近期气候预测系统IAP-DecPreS对印度洋偶极子的回报技巧:全场同化和异常场同化的比较

印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋年际变率主导模态之一,对于区域乃至全球气候有重要影响。准确预报IOD对于短期气候预测具有重要意义。中国科学院大气物理研究所最近建立了近期气候预测系统IAP-DecPreS,其初始化方案采用“集合最优插值—分析增量更新”（EnOI-IAU）方案,能够同化观测的海洋次表层温度廓线资料。本文分析了IAP-DecPreS季节回报试验对IOD的回报技巧,重点比较了全场同化和异常场同化两种初始化策略下预测系统对IOD的回报技巧。分析表明,8月起报秋季IOD,无论从确定性预报还是概率性预报的角度,基于全场同化的回报试验技巧均高于异常场同化的回报试验。对于5月起报的秋季IOD,基于两种初始化策略的回报试验技巧相当。研究发现,全场同化策略相对于异常场的优势主要源于它提高了对伴随ENSO发生的IOD的预报技巧。ENSO遥强迫触发的热带东印度洋“风—蒸发—SST”正反馈过程是IOD发展和维持的关键。采用全场同化策略的回报结果能够更好地模拟出IOD发展过程中ENSO遥强迫产生的异常降水场和异常风场的空间分布特征;而采用异常场同化策略,模拟的异常降水场和风场偏差较大。导致两种初始化策略预测结果技巧差异的主要原因是,全场同化能够减小模式对热带印度洋气候平均态降水固有的模拟偏差,从而提升了热带印度洋对ENSO遥强迫响应的模拟能力。而异常场同化由于在同化过程中保持了模式固有的气候平均态,因此模拟的热带印度洋对ENSO遥强迫的响应存在与模式自由积分类似的模拟偏差。     

Progress and future prospects of decadal prediction and data assimilation:A review

年代际预测,也称为“近期气候预测”,旨在预测未来1-10年内的气候变化,是气候预测和气候变化研究领域的一个新关注点.它位于季节至年际预测和长期气候变化预测之间,结合了初值问题和外部强迫问题的两个方面.年代际预测的核心技术在于用于模式初始化的同化方法的准确性和效率,其目标是为模式提供准确的初始条件,其中包含观测到的气候系统内部变率.年代际预测的初始化通常涉及在耦合框架内同化海洋观测,其中观测到的信号通过耦合过程传递到其他分量,如大气和海冰.然而,最近的研究越来越关注在海洋-大气耦合模式中探索耦合数据同化(CDA),有人认为CDA有潜力显著提高年代际预测技巧.本文综合评述了该领域的三个方面的研究现状:初始化方法,年代际气候预测的可预测性和预测技巧,以及年代际预测的未来发展和挑战.     

BCC_CSM1.1对10年尺度全球及区域温度的预测研究

近期10～30年时间尺度的年代际预测是第五次耦合模式国际比较计划(CMIP5)重要内容之一。按照CMIP5试验要求, 国家气候中心利用气候系统模式BCC_CSM1.1完成并提交了年代际试验结果。本文评估了该模式年代际试验对10年尺度全球及区域地表温度的预测能力, 并通过与20世纪历史气候模拟试验的对比分析, 研究模式模拟对海洋初始观测状态的依赖程度。分析结果表明:(1)在有、无海洋初始化条件下, 模式均能模拟出1960～2005年间全球10年平均实测地表温度的变暖趋势, 但在有海洋初始化条件下, 可以明显减小BCC_CSM1.1模式模拟的全球升温趋势, 使得年代际试验比历史试验的结果更接近观测值。这一特点在观测资料相对丰富的南北纬50°以内地区更为显著。(2)在年代际试验预测前期, 通过Nudging方法, 利用SODA再分析海洋温度资料对模式进行初始化, 经过前期8～12月的协调后, 模式预测的第1年南北纬50°范围海洋、陆面的平均地表气温接近于观测值(CRUTEM3, HadSST2)。由于模式初值SODA再分析SST资料与HadSST2观测值存在明显的全球大洋系统暖偏差以及模式本身系统偏差的影响, 年代际试验模拟的地表气温在2～7年之内, 从观测SST状态逐渐恢复到模式系统本身状态。在同组Decadal试验中, 陆面和海洋恢复调整的时间长度几乎一致。(3) 从10年平均气候异常在区域尺度上的预报技巧来看, 有、无海洋初始同化对预测结果影响不大, 高预测技巧区主要分布在南半球印度洋中高纬度、热带西太平洋以及热带大西洋区域。(4)SST变化与下垫面热通量密切相关, 在热带和副热带海洋区域, 长波辐射和感热通量是影响10年时间尺度SST变化较大的物理量, 在中高纬度海洋, 洋面温度变化主要受潜热通量的影响相对较大。     

基于弱耦合资料同化的冬季北大西洋涛动年际变率预测

北大西洋涛动作为冬季北大西洋地区大气环流的主模态之一,其年际变率对全球许多地区气候变率具有重要影响,但目前其预测技巧并不高。采用降维投影四维变分同化方法,在耦合模式中建立了基于全球大气资料的弱耦合资料同化系统,直接同化月平均再分析资料,并进行了年代际后报试验。结果表明,通过耦合资料同化的手段,可以显著提升耦合模式对冬季北大西洋涛动年际变率及其相关的欧洲北部、美国东部、欧亚大陆北部的冬季近地面温度年际变率的后报效果,相关系数均超过0.05显著水平t检验。该后报效果的改进主要与在耦合同化过程中通过耦合模式中自由发展的海-气相互作用将大气的观测信息储存在耦合模式的海洋分量中,改进了冬季北大西洋地区海表温度“三极”型分布的时空变率及其时间序列的后报效果有关。该研究强调了耦合模式初始状态的准确度对提升冬季北大西洋涛动年际变率的后报技巧具有重要作用。     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对北极涛动季节回报能力的初步评估

本文基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1自1960—2004年每年起报的年代际预测试验结果,初步评估了该模式对北极涛动（AO）的预报技巧。同时,把该模式年代际预测结果与历史试验模拟比较,分析了气候模式初始化对年代际试验预测季节尺度AO及其年际变化的贡献。结果表明,年代际试验和历史试验均能反映出AO模态是北半球中高纬大气变率第一模态的特征,其中年代际预测试验回报的AO模态与观测的空间相关系数高于历史试验。两组试验基本能再现AO指数冬季最强、夏季最弱的特征。与历史试验相比,年代际预测试验回报月和冬季AO指数与观测的相关系数更高,特别是年代际试验与观测的月AO指数相关系数达到了0.1的显著性水平。年代际试验回报月、春季AO指数的变化周期更接近观测结果。因此,年代际试验中初始状态使用海温资料进行初始化,在一定程度上可以提高AO的回报能力。     

基于多模式集合方案的中国东部夏季降水概率季度预测

借助ENSEMBLES计划提供的5个海-气耦合模式(CGCM)的多初值后报降水资料,采用常用的4种多模式集合方案,即等权集合(EE)、对单个集合成员先订正再等权集合(Cali-EE)、基于多元线性回归的集合方案(MLR)、基于贝叶斯统计学的集合方案(Bayes),制作1960—2005年中国东部夏季降水概率密度函数(PDF)季度预测。在此基础上,比较最优(技巧最高)集合方案与气候学预测(衡量概率密度函数预测是否有技巧的基准)的技巧,初步评估目前基于多模式集合方案的、中国东部夏季降水的概率密度函数季度预测能力。结果表明,Bayes方案在华南最优,Cali-EE在长江流域、江淮流域以及中国北方的中部最优,MLR在中国北方的东部最优;基于这些最优集合方案的概率密度函数预测产品均具有高校准度,且其锐度高于或接近气候学预测;并且,对于所有区域,最优集合方案的预测技巧总是高于气候学预测,这暗示即使不提取模式其他变量中所包含的预测信息,对于中国东部夏季降水季度预测,常用的多模式集合方案也已具备制作有技巧的概率密度函数预测产品的能力。     

国家气候中心短期气候预测模式系统业务化进展

该文简要介绍了国家气候中心短期气候预测模式系统的研发成果,并侧重于从海洋资料同化系统、陆面资料同化系统、月动力延伸预测模式系统、季节气候预测模式系统4个方面介绍了第2代短期气候预测模式系统的业务化进展。第2代海洋资料同化系统已初步建成,其对温盐的同化效果总体上优于第1代同化系统;陆面资料同化系统正在研发中,目前已完成其中的多源降水融合子系统的业务建设工作,可为陆面分量提供实时的大气降水强迫分析场;第2代月动力延伸预测系统基于国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.2建立,已于2012年8月进入准业务运行阶段;第2代季节预测模式系统基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m) 建立,将于2013年底投入准业务运行。初步评估表明:第2代月动力延伸预测模式系统和季节气候预测模式系统分别对候、旬、月和季节、年际时间尺度的气候变率体现出了一定的预测能力,其对降水、气温、环流等要素的预测技巧总体上要高于第1代预测系统。     

一个快速海洋三维温盐流分析系统及在亚丁湾临近海域的应用

开发了一个能快速估计三维海洋温盐流场的分析系统.这种系统以海洋数值模式多年积分的气候态结果作为背景场,通过多变量的集合最优插值同化方法利用现场观测和遥感卫星高度计及海表温度观测先对背景场进行偏差订正,以订正的背景场产生当前或瞬时的背景场,结合实时或近期观测通过集合最优插值方法得到三维海洋状态的估计.这种分析系统的优点是...     

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水—SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水—SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水—SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。     

Decadal climate predictions with a coupled OAGCM initialized with oceanic reanalyses

We investigate the effects of realistic oceanic initial conditions on a set of decadal climate predictions performed with a state-of-the-art coupled ocean-atmosphere general circulation model. The decadal predictions are performed in both retrospective (hindcast) and forecast modes. Specifically, the full set of prediction experiments consists of 3-member ensembles of 30-year simulations, starting at 5-year intervals from 1960 to 2005, using historical radiative forcing conditions for the 1960–2005 period, followed by RCP4.5 scenario settings for the 2006–2035 period. The ocean initial states are provided by ocean reanalyses differing by assimilation methods and assimilated data, but obtained with the same ocean model. The use of alternative ocean reanalyses yields the required perturbation of the full three-dimensional ocean state aimed at generating the ensemble members spread. A full-value initialization technique is adopted. The predictive skill of the system appears to be driven to large extent by trends in the radiative forcing. However, after detrending, a residual skill over specific regions of the ocean emerges in the near-term. Specifically, natural fluctuations in the North Atlantic sea-surface temperature (SST) associated with large-scale multi-decadal variability modes are predictable in the 2–5 year range. This is consistent with significant predictive skill found in the Atlantic meridional overturning circulation over a similar timescale. The dependency of forecast skill on ocean initialization is analysed, revealing a strong impact of details of ocean data assimilation products on the system predictive skill. This points to the need of reducing the large uncertainties that currently affect global ocean reanalyses, in the perspective of providing reliable near-term climate predictions.     

Impact of in-consistency between the climate model and its initial conditions on climate prediction

We investigated the influence of dynamical in-consistency of initial conditions on the predictive skill of decadal climate predictions. The investigation builds on the fully coupled global model “Coupled GCM for Earth Simulator” (CFES). In two separate experiments, the ocean component of the coupled model is full-field initialized with two different initial fields from either the same coupled model CFES or the GECCO2 Ocean Synthesis while the atmosphere is initialized from CFES in both cases. Differences between both experiments show that higher SST forecast skill is obtained when initializing with coupled data assimilation initial conditions (CIH) instead of those from GECCO2 (GIH), with the most significant difference in skill obtained over the tropical Pacific at lead year one. High predictive skill of SST over the tropical Pacific seen in CIH reflects the good reproduction of El Niño events at lead year one. In contrast, GIH produces additional erroneous El Niño events. The tropical Pacific skill differences between both runs can be rationalized in terms of the zonal momentum balance between the wind stress and pressure gradient force, which characterizes the upper equatorial Pacific. In GIH, the differences between the oceanic and atmospheric state at initial time leads to imbalance between the zonal wind stress and pressure gradient force over the equatorial Pacific, which leads to the additional pseudo El Niño events and explains reduced predictive skill. The balance can be reestablished if anomaly initialization strategy is applied with GECCO2 initial conditions and improved predictive skill in the tropical Pacific is observed at lead year one. However, initializing the coupled model with self-consistent initial conditions leads to the highest skill of climate prediction in the tropical Pacific by preserving the momentum balance between zonal wind stress and pressure gradient force along the equatorial Pacific.

     

全球海气耦合模式对中国区域年代际气候变化预测能力的评估

利用4个海气耦合模式对1960～2005年的多年代际回报结果,评估模式对中国区域年代际气候变化(温度和降水)的预测潜力,并初步给出2005～2015年的气候预测结果。与CMIP3多模式集合1960～2000年结果以及观测实况比较的结果表明:融入观测资料进行同化的年代际气候预测模式,对中国区域温度和降水的模拟能力总体好于CMIP3模式。年代际气候预测模式对温度气候场的模拟仍以"冷偏差"为主,但较之CMIP3模式已有显著改进,中国区域平均的冷偏差减少1.3°C;对降水气候场的模拟仍以"湿偏差"为主,但在华南沿海和西北内陆降水的模拟能力优于CMIP3模式,中国区域平均的湿偏差降低了20%。年代际模式和CMIP3模式都能较好地模拟出中国区域尤其是北方20世纪后期的增暖信号;但CMIP3模式对20世纪后期中国东部降水的旱涝结构演变的模拟与观测相反;而年代际气候预测模式未能再现华北偏旱的变化,但能成功地模拟江淮流域和华南沿海的旱涝演变。2005～2015年的10年预测表明中国区域将继续增暖0.3～0.7°C,且增温幅度北方大于南方,增幅中心位于西北内陆和青藏高原;而降水的变化趋势不显著,黄淮地区、西北内陆和青藏高原的降水略有增加,而西南地区降水将减少。但需要指出的是,这种预测的不确定性是相当大的。     

Impact of initialization procedures on the predictive skill of a coupled ocean–atmosphere model

The sensitivity of the predictive skill of a decadal climate prediction system is investigated with respect to details of the initialization procedure. For this purpose, the coupled ocean–atmosphere UCLA/MITgcm climate model is initialized using the following three different initialization approaches: full state initialization (FSI), anomaly initialization (AI) and FSI employing heat flux and freshwater flux corrections (FC). The ocean initial conditions are provided by the German contribution to Estimating the Circulation and Climate of the Ocean state estimate (GECCO project), from which ensembles of decadal hindcasts are initialized every 5 years from 1961 to 2001. The predictive skill for sea surface temperature (SST), sea surface height (SSH) and the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) is assessed against the GECCO synthesis. In regions with a deep mixed layer the predictive skill for SST anomalies remains significant for up to a decade in the FC experiment. By contrast, FSI shows less persistent skill in the North Atlantic and AI does not show high skill in the extratropical Southern Hemisphere, but appears to be more skillful in the tropics. In the extratropics, the improved skill is related to the ability of the FC initialization method to better represent the mixed layer depth, and the highest skill occurs during wintertime. The correlation skill for the spatially averaged North Atlantic SSH hindcasts remains significant up to a decade only for FC. The North Atlantic MOC initialized hindcasts show high correlation values in the first pentad while correlation remains significant in the following pentad too for FSI and FC. Overall, for the current setup, the FC approach appears to lead to the best results, followed by the FSI and AI procedures.     

CMIP6年代际气候预测计划（DCPP）概况与评述

年代际气候预测计划（DCPP）是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的子计划之一,其目标是利用多模式开展气候系统年代际预测、可预测性和变率机制研究。DCPP设计了3组试验,即年代际回报试验、预报试验以及理解年代际变率机制和可预测性的敏感性试验。目前有21个模式拟参与DCPP计划,其中包括5个来自中国的模式。DCPP将推动解决气候系统从年际到年代际尺度预测相关的多项科学问题,评估当前气候预测系统预报技巧,挖掘潜在可预报性,研究长时间尺度气候变率形成机制,提供对科学和社会有用的预测产品。     

Improved ENSO Forecasts by Assimilating Sea Surface Temperature Observations into an Intermediate Coupled Model

A simple method for initializing intermediate coupled models (ICMs) using only sea surface temperature (SST) anomaly data is comprehensively tested in two sets of hindcasts with a new ICM. In the initialization scheme, both the magnitude of the nudging parameter and the duration of the assimilation are considered, and initial conditions for both atmosphere and ocean are generated by running the coupled model with SST anomalies nudged to the observations. A comparison with the observations indicates that the scheme can generate realistic thermal fields and surface dynamic fields in the equatorial Pacific through hindcast experiments. An ideal experiment is performed to get the optimal nudging parameters which include the nudging intensity and nudging time length. Twelve-month-long hindcast experiments are performed with the model over the period 1984–2003 and the period 1997–2003. Compared with the original prediction results, the model prediction skills are significantly improved by the nudging method especially beyond a 6-month lead time during the two different periods. Potential problems and further improvements are discussed regarding the new coupled assimilation system.     

Impact of the Time Scale of Model Sensitivity Response on Coupled Model Parameter Estimation

That a model has sensitivity responses to parameter uncertainties is a key concept in implementing model parameter estimation using filtering theory and methodology.Depending on the nature of associated physics and characteristic variability of the fluid in a coupled system,the response time scales of a model to parameters can be different,from hourly to decadal.Unlike state estimation,where the update frequency is usually linked with observational frequency,the update frequency for parameter estimation must be associated with the time scale of the model sensitivity response to the parameter being estimated.Here,with a simple coupled model,the impact of model sensitivity response time scales on coupled model parameter estimation is studied.The model includes characteristic synoptic to decadal scales by coupling a long-term varying deep ocean with a slow-varying upper ocean forced by a chaotic atmosphere.Results show that,using the update frequency determined by the model sensitivity response time scale,both the reliability and quality of parameter estimation can be improved significantly,and thus the estimated parameters make the model more consistent with the observation.These simple model results provide a guideline for when real observations are used to optimize the parameters in a coupled general circulation model for improving climate analysis and prediction initialization.