的恒定状态。利用爆发耦合，这可以在计算上合理的时间内完成（壁时间大约为一周）。该方法可用于生成数十万年的沉积物，因此它不仅适用于现代模拟，而且适用于古气候学研究。
2022-11-25 physics.ao-ph
Substantial Risk of 21st Century AMOC Tipping even under Moderate Climate Change
本研究重新评估了AMOC崩溃的临界全球变暖水平，发现即使在中等气候变化情景下，AMOC在21世纪内也有超过50%的可能性发生临界转变，且其崩溃将对社会产生严重影响。
2024-07-29 physics.ao-ph
Paleoclimate Boundary Conditions as an Out-of-Sample Test for the Forced Response of Ocean Climate Emulators
Courant Institute School of Mathematics, Computing, and Data Science, New York University（纽约大学库朗数学科学研究所）
本研究以midHolocene实验数据测试海洋气候模拟器，发现其可泛化到新轨道强迫但低估振幅，无法重现海洋内部内部驱动演化，确立midHolocene为诊断模拟器强迫响应失败的场景。
2026-08-14 physics.ao-ph
Weather Jiu-Jitsu: Climate Adaptation for the 21st Century
本文提出名为“Weather Jiu-Jitsu”的新型气候适应策略，利用天气系统混沌动力学，通过精确计时的小能量干预重定向或耗散极端气候事件的破坏性轨迹，结合自适应混沌控制与改进的观测预测，构建自然辅助的全球基础设施以限制21世纪气候极端的影响。
2025-08-12 physics.ao-ph
Ice Melt, Sea Level Rise and Superstorms: Evidence from Paleoclimate Data, Climate Modeling, and Modern Observations that 2°C Global Warming is Dangerous
我们使用数值气候模拟，古气候数据和现代观测来研究南极洲和格陵兰岛的冰融化的影响。融水趋于稳定海柱，诱导放大反馈，增加地下海洋变暖和冰架融化。寒冷的融水和引发的动力学效应导致南大洋和北大西洋的海洋表面冷却，从而增加了地球的能量不平衡和进入全球大部分海洋表面的热通量。南大洋表面变冷，而低纬度地区变暖，增加了南大洋的降水，增加了海洋层化，减缓了深水形成，增加了冰盖质量损失。这些反馈使与海洋接触的冰盖容易加速解体。我们假设，冰质量损失从最脆弱的冰，足以提高海平面数米，是更好地近似为指数比一个更线性的响应。10年、20年或40年翻一番，海平面将在大约50年、100年或200年内上升数米。最近的冰融化加倍时间接近10-40年范围的低端，但记录太短，无法确认反应的性质。包括次表层海洋变暖在内的反馈有助于解释古气候数据，并指出南大洋在控制大气二氧化碳方面的主导作用，这反过来又严格控制了全球温度和海平面。深海通风的千年（500-2000年）时间尺度影响了自然CO2变化的时间尺度，从而影响了古全球气候、冰盖和海平面变化的时间尺度，但这一古千年时间尺度不应被误解为冰盖对快速大人为气候强迫的响应时间尺度。
2016-02-03 physics.ao-ph
Transfer Learning for Emulating Ocean Climate Variability across $CO_2$ forcing
本文利用迁移学习与微调策略，使ConvNext和Transformer模拟器能在CO_2强迫变化下对全球海洋表层场进行5-8年高技巧模拟，并证明少量目标分布数据即可实现向变暖气候的泛化。
2024-08-02 physics.ao-ph
Using the Twentieth Century Reanalysis to assess climate variability for the European wind industry
我们使用20世纪再分析（20 CR）的142年的数据，对欧洲近地表风速的长期变化进行了分析，并考虑了这种长期基线气候数据集在风能应用中的潜力。20 CR的低分辨率将严重限制其单独用于风电场现场筛选。因此，我们执行一个简单的统计校准，将其链接到更高分辨率的ERA-Interim数据集（ERAI），这样调整后的20 CR数据在每个位置具有相同的风速分布ERAI在其共同的时期。使用这个校正的20 CR数据集，风速和变化的特点是长期平均值，标准差，和相应的趋势。许多感兴趣的区域在世纪时间尺度上显示出非常弱的趋势，但包含很大的几十年变化。由于再分析，如ERAI经常被用来提供背景气候风电场现场评估，但只包含几十年的数据，我们的结果可以被用来作为一种方式，将十年尺度的风气候变化到这样的研究，允许风电场的投资风险降低。
2015-08-24 physics.ao-ph
Intrinsic oceanic decadal variability of upper-ocean heat content
大气和海洋通过海气相互作用耦合。大气条件为海洋环流及其变化提供了燃料，但海洋过程在十年时间尺度上对大气的影响程度仍不清楚。特别是，这种低频变率很难从短期观测记录中提取，这意味着气候模式是解决这一问题的主要工具。在这里，我们评估如何海洋的内在变化导致模式的上层海洋热含量，在十年的时间尺度变化。这些模式有可能反馈到大气层，从而影响气候变化模式，如厄尔尼诺或太平洋年代际振荡。我们使用的输出从全球海洋-海冰环流模式在三个不同的水平分辨率，每个驱动相同的大气再分析。为了解开海洋对大气强迫的直接响应的变化性，由于内在的海洋动力学的变化性，我们比较了年际变化强迫（1958-2018年）驱动的模型运行和重复年强迫驱动的模型运行。依赖于涡旋参数化的粗分辨率模型显示：（i）在十年时间尺度上，上层海洋热含量的方差显著降低;（ii）与高分辨率模型相比，低频变率的空间格局存在差异。气候预测通常使用具有粗分辨率海洋分量的大气环流模型进行。因此，这些偏差影响了我们预测十年气候变率模式的能力，反过来又阻碍了气候预测。我们的研究结果表明，为了改善气候预测，社会应该走向耦合气候模式更高的海洋分辨率。
2021-06-13 physics.ao-ph physics.geo-ph
Earth's Energy Imbalance and Implications
对海洋热含量观测的改进表明，即使在最近的太阳活动极小期，地球从太阳吸收的能量也比以热量形式辐射到太空的能量要多。2005-2010年6年间，推断出的行星能量不平衡为0.59 \pm 0.15 W/m2，证实了人为温室效应在推动全球气候变化方面的主导作用。观测到的地面温度变化和海洋增热共同制约净气候强迫和海洋混合率。我们的结论是，大多数气候模式过于有效地将热量混合到深海中，因此低估了人为气溶胶的负强迫。气溶胶气候强迫今天推断为1.6 \pm 0.3 W/m2，这意味着大量的气溶胶间接气候强迫通过云的变化。继续未能量化这一巨大强迫的具体来源是站不住脚的，因为需要了解气溶胶影响的变化来了解未来的气候变化。我们的结论是，最近海洋热量吸收的放缓是由皮纳图博山气溶胶和深延长太阳极小期的延迟反弹效应造成的。在阿尔戈浮标时代观测到的海平面上升很容易被解释为冰融化和海洋热膨胀，但冰融化的优势使我们预计海平面上升的速度在这十年加速。
2011-09-02 physics.ao-ph
A Framework for Hybrid Physics-AI Coupled Ocean Models
本文提出一个灵活框架，在气候模型中开发物理与尺度感知的机器学习参数化方案，涵盖海洋与海冰组件，展示AI参数化在业务模型中的可行性，并推进混合模拟能力。
2025-10-26 physics.ao-ph
Global Climate network evolves with North Atlantic Oscillation phases: Coupling to Southern Pacific Ocean
我们使用1948-2010年的再分析数据，从全球不同地理位置的表层大气温度的气候记录构建了一个网络。我们发现，网络与北大西洋涛动（NAO），无论是在本地北大西洋，并通过耦合到南太平洋。这些区域之间存在着远程连接，而且随着时间的推移保持稳定，这使我们能够对这一现象提出一个可能的物理解释。
2013-09-07 physics.ao-ph physics.geo-ph
Samudra: An AI Global Ocean Emulator for Climate
New York University（纽约大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
本文提出全球海洋AI仿真器Samudra，基于改进ConvNeXt UNet模拟全深度关键海洋变量，实现数百年稳定运行且比原模型快150倍，但在准确捕捉强迫趋势量级方面仍需改进。
2025-05-31 cs.LG physics.ao-ph
The Effect of Ocean Salinity on Climate and Its Implications for Earth's Habitability
大气成分对现今和早期地球气候的影响已经得到了广泛的研究，但海洋成分的作用受到的关注较少。我们使用ROCKE-3D海洋大气环流模式来研究地球现今和太古代气候系统对低盐度和高盐度的响应。我们发现，更咸的海洋产生更温暖的气候，在很大程度上是由于海洋动力学的变化。海洋盐度从20克/千克增加到50克/千克，导致我们今天地球上的海冰覆盖面积减少71%。同样的盐度变化也使pCO $_2$阈值减半，在该阈值下，在我们的太古代情景中发生雪球冰川作用。结合更高水平的温室气体，如CO $_2$和CH $_4$，一个更咸的海洋可能允许一个温暖的太古宙地球，尽管从太阳接收的能量减少了20%，但两极只有季节性冰。
2022-05-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Uncertainties in the attribution of greenhouse gas warming and implications for climate prediction
利用最佳探测技术和气候模式模拟，在二十世纪下半叶观测到的近地面温度的增加大多归因于人类活动的影响。然而，人为影响的个人因素，如温室气体和气溶胶的分割，是不太稳健。在如何应用强迫因子、强迫因子的辐射影响和模式的气候敏感性方面的差异，对响应模式产生了重大影响。我们发现标准的最佳检测方法不能完全调和这种响应的多样性。通过选择一组实验来诊断温室气体以及其他人为和自然因素的综合影响，我们发现在大量的模型集合中可以检测到混合良好的温室气体。在20世纪观测到的0.65 K/世纪的变暖中，我们发现，使用多模式平均值，不包括模式的不确定性，一个混合良好的温室气体变暖0.87至1.22 K/世纪。这部分被其他人为和自然影响的-0.54至-0.22K/世纪的冷却所抵消。虽然比最近的研究更好地约束，但气候模式的归因趋势仍然很广泛，对瞬态气候响应的观测约束估计有影响。今后可通过以下办法减少某些不确定性：获得更多的模型数据，以便更好地量化信号和自然变异的模拟估计数;更有效地设计模型实验，更好地量化气候模式辐射影响。最重要的是，如何将模型模式的不确定性纳入最佳检测方法应加以改进。
2016-06-16 physics.ao-ph
Ocean Wind Wave Climate Responses to Wintertime North Atlantic Atmospheric Transient Eddies and Low Frequency Flow
研究了1980 - 2016年北大西洋冬季大气瞬变涡旋和低频流对海洋表面波气候的贡献。我们进行了一组数值模拟与一个国家的最先进的谱波模式Wavewatch III强迫分解风场来自ERA-Interim再分析（0.7°水平分辨率）。天气尺度过程（2-10天的带通风）被认为对沿北美和格陵兰岛西部海岸的中纬度北大西洋西部的风浪的形成有最大的影响。北大西洋东部被认为是由低频强迫（>10天带通风）的组合贡献高达60%，天气过程贡献高达30%的平均波高的影响。中纬度风暴路径的变化被发现有一个直接的关系，波高变化的东部和西部边缘的北大西洋，特别是意味着在北美东海岸的气旋形成和波高异常之间的关联。利用波浪分析定义的波高状态的变化反映在其分布的出现异常中。结果突出的主导作用，在中纬度北大西洋东部的海洋表面波气候学的瞬变涡旋本地和通过关联与气旋形成在西部的盆地。这些结论提出和讨论，特别是在长期的风暴路径的变化，预计作为一个可能的应对气候变暖在未来的世纪。
2018-09-07 physics.ao-ph
Natural sinks and sources of CO2 and CH4 in the atmosphere of Russian regions and their contribution to climate change in the 21st century as calculated with CMIP6 model ensemble
基于CMIP6模式集合，研究俄罗斯21世纪自然CO2和CH4通量变化，发现模式差异大，CO2通量从-2.5到2.5 GtC/年，甲烷排放增长可达300%，自然CH4排放加速增温0.03-0.09 K。
2023-12-28 physics.ao-ph
Probability-weighted ensembles of U.S. county-level climate projections for climate risk analysis
气候变化风险的定量评价需要一种方法来构建物理气候参数变化的概率时间序列。在这里，我们开发了两个这样的方法，代理/模型混合Entrance（SMME）和蒙特卡洛模式/残差（MCPR），并将它们应用于构建联合概率密度函数（PDF）的温度和降水变化在21世纪的每个县在美国。这两种方法产生的$likely$（67%的概率）温度和降水预测符合政府间气候变化小组的解释等权重耦合模式相互比较项目5（CMIP 5）合奏，但也提供完整的PDF，包括尾部估计。例如，这两种方法都表明，在代表性浓度途径（RCP）8.5下，邻近的美国有5%的机会至少升温8 $^\circ$ C。SMME和MCPR预测的方差分解表明，背景变异在21世纪初占主导地位的不确定性，而强迫驱动的变化出现在21世纪下半叶。通过使用线性回归将CMIP 5预测分离为非强迫和强迫分量，这些方法从现有CMIP 5预测生成非强迫变异性的估计，而不需要计算昂贵地使用单个GCM的多个实现。
2015-10-05 physics.ao-ph
Sensitivity of the ECMWF seasonal forecast model to CO2 and anthropogenic aerosol forcings: Experimental design and impact on climate trends
ECMWF（欧洲中期天气预报中心）；Department of Meteorology and Geophysics, University of Vienna（维也纳大学气象与地球物理系）；NCAS, University of Oxford, Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics（牛津大学大气、海洋和行星物理国家环境科学研究中心）
该研究利用ECMWF耦合季节预报系统开展反事实后报实验，探究模式对CO₂和人为气溶胶强迫的敏感性，发现反事实后报可改变长期温度趋势，为动态归因和诊断模式缺陷提供了有力工具。
2026-08-20 physics.ao-ph
Contributions of greenhouse gases and solar activity to global climate change from CMIP6 models simulations
基于CMIP6模拟与长期观测数据，利用自回归模型定量比较温室气体和太阳活动对全球地表温度趋势的贡献，发现观测结果与最低CO2敏感性的气候模式最为一致。
2024-06-08 physics.ao-ph
SamudrACE: Fast and Accurate Coupled Climate Modeling with 3D Ocean and Atmosphere Emulators
SamudrACE通过3D海洋和大气模拟器实现快速准确的耦合气候建模，能够模拟数百年长的高分辨率气候现象。
2026-02-27 cs.LG physics.ao-ph
ACE2-SOM: Coupling an ML atmospheric emulator to a slab ocean and learning the sensitivity of climate to changed CO$_2$
本文将Ai2气候仿真器第2版与平板海洋模型耦合为ACE2-SOM，训练其学习气候对CO₂变化的敏感性，在平衡态推断中准确再现温度、降水及极端事件响应，并揭示非平衡态情景下能量不守恒等问题。
2024-12-30 physics.ao-ph
Tropical temperature distributions over a wide range of climates: theory and idealized simulations
本文利用理想化GCM模拟广泛气候状态，提出基于局地对流耦合的理论框架，揭示干者更热机制是导致热带陆地和海洋极端高温对气候变暖响应差异的主要原因。
2025-05-09 physics.ao-ph
Background Pycnocline depth constrains Future Ocean Heat Uptake Efficiency
本研究发现海洋热吸收效率（OHUE）主要受中纬度通风强度控制，与副热带密度跃层深度密切相关，该结论得到多模式验证，为观测约束OHUE及未来气候提供了途径。
2023-07-21 physics.ao-ph
Impact of large scale climate oscillation on drought in West Africa
干旱对撒哈拉以南非洲脆弱的经济构成严重威胁。这项研究调查了大规模海洋振荡对西非干旱的影响。该地区的标准化降水指数是使用1961 - 1990年期间气候研究股的月降水量数据计算的。利用线性相关、协整检验、互信息和非线性同步等方法，研究了南大洋指数（SOI）、太平洋年代际振荡（PDO）和北大西洋振荡（NAO）对西非干旱的影响。SOI与干旱呈显著正相关，PDO和NAO呈显著负相关。协整检验证实了这一点。非线性检验揭示了各指标与干旱的复杂关系。与西非萨赫勒地区相比，PDO对沿海地区干旱的影响较小或造成的影响较小。
2019-01-29 physics.ao-ph
Model estimates for contribution of natural and anthropogenic CO$_2$ and CH$_4$ emissions into the atmosphere from the territory of Russia, China, USA and Canada to global climate changes in the 21st century
在21世纪不同的人为排放情景下，评估了俄罗斯、中国、美国和加拿大境内的人为和天然温室气体排放对全球气候变化的贡献。结果表明，考虑气候条件的变化会影响温室气体排放对气候系统的影响指标，特别是在长期范围内。在作出决定时，有必要考虑到温室气体从陆地生态系统自然流入大气层的自然通量的作用可能发生变化。对于所有考虑的国家，在所有人为影响的情况下，陆地生态系统对CO $_2$的吸收在21世纪下半叶开始减少，因此其稳定作用可能逐渐失去重要性。与此同时，所有被审议区域的甲烷排放量都在大幅增加。这些温室气体自然通量的净效应在某些情况下甚至可能导致到21世纪末的气候变暖加速。
2021-11-23 physics.ao-ph physics.geo-ph
Deep ocean early warning signals of an Atlantic MOC collapse
大西洋经向翻转环流（MOC）是气候系统的重要组成部分，因为它与向北的热量输送有关。现今的MOC对淡水异常非常敏感，可能会崩溃到一个向北热量输送强烈减少的状态。大西洋MOC的未来崩溃已被确定为气候系统中最危险的临界点之一。因此，必须根据相对较短的时间序列，为这种潜在的崩溃制定预警指标。到目前为止，使用基于严重放缓的指标的尝试取得了一定的成功。基于复杂的气候网络重建，我们在这里提出了一个有前途的新指标MOC崩溃，有效地监测深海环流的空间变化。通过我们对该指标的性能分析，我们制定了最佳的MOC测量位置，以提供崩溃的早期预警信号。我们的结果意味着大西洋MOC观测的空间分辨率的增加（即，在更多的剖面上）可以改进早期探测，因为更好地捕捉到了在过渡区附近产生的深海空间相干性。
2014-05-06 physics.ao-ph
Empirical evidence for a double step climate change in twentieth century
在这项研究中，我们使用的海表温度（SST），厄尔尼诺南方涛动（ENSO）和太平洋十年振荡（PDO）时间序列的时间段1900-2012年，以调查温度急剧上升的合理表现。结果发现，过去一个世纪广泛观察到的变暖并不是平稳的，而是急剧的。在1925/1926年和1987/1988年期间，这一事实在30 S-60 N纬度区更为明显。我们假设有两个主要的气候制度转变在1925/1926年和1987/1988年。在这些变化期间，温度上升的平均值超过与ENSO、PDO和其他因素有关的自然变率。在每次急剧上升期间，热带/北中分纬度的平均SST上升约0.28/0.36 °C。其它气温异常多由ENSO和PDO解释。这些变化的存在往往被自然变异所掩盖。这一假设使我们能够建立非常简单的线性回归模型，解释上个世纪观测到的30 ° S至60 ° N温度异常的主要特征。此外，该分析还揭示了两个显著的结果。第一个是线性回归系数可以通过采用有限长度的温度时间序列来计算（例如，从1910年到1940年），并很好地再现了从1900年到现在的整个时间序列。第二个是仅使用两个因素（ENSO/PDO和热带/北部中海拔的急剧变化）就能实现良好的繁殖质量。
2013-03-07 physics.ao-ph
The role of internal variability in global climate projections of extreme events
气候预测的不确定性可分为模式不确定性、情景不确定性和内部变率。在这里，我们调查的不确定性的不同来源的预测频率的每日最高温度和降水极端，这被定义为事件，超过99.97百分位数。这是全球使用初始条件大合奏。对于最高温度极值，内部变率在未来二十年占主导地位。在21世纪中叶，模式和情景的不确定性成为热带地区的主要贡献，但在热带以外地区，内部变率仍然占主导地位。到本世纪末，模式和情景的不确定性在全球范围内增加到几乎相等的贡献，各占40%左右，并有较大的区域波动。对于极端降水，内部变率在整个21世纪占主导地位，但西非等一些热带地区除外。在内部变率构成不确定性主要来源的区域，减少模式不确定性对气候预测的信噪比的潜在影响估计很小。我们讨论了使用的方法和我们的研究结果的影响，为未来气候模式的设计的警告。这里发现的内部变率的重要性强调了大型集合是理解气候预测的重要工具。
2022-08-17 physics.ao-ph
Predicting Critical Biogeochemistry of the Southern Ocean for Climate Monitoring
MIT（麻省理工学院）；WHOI（伍兹霍尔海洋研究所）
生物地球化学-Argo（BGC-Argo）计划正在建立一个全球分布的、配备传感器的机器人剖面浮标网络，以提高我们对气候系统及其变化的理解。然而，这些浮动在测量的变量数量上是有限的。在这项研究中，我们训练神经网络预测硅酸盐和磷酸盐的值在南大洋的温度，压力，盐度，氧，硝酸盐，和位置，并将这些模型应用到地球系统模型（ESM）和BGC-Argo数据，以扩大这个海洋观测网络的效用。我们根据全球海洋船基水文调查计划（GO-SHIP）的观测结果训练了我们的神经网络，并使用dropout正则化来提供我们预测值的不确定性界限。我们的神经网络显著改善了线性回归，但在预测变量的范围内显示出不同程度的不确定性。我们探索我们的估计量的泛化到我们的训练分布之外的测试数据，从ESM和BGC-Argo数据。我们使用分布外的测试数据来检查地球化学参数的变化，并计算估计值的不确定性界限，这推动了海洋学数据和气候监测的发展。我们公开我们的数据和代码。
2021-10-30 cs.LG physics.ao-ph
Antarctic ice sheet - climate feedbacks under high future carbon emissions
来自退缩的南极冰盖的淡水强迫可能对未来全球气候产生广泛的影响。在这里，我们报告了多世纪（现在-2250年）的气候模拟，使用完全耦合的数值模式集成在未来的温室气体排放情景IPCC RCP 4.5和8.5，与融水排放的动态-热力学冰盖模型。考虑到南极洲的融水贡献，冰缘的次表层海洋温度上升了1摄氏度，超过了目前预测的速度。相比之下，南大洋2-10摄氏度的表面空气和海洋温度较低，导致海冰扩大，推迟了预计的全球平均人为变暖的增加。此外，北极冬季海冰的预计损失和大西洋经向翻转环流的减弱推迟了几十年。我们的研究结果表明，如果我们要做出可靠的气候预测，显然需要更准确地解释冰盖融水的输入。
2020-05-19 physics.ao-ph
Circumpolar ocean stability on Mars 3 Gy ago
研究利用GCM模拟提出，30亿年前火星可在1 bar含10% H2的CO2大气下形成冷湿气候，使环极地海洋稳定，并同时解释海啸沉积与南部冰川地貌。
2023-09-30 astro-ph.EP physics.ao-ph
Southern Ocean Dynamics Under Climate Change: New Knowledge Through Physics-Guided Machine Learning
Harvey Mudd College（哈维穆德学院）；University of California（加利福尼亚大学）；ECMWF（欧洲中期天气预报中心）；IPSL（皮埃尔-西蒙·拉普拉斯研究所）；IRD（法国发展研究院）
本研究针对南大洋动力变化机制不清的问题，将THOR方法拓展至中尺度涡气候模型，结合神经网络集成与可解释性方法，揭示了南极绕极流与太平洋-南极海岭交汇区模态转变的风应力和地形驱动机制。
2023-12-17 cs.LG physics.ao-ph
Slowing Climate Change and Ocean Acidification by Converting Atmospheric Carbon Dioxide to Graphite (CD2G)
本文提出将大气二氧化碳转化为石墨（CD2G）的方法，该技术不仅每去除1吨CO2可获约381美元净利润，还能通过降低可再生能源储存成本加速能源转型，从而同时实现盈利与减缓气候变化。
2025-04-05 econ.GN physics.ao-ph q-fin.EC
A Land-Sea Contrast Pattern in Surface Temperature and Atmospheric Circulation Trends in Recent Decades
Colorado State University（科罗拉多州立大学）
研究发现陆地相对海洋的增暖主导了观测到的地表温度和大气环流趋势，包括太平洋盆地的负类IPO倾向，而气候模式低估了海陆增温比。
2026-11-06 physics.ao-ph
OXYGENERATOR: Reconstructing Global Ocean Deoxygenation Over a Century with Deep Learning
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences（中国科学院地理科学与资源研究所）
针对海洋脱氧重建难题，提出基于深度学习的OxyGenerator模型，通过分区可变图消息传递等技术，重建1920-2023年全球海洋脱氧情况，效果显著优于CMIP6数值模拟。
2024-05-12 cs.AI cs.LG physics.ao-ph
Global apocalypse at the turn of the first Millennium AD? Climate fluctuations, astronomic phenomena and socio-political turbulences in 10th and 11th century Byzantium and Japan in comparative perspective
在公元第一个千年之交，无论是在拜占庭帝国这样的基督教政体中，还是在平安日本这样的佛教社区中，都出现了时代终结的预期。虽然基于不同的宗教和独立的年代解释，但由于对相同天文现象（如公元989年哈雷彗星的目击）或同时发生的气候异常（部分与11世纪的奥尔特太阳极小期有关）的平行观察和解释，它们同时受到吸引。本文以历史和自然科学证据为基础，探讨和比较了自然现象、政治和宗教动荡以及启示性解释之间的相互作用。
2022-06-21 physics.ao-ph physics.hist-ph
Constructing efficient score functions for rare event simulation in high-dimensional ocean-climate models
Institute for Marine and Atmospheric research Utrecht, Department of Physics, Utrecht University（乌得勒支大学海洋与大气研究所物理系）；Utrecht University（乌得勒支大学）；Netherlands eScience Center（荷兰电子科学中心）；IMEC；Centre for Complex Systems Studies, Department of Physics, Utrecht University（乌得勒支大学复杂系统研究中心物理系）
本文提出一种数据驱动方法，通过降维状态空间投影构建评分函数，提升高维模型中稀有事件模拟的效率与准确性。
2026-03-11 nlin.CD physics.ao-ph
The role of the oceans for subseasonal prediction: insights from eddy-permitting and eddy-rich coupled forecast systems
ECMWF（欧洲中期天气预报中心）
本文研究了海洋在亚季节预测中的作用，通过评估ECMWF集成预测系统中耦合海洋-大气系统对46天再预报的影响，探讨了提高水平分辨率和更好的海洋中尺度表示的潜力，发现耦合显著提高了热带地区的集合预报技能，特别是对MJO的预测能力有显著提升。
2026-10-20 physics.ao-ph
Robust intensification of global ocean Eddy Kinetic Energy from three decades of satellite altimetry observations
本研究基于30年卫星高度计观测发现全球海洋涡旋动能（EKE）每十年显著增强1-3%，黑潮延伸体和湾流增幅尤为突出，并指出湾流增强对AMOC的影响及改进气候模型中小尺度过程表征的必要性。
2024-06-12 physics.ao-ph
Stable equatorial ice belts at high obliquity in a coupled atmosphere-ocean model
利用一个水行星结构的动态大气-海洋-海冰气候模式，实现了在一系列恒星辐照度下，高密度下的各种气候状态。三个稳定的气候状态得到不同的海冰覆盖的程度。对于低辐照度值，该模型模拟了具有常年全球海冰覆盖的Cryoplanet。通过增加恒星辐照度，转变发生在一个常年赤道海冰带的无盖冰冻行星上，最终转变为一个没有冰的水行星。使用模拟器模型，我们发现，无帽Cryoplanet是一个强大的稳定状态的范围内的辐照度和高的CO2和对比早期的结果，高CO2的气候状态与赤道冰带可能是不可持续的或无法实现的。当赤道海洋热通量增强时，由于赤道海冰的融化，允许一个稳定的无盖冰冻行星的参数范围减小。当赤道海洋热通量超过一个临界阈值时，常年赤道冰带消失。因此，一个强大的海洋环流可能会使它不稳定。我们的研究结果表明，常年赤道冰层覆盖是一个可行的气候状态的高湿度系外行星。然而，由于多重平衡，这种状态只能从更多的冰川条件下达到，而不是从较少的冰川条件。
2018-09-16 astro-ph.EP physics.ao-ph
ACE2-NEMO: Coupling an ML atmospheric emulator to a full-depth dynamical ocean model
University of Oxford（牛津大学）；European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（欧洲中期天气预报中心）；Barcelona Supercomputing Center (BSC)（巴塞罗那超级计算中心）
通过将ACE2机器学习大气模拟器与NEMO海洋模型耦合，进行70年耦合模拟，评估了混合建模框架在热带低频变率和气候对温室气体强迫响应方面的表现，发现热带太平洋海气耦合在快时间尺度上逼真但低频变率不真实，且CO2强迫响应因短波辐射偏差而偏离。
2026-10-21 physics.ao-ph
Role of Surface Gravity Waves in Aquaplanet Ocean Climates
我们提出了一套理想化的数值实验的冬至水行星海洋和研究的热力学和动力学的影响表面重力波（SGW）后，其平均状态。水行星的海洋环流主要由赤道纬向急流和四个埃克曼驱动的纬向翻转环流（MOC）细胞与西风大气急流和东风信风在两个半球对齐。包括SGW参数化（代表海气动量通量，朗缪尔环流和斯托克斯-科里奥利力的调制）增加混合层垂直动量扩散约。40%，并抑制表面动量通量约。百分之四相应减弱的MOC通过减少热量和盐的大尺度平流输送，使赤道纬度变清（蒸发量减去降水量[E-P]为负），并使副热带盐度增加（E-P为正），从而影响1公里深度的海洋密度结构。百分之一中纬度密度跃层在两个半球加深纳入SGW。将SGW纳入水行星海洋模型可使混合层深度增加约100%。10%（中纬度地区冬季高达20%），减少200米以上的垂直切变，改变当地中纬度浮力频率。一般来说，SGWs对水行星海洋的影响在较冷和较暖的气候中是一致的。我们认为，这些模拟的影响可能是相关的了解未来的预测SGW气候，系外海洋，南大洋混合层的动态。
2021-06-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effects of Drake Passage on a strongly eddying global ocean
始新世-渐新世过渡期海洋门户开口对气候的影响仍在争论之中。以前的模式研究采用网格分辨率，中尺度涡旋的影响必须参数化。我们提出了一个国家的最先进的涡旋解决全球海洋模式与一个封闭的德雷克海峡的结果，并与相同的模式在非涡旋分辨率的结果进行比较。通过将涡旋热输送分解为涡旋、水平和翻转环流分量来分析热量的路径，表明在两种分辨率下，大尺度上的模式行为在性质上是相似的。关闭德雷克海峡导致（i）南极洲周围的海面变暖，这是由于南大洋水平环流的变化，（ii）与北大西洋深层水形成有关的翻转环流的崩溃，导致北大西洋的表面冷却，（iii）南极洲附近显著的向赤道的涡流热输送。然而，定量细节在很大程度上取决于所选择的分辨率。南极洲周围的变暖在无涡旋结构（5.5 ° C）中比在涡旋结构（2.5 ° C）中大得多。这是一个后果的副极地平均流量分区不同的环流和绕极电流在不同的分辨率。我们的结论是，对于破译不同的机制活跃在始新世-渐新世气候变化的热量在不同的气候子系统的路径的详细分析是至关重要的，以明确确定实际工作的物理过程。
2015-10-14 physics.ao-ph
Climate and ocean circulation changes toward a modern snowball Earth
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术局）；Earth-Life Science Institute (ELSI), Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo（东京科学大学未来科学研究所生命起源研究所）；Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo（东京大学大气海洋研究所）；University of the Ryukyus（冲绳大学）；Department of Geophysics, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科地球物理学科）；National Institute of Polar Research（国立极地研究所）；The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI（综合研究大学院大学）
研究通过气候模型探讨现代雪球地球形成过程中海洋环流的变化及演变，揭示了海冰增长和盐度分层对环流的影响。
2026-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Climate-Adaptive and Cascade-Constrained Machine Learning Prediction for Sea Surface Height under Greenhouse Warming
Tianjin University（天津大学）；The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院大气物理研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本文提出基于KE级联约束的机器学习模型，用于预测温室变暖下的海面高度，显著提升模型性能并展示其跨气候适应性。
2026-01-23 physics.ao-ph
Rapid Climate Model Downscaling to Assess Risk of Extreme Rainfall in Bangladesh in a Warming Climate
本研究提出一种整合数据、物理和机器学习的气候模型降尺度方法，量化了孟加拉国在变暖气候下极端降雨风险，发现到本世纪末100年重现期日最大降雨量将显著增加，同时指出模型和情景间存在较大不确定性。
2024-12-21 physics.ao-ph
Assessment of inter-model variability and biases of the global water cycle in CMIP3 climate models
观测到的变化，如20世纪全球气温上升和全球水循环加剧，也是耦合大气环流模式的有力结果。尽管取得了这一成功，但在一阶气候响应中较小的模型间变异性和偏差对气候可预测性有影响，特别是在使用多模型方法时。结果表明，IPCC-AR 4模式对20世纪和21世纪A2情景的气候模拟在模拟全球大气水分平衡方面存在不足。只有少数模式的大偏差影响了多模式平均全球水分收支，存在-0.14 Sv的不平衡通量，而多模式的中位数不平衡仅为-0.02 Sv。对于大多数模型，检测到的不平衡还随着时间的推移而变化。因此，在所审查的18个IPCC-AR 4模型中，有13个模型的全球年平均降水量超过了全球蒸发量，这表明大气中的水分应该“泄漏”，而其余5个模型则隐含着“洪水”。水汽的源/汇也可以被视为大气潜热加热/冷却，因此是大气能量收支或非辐射强迫的正/负扰动，范围为-1至+6 W/m2（中位数为+0.1 W/m2）。全球大气水分从海洋向陆地输送，影响陆地水循环也增加了约5%，模式到模式的范围从1%到13%。这种变化部分是由于模型中气溶胶强迫的不同实现。对气候模拟中干旱区向极移动的评估表明，泄漏和洪水模型两个子集的多模型平均值产生的空间移动与21世纪全球变暖模拟中预期的大小相似。
2011-09-28 physics.ao-ph
Near-resonance tidal evolution of the Earth-Moon system influenced by orbital-scale climate change
建立了地月系统气候和潮汐演化的概念耦合模型，探讨了气候对潮汐的影响。本文应用能量平衡模式，由年平均日射量作为变化天文参数的函数，计算稳态温度场。采用谐振子模型，将月球轨道和地球自转与潮汐力矩结合起来，潮汐力矩依赖于海洋的主导固有频率。海洋的几何形状是温度和海洋频率之间的桥梁。在半球形大陆和赤道圆形月球轨道的假设下，仅考虑地球自转周期$\varepsilon$和$M_2$潮汐的41 kyr周期，模拟了$10^6$ yr的近共振潮汐。验证了气候可以通过海洋影响潮汐演变。与恒定$\varepsilon$相比，变化$\varepsilon$的潮汐演化变慢;地月距离在共振极大值前与$\varepsilon$同相振荡，共振极大值后完全反相振荡;振荡位移与海洋频率和潮汐频率之差呈正相关。
2019-08-19 astro-ph.EP physics.ao-ph
The Impact of Oceanic Heat Transport on the Atmospheric Circulation: a Thermodynamic Perspective
本研究探讨如何全球气候系统的热力学性质的影响，在大气环流模式中的水行星配置的海洋热输送强度的变化。增加向极地的海洋热传输的结果在整体上增加的地面温度和减少的赤道到极点的地面温度差作为冰-冰反馈的结果。在Stone的经典分析之后，大气热输送的变化使得总的向极热输送几乎保持不变。我们还发现，随着海洋热输送的增强，气候机器的效率、洛伦兹能量循环的强度和系统的物质熵产生都在下降，这表明由于海洋热输送的增强，不同温度的地球物理流体之间的大尺度混合作用增强，气候系统的效率降低，进入了一个熵产生减少的状态，从而降低了气候系统中的可用性并使其更接近于热平衡状态。
2014-10-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Confronting Contemporary Seasonality Changes in East Asian Tropical Cyclone Landfalls with a Multi-Century Historical Baseline
本研究利用多世纪历史基线（1368-1911年）对比东亚热带气旋登陆的当代变化，发现当代（1946-2020年）登陆时间提前但仍在自然波动范围内，表明人为信号难以检测，并验证了前工业时期数据与模拟的可信度。
2025-10-16 physics.ao-ph
Impact of climate change on surface stirring and transport in the Mediterranean Sea
了解气候变化将如何影响海洋流体输送对于环境应用和人类活动至关重要。然而，气候变化对海洋表层中尺度搅动和输送的影响的天气学特征是缺失的。为了弥补这一差距，我们利用高分辨率，完全耦合的气候模式的地中海盆地使用网络理论的方法。我们预测下个世纪水平搅拌和动能将显著增加，这可能是由于可用势能的增加。未来的盆地规模的运输模式的演变暗示在主要的水动力省，定义为表面海洋的区域，内部混合良好，但最小的交叉流跨越其边界的重新安排。这导致各省规模的异质性增加，其内部的混合程度更强。我们的方法可以很容易地应用到其他海洋区域，目前和未来的海洋空间规划提供信息。
2020-11-05 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Controls on the ocean response to idealized Antarctic meltwater input
Courant Institute School of Mathematics, Computing, and Data Science, New York University（纽约大学柯朗数学科学研究所）；Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所）
研究通过理想化单盆地海洋模拟，探讨海洋输送和区域海平面调整时间尺度对模型分辨率、参数及融水深度的影响，揭示了海洋物理和预工业状态对冰架融水通量动态响应的重要性。
2026-03-16 physics.ao-ph
Using Machine Learning at Scale in HPC Simulations with SmartSim: An Application to Ocean Climate Modeling
Hewlett Packard Enterprise（慧与公司）；National Center for Atmospheric Research（美国国家大气研究中心）；University of Victoria（维多利亚大学）
我们展示了第一个气候尺度的数值海洋模拟，通过使用SmartSim的深度神经网络（DNN）的分布式在线推理得到改进。SmartSim是一个专门用于为传统HPC模拟启用在线分析和机器学习（ML）的库。在本文中，我们详细介绍了SmartSim架构，并提供了基准测试，包括在异构HPC系统上使用共享ML模型进行在线推理。我们通过使用SmartSim运行一个由12个成员组成的全球规模高分辨率海洋模拟集合来展示SmartSim的能力，每个集合跨越19个计算节点，在每个模拟时间步都与相同的ML架构进行通信。总共有9700亿个推论通过运行总共120个模拟年的集合来共同服务。最后，我们证明了我们的解决方案在模型集成的整个持续时间内是稳定的，并且包含机器学习对模拟运行时的影响最小。
2021-04-13 cs.CE cs.DC cs.LG
Hydrologic Cycle Weakening in Hothouse Climates
本文通过气候模型揭示水文循环随地表升温呈非单调变化，在约320-330 K以上降水趋势逆转，并阐明其由长波辐射上限与H2O短波吸收增强共同驱动，对地球、金星及系外行星气候演化具有重要启示。
2024-05-03 physics.ao-ph
