BCC_CSM1.1m对冬季典型环流系统的预测评估

基于国家气候中心气候系统模式1.1版本（BCC_CSM1.1m）的历史回报数据,利用时间相关系数和均方根误差等确定性技巧评分,对西伯利亚高压、阿留申低压、东亚冬季风3种东亚地区冬季典型环流系统的预报技巧进行检验评估,并通过时间序列分析和空间相关系数等方法,分析东亚地区冬季典型环流系统的可预报性来源。结果表明:由于模式对热带海洋和北太平洋海平面气压的预测偏差小、对欧亚大陆的预测偏差大,模式对阿留申低压、东亚冬季风的预测技巧高于西伯利亚高压。进一步分析表明:厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）是阿留申低压和东亚冬季风的重要可预报性来源,而土壤温度是西伯利亚高压的重要可预报性来源,并受ENSO调制。此外,东亚冬季风的预报技巧也受到西伯利亚高压预报技巧的制约。     

GRAPES_GFS在西南地区的预报稳定性 及其误差与地形的关系

根据地形特征,将西南地区划分为高原区、边坡区和盆地区,引入统计学"不稳定度"定量描述模式预报稳定性,对2016年6月—2017年9月全球中期天气预报(GRAPES_GFS)和欧洲中期天气预报中心(EC)在西南地区的高层形势场、主要的天气影响系统和地面要素预报性能进行了主客观检验,一定程度揭示了GRAPES_GFS和EC在西南地区的预报稳定性、地形的影响以及二模式预报性能的异同。结果显示:GRAPES_GFS高空高度场、温度场预报不稳定度分布呈北高南低型,相对湿度、风速预报不稳定度大值区在高原边缘;各要素预报不稳定度季节性周期最为显著,其位相和振幅因要素不同而有所不同;地形主要影响温度和风向预报误差值,但对相对湿度和风速预报的影响则体现在误差随时效的增长速率差异上;"漏报"是模式对西南地区天气系统的主要预报误差源,"低报"则是模式对西南地区2 m温度预报误差的最大来源;模式对西南地区降水落区预报有效率大约为50%,但强度预报通常偏低。EC与GRAPES_GFS的误差特征没有本质区别,但EC误差更小,稳定性更高。     

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务:化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说,该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。     

GRAPES_GFS 2.0模式系统误差评估

通过选取2014年1月、4月、7月、10月的GRAPES_GFS 2.0预报产品和NCEP FNL分析资料进行对比分析,发现GRAPES_GFS 2.0的系统误差具有以下特性:位势高度场误差的空间分布具有纬向条带状或波列状特征,误差大值集中在中高纬度地区,低纬度地区误差较小。误差在南北半球各自的冬季最大、夏季最小,并呈现明显的季节变化特征。误差随预报时效的增速略低于线性增速且不同预报时效下误差随高度变化的曲线趋势相似。温度场误差的空间分布相对均匀,误差大值位于30°S~30°N附近地区。纬向风场误差没有十分明显的分布规律,与纬度变化、海陆分布和地形的关系均不密切,西风误差和东风误差交替出现。结果表明:模式对冬季中高纬度地区和边界层及对流层顶的模拟技巧尚需提高。明确GRAPES_GFS 2.0的系统误差分布特性,有助于有针对性地进行模式订正,改善误差大值区域的模式预报方法。     

基于CRA技术的华南前汛期强降水EC模式预报误差分析

利用CRA空间检验技术对ECMWF模式36 h时效预报的2016—2018年华南前汛期(4—6月)69个降水目标进行了检验及误差统计分析,并将预报落区偏差相似个例的环流形势及天气尺度影响系统进行了分析。(1) 87% 的强降水目标存在明显落区预报偏差,最大偏差为2.75 °。偏差以经向偏差为主,其中偏北的目标多于偏南的目标,平均偏北0.6 °;无系统性纬向偏差。(2) 模式预报的降水面积较实况偏大的个例多。(3) 不同降水落区预报偏差类型月份分布、对应的环流特征与天气尺度影响系统具有一定的差异性。4月各偏差类型出现的频次相当,5月以西北型个例为主,6月东北型个例最多。西北型个例天气尺度影响系统以长波槽或东北冷涡、冷式切变线为主,西南型、东北型个例主要受南支波动与中纬度短波槽影响,低层低涡、冷、暖式切变线等出现的频次差不多。通过降水预报落区偏差较大和较小的个例对比分析,表明模式强降水落区预报偏差可能与对流组织化发展程度以及暖区是否存在有利于对流发展条件等有关。      

位温方程拉格朗日平流计算方案的改进及其在GRAPES_GFS全球模式的应用

GRAPES全球数值预报系统(GRAPES_GFS)个例试验中,模式高层垂直速度在南极大陆上空会出现较大的计算噪音,进而影响模式的积分稳定性,甚至积分中断。对GRAPES_GFS的动力框架以及动力、物理耦合方案进行诊断分析,发现位势温度在拉格朗日上游点上的垂直插值是垂直速度噪音产生的主要原因。2013年7月实际资料试验表明,在位温方程中引入垂直非插值的拉格朗日平流方案,可以减少或消除该计算噪音。使用新的方案后,北半球和热带地区模式预报的整体性能得到了明显提高,8 d预报的全球质量损失较为严重的问题也得到了缓解。     

T213L31模式热带气旋路径数值预报误差分析

应用国家气象中心的T213L31模式对2006—2009年热带气旋路径数值预报的结果从平均距离误差、距离误差分布、模式系统性偏差、平均全移速误差、模式对背景场的预报偏差进行全面检验分析表明:对于不同走向的热带气旋 (简称TC) 路径预报而言,预报误差最小的是西行路径TC,预报误差最大的是东北行路径TC。按照TC强度进行分类统计发现,TC强度强比强度弱的路径预报平均距离误差小。T213对所有样本的平均预报而言,存在西北偏西向的系统性偏差,不同类型路径TC存在不同的系统性偏差。通过计算平均全移速可以看出,对于西北行、西行、北上类型路径在整个预报时效中移速偏差较小,而对于所有转向类路径移速偏差较大,即偏慢较明显。对T213模式预报2009年TC路径误差较大的个例 (0904,0906,0907号热带气旋) 检验模式对背景场的预报偏差,个例分析表明:模式对中高纬度西风槽预报偏强、对TC环境风场垂直切变预报偏大、对两个相近的TC预报更容易发生藤原效应,这些因素是导致TC路径偏差的主要原因。     

小波检验方法在国内业务模式中的最新应用研究进展

本文主要介绍小波检验方法在国内区域业务模式中的最新应用研究进展,该方法被应用于模式降水预报的个例检验和统计检验,并针对两种解决二元域限制问题的技术方案进行阐述和讨论。结果表明：D8小波可以提供一种从不同降水率阈值和空间尺度对模式定量降水预报进行评估的方案,该方案首先对预报场和分析场进行阈值获得二进制误差场,再对二进制误差场进行尺度分解,从而可以评估模式在各个降水率阈值和空间尺度上的预报技巧和偏差。统计检验结果显示模式对较大尺度降水事件表现出较高的预报技巧评分,较小尺度降水事件和强降水的预报技巧评分相对较低,并且总体上呈现出预报降水事件多于观测降水事件的特征。Padding方案和Tiling方案对应的模式统计检验结果并无明显差异,由于后者不对原始降水场做任何改变,因此是一种更为稳健和可靠的方案。     

基于TIGGE资料的集合成员优选方法

利用2007年6月8日—8月31日东亚地区TIGGE集合预报资料中欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)和英国气象局(United Kingdom M et Office,UKM O)两个中心的地面2 m气温资料进行集合成员优选研究。结果表明,对于24~96 h预报,集合成员优选方法能够较好地选出预报技巧较高和预报技巧较低的集合成员。个例分析表明,在极端天气出现的地区,优选集合平均的预报优势较为明显。对比ECMWF和UKMO的集合成员优选结果发现,ECMWF的预报效果优于UKMO的预报效果。     

2009年夏季西太平洋台风路径和强度的多模式集成预报

基于TIGGE资料中的中国气象局、欧洲中期天气预报中心、日本气象厅和英国气象局等四个中心的2009年5月1日-8月31日台风预报资料,利用多模式集合平均、消除偏差集合平均和加权消除偏差集合平均等方法,对2009年8月1-31日预报期的西太平洋的台风路径和强度(中心气压)进行24～ 72 h预报时效的多模式集成预报,并对0907号台风“天鹅”和0908号台风“莫拉克”进行个例分析.结果表明:各中心对于不同时效的预报,预报技巧有明显差异.消除偏差集合平均与加权消除偏差集合平均显著地减小了预报误差,预报效果优于最好的单个中心预报和多模式集合平均.对于24 ～ 72 h预报,加权消除偏差集合平均方法始终表现出最好的预报性能.     

东亚地区春冬季与夏季大气环流异常相互关系的研究

利用1951~2000年共50年的北半球500 hPa月平均高度距平场资料和奇异值分解技术（SVD），重点对东亚地区季节间大气环流异常的相互关系进行了初步探讨。结果表明，东亚地区季节间大气环流异常存在着较为密切的关联，并且这种明显的非同步联系具有时空相关显著的特点，尤其是夏季大气环流异常与其前冬和前春大气环流异常的联系更为密切。当前冬和前春北半球东亚大槽和北美大槽及蒙古高压偏强（或偏弱），极涡偏弱（或偏强），中高纬度盛行经向环流（或纬向环流），以及低纬和热带地区高度正距平（或负距平）明显时，则对应于夏季东亚地区西太平洋副高和鄂霍次克海阻高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），贝加尔湖阻高强度也偏强（或偏弱），但位置偏西（或偏东）的大尺度环流形势出现。当春季北半球大气环流具有上述特点以及夏季鄂霍次克海阻高和西太平洋副高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），且极涡较弱（较强）时，则东亚地区秋季大气环流对应于蒙古高压加强（或较弱），西太平洋副高减弱（或加强），并向南和向东移动（或移动较慢），极涡向南扩散（或扩散减弱），大气环流向冬季过渡加快（或减慢）。另外，大气环流异常还具有一定的持续性特征。     

Regional features of precipitation over Asia and summer extreme precipitation over Southeast Asia and their associations with atmospheric–oceanic conditions

The variations of both total and extreme precipitations over Asia are characterized by large regional features and seasonality. Extreme precipitation mainly occurs in summer and then in autumn over South Asia but it is a prominent phenomenon in all seasons over Southeast Asia. It explains above 40% of the total precipitation in winter over India, while the ratio of extreme precipitation to total precipitation is 30% or smaller in all seasons over southern-central China. Over Southeast Asia, the largest ratio appears in winter. The extreme precipitation over Southeast Asia (EPSEA) exhibits significant positive trends in all seasons except autumn. The long-term increase in summer EPSEA is associated with significant surface warming over extratropical Asia and the Indo-Pacific oceans and linked to a large-scale anomalous cyclonic pattern over Southeast Asia. An increase in de-trended summer EPSEA is associated with less significant surface warming. However, it is still clearly linked to an anomalous cyclonic pattern over Southeast Asia, contributed by intensifications of monsoon flow from the west, trade wind from the east, and cross-equatorial flow over Indonesia. The antecedent features of increased summer EPSEA include an overall warming over the tropical–subtropical northern hemisphere and an anomalous cyclonic pattern over Southeast Asia in winter and spring. When the large-scale Asian monsoon (measured by the Webster-Yang monsoon index) or the South Asian monsoon is strong, summer extreme precipitation mainly increases over tropical Asia. When monsoon is strong over Southeast Asia or East Asia, extreme precipitation increases over Southeast Asia and decreases over East Asia. A strong summer monsoon over Southeast Asia or East Asia is also followed by decreased autumn extreme precipitation over Southeast Asia.     

Increased Tibetan Plateau Snow Depth：An Indicator of the Connection between Enhanced Winter NAO and Late-Spring Tropospheric Cooling over East Asia

The authors present evidence to suggest that variations in the snow depth over the Tibetan Plateau (TP) are connected with changes of North Atlantic Oscillation (NAO) in winter (JFM). During the positive phase of NAO, the Asian subtropical westerly jet intensifies and the India-Myanmar trough deepens. Both of these processes enhance ascending motion over the TP. The intensified upward motion, together with strengthened southerlies upstream of the India-Myanmar trough, favors stronger snowfall over the TP, which is associated with East Asian tropospheric cooling in the subsequent late spring (April--May). Hence, the decadal increase of winter snow depth over the TP after the late 1970s is proposed to be an indicator of the connection between the enhanced winter NAO and late spring tropospheric cooling over East Asia.     

全球变暖减缓背景下欧亚秋冬温度变化特征和原因

采用气候序列变化趋势诊断和一元线性回归等分析法,研究和讨论了2000-2012年和1976-1999年两种年代际背景下全球陆地不同区域的年平均地表温度的变化特征。发现欧亚大陆中高纬度地区是对全球变暖减缓贡献最大的区域。且该地区在2000年以来秋季年代际增温,而冬季年代际降温。从同期大气环流的配置来看,在对流层低层,秋季西伯利亚高气压年代际减弱,而冬季西伯利亚高气压年代际增强。在对流层中高层,秋季从西欧至东北亚为"高-低-高"的高度场异常分布,纬向环流加强,经向环流减弱,而冬季极地与贝加尔湖地区的高度场呈偶极型分布,东亚大槽加深,经向环流加强。进一步研究发现,超前一个季节的喀拉海附近的海冰与欧亚中高纬度秋冬两季温度的年代际变率有着密切的联系。一方面,夏季(秋季)海冰减少影响秋季(冬季)中高纬度大气环流;另一方面,夏季(秋季)海冰减少,使得秋季(冬季)从北极至中高纬度大陆的对流层低层水汽含量增加(减少),大气逆辐射增强(减弱)导致秋季(冬季)增温(降温)。     

Evaluation of East Asian climatology as simulated by seven coupled models

Using observation and reanaiysis data throughout 1961-1990, the East Asian surface air temperature, precipitation and sea level pressure climatology as simulated by seven fully coupled atmosphere-ocean models, namely CCSR/NIES, CGCM2, CSIRO-Mk2, ECHAM4/OPYC3, GFDL-R30, HadCM3, and NCARPCM, axe systematically evaluated in this study. It is indicated that the above models can successfully reproduce the annual and seasonal surface air temperature and precipitation climatology in East Asia, with relatively good performance for boreal autumn and annual mean. The models‘ ability to simulate surface air temperature is more reliable than precipitation. In addition, the models can dependably capture the geographical distribution pattern of annual, boreal winter, spring and autumn sea level pressure in East Asia. In contrast, relatively large simulation errors axe displayed when simulated boreal summer sea level pressure is compaxed with reanalysis data in East Asia. It is revealed that the simulation errors for surface air temperature, precipitation and sea level pressure axe generally large over and around the Tibetan Plateau. No individual model is best in every aspect. As a whole, the ECHAM4/OPYC3 and HadCM3 performances axe much better, whereas the CGCM2 is relatively poorer in East Asia. Additionally, the seven-model ensemble mean usually shows a relatively high reliability.     

极涡与南亚高压的关系及对我国降水的协同影响

利用1951~2016年NCAR再分析月平均资料及台站降水资料,研究了极涡与南亚高压的关系及其对我国降水的协同影响。结果表明:极涡和南亚高压在夏、秋、冬季周期变化的时间尺度基本一致,夏季为准9a尺度变化,秋季为准8a尺度变化,冬季为准4a尺度变化;极涡和南亚高压的相关性在夏季最强,在春季最弱,其同期变化对我国降水的影响十分显著;根据同期的极涡和南亚高压各自面积指数标准化距平的正负,将“正-正、正-负、负-正、负-负“四个模态分别定义为SS型、SW型、WS型、WW型,其中SW型与WS型占比较多,表明极涡与南亚高压的同期变化以负相关为主;春季极涡与南亚高压对我国降水的影响主要在新疆及东北渤海湾一带,SS型和WS型对应北方多雨,SW型和WW型反之;夏季其影响主要在高原北部及长江中下游地区,除SW型以外,其余三种分型均对应长江中下游地区多雨;秋季其影响主要在新疆地区,SS型和WS型对应该地区降水偏多,SW型和WW型反之;冬季其影响主要在新疆至长江三角洲一带,SW型对应40°N附近地区多雨,WW型对应西北至东南地区少雨;夏季,极涡与南亚高压的异常调整了东亚大气环流的配置,进而对我国的降水产生影响。      

2009年12月至2010年2月T639、ECMWF及日本数值模式中期预报性能检验

对2009年12月至2010年2月T639、ECMWF(以下简称EC)及Japan(以下简称JP)数值模式的预报产品进行了对比分析和检验。结果表明:各家模式对亚洲中高纬度大尺度环流的演变和调整以及对流层低层温度变化都有较好的预报能力,不同时段性能不同,没有明显的系统性偏差;对冬季南支槽的预报,与EC模式相比,T639模式和日本模式预报的强度和移速误差较大;对于寒潮地面冷高压的预报,EC模式好于T639模式,而T639模式又好于日本模式。     

近百年东亚冬季气温及其大气环流变化型态

利用最新20世纪近百年再分析气象资料,研究近百年东亚冬季气温变化型及其相关的大气环流型态.结果表明近百年内东亚冬季气温主要有两种变化型:第一是东亚西南与东北相反气温变化型,表现在40°N以南及105°E以西地区(西南地区)气温变化与40°N以北及105°E以东地区(东北地区)变化相反;第二是40°N以南气温一致变化型.与第一种气温变化型耦合的大气模态是500hPa欧亚型遥相关、西伯利亚高压及北大西洋涛动.当欧亚型遥相关负位相,北大西洋涛动正位相及西伯利亚高压减弱时,有利于蒙古和我国105° E以东的区域增温而我国西南地区和青藏高原降温,反之亦然.第二种气温变化型耦合大气模态是500hPa西太平洋型遥相关,北太平洋涛动.当西太平洋型遥相关及北太平洋涛动处于正位相时(北太平洋北负南正),东亚40°N以南地区增温,东亚40°N以北地区降温.耦合的大气模态的型态差异,影响各阶段气温的年际变化.近一百年中,欧亚型遥相关和北大西洋涛动在1984～2010期间的型态最显著,是20世纪80年代东亚显著增暖的原因之一.研究还发现20世纪中期后东亚气温的年际变化与极地环流的变化联系紧密,表现在西伯利亚高压范围东扩并与极地环流联系,也是近百年气温趋势上升的一个原因.     

Changes in the East Asian Cold Season since 2000

Using NCEP-NCAR reanalysis data and observational data from meteorological stations in China, the evolution of the East Asian cold season (EACS) and its long-term changes after 2000 were studied. A monsoon tendency index (MTI), defined as the temporal di?erence of the East Asian monsoon index, indi- cates that the winter monsoon setup has been postponed in autumn, while the setup has quickened in early winter. In mid winter, the EACS breakdown process has accelerated, while it has lingered in late winter. The authors suggest that the postponement of monsoon setup in autumn may be caused by strong global warming at the lower levels, which further limits the setup time period and leads to the quickening of the setup process in early winter. Meanwhile, a north-south seesaw of temperature tendency change in China can be observed in December and February, which may be related to large-scale circulation changes in the stratosphere, characterized by a polar warming in mid winter and polar cooling in early spring. This linkage is possibly caused by the dynamical coupling between stratosphere and troposphere, via the variation of planetary wave activities. In spring, the speed of the EACS breakdown has decreased, which favors the revival of the EACS in East Asia.     

厄尔尼诺衰减年东亚夏季大气环流和降水异常的耦合模式后报试验

利用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(LASG)新一代耦合气候模式(FGOALS)进行了气候异常季节后报试验,通过对1982—2005年7个个例的分析,探讨了厄尔尼诺衰减年夏季东亚大气环流和降水异常发生的物理机制。分析结果表明:FGOALS可以模拟出厄尔尼诺衰减年夏季相关气候场的异常态特征,表现为在西北太平洋为负海温异常,在热带印度洋为正海温异常,从而导致西北太平洋地区大气中低层异常反气旋环流的维持,其反气旋的西南部及西部的偏南及西南气流造成中国长江中下游地区降水的异常增多。在提前3—9个月的预测模拟中,模式可以模拟出气候场的异常演变,随着预测时间的延长,产生局地耦合的西北太平洋海表温度异常信号变弱,使得模拟出的西北太平洋反气旋异常偏弱、中心东移,从而导致影响东亚降水的气候场的异常变弱,降水异常区偏东。模拟结果也揭示出,西北太平洋海表温度负异常是厄尔尼诺异常信号的转换模态,并且,由于局地海-气相互作用,热带海温异常信号可以持续到第2年夏季,从而引起东亚大气环流和降水异常。对于东亚降水的季节预测出现误差可能是模式对ENSO的模拟偏差造成的,随着预测时间延长,模式模拟的厄尔尼诺信号偏弱,这将使得海表温度异常偏弱,同时相关物理场的异常响应也减弱。