跨季度动力气候预测系统IAP DCP—Ⅱ

概述中国科学院大气物理研究所研制的跨季度动力气候预测系统(IAP DCP-Ⅱ)，及其在我国夏季降水距平预测业务中的应用情况。该系统的试用始于1988年，1998年定型为现今版本(即IAP DCP-Ⅱ）。1998年起至今，每年预测的检验说明，该系统有较好的跨季度预测能力，能预报出夏季降水距平的大范围分布形势。     

2002年夏季气候及汛期实时预测与检验

简要介绍了中国科学院大气物理研究所2002年汛期预测的结果.作者首先利用IAP ENSO预测系统,较好地预测出2002年夏季将有一个强度偏弱的El Nno事件发生;IAP动力学气候预测系统(IAP DCP-Ⅱ)的跨季度预测结果则表明2002年夏季我国华北和东北大部将持续干旱少雨,长江下游和南方大部地区降水较常年偏多;在数值预测的基础上,结合其他的动力统计预测方法,最终得到中国科学院大气物理研究所2002年夏季旱涝趋势的跨季度集成预测结果.与实况比较表明,IAP DCP-Ⅱ预测和集成预报均较好地预测出我国夏季旱涝的大范围形势分布,特别是动力数值预测的效果在我国东部略优于集成预测.至于汛期(6～8月)每天的天气分析研究和数值天气预报,则表明国内外现有的中高分辨率数值天气预报模式均有很好的预测能力,并给出了我国长江流域和华北地区2002年持续性降水的天气学模型.     

IAP数值气候预测系统对2004年中国夏季气候的预测

通过1980～2000年共21年的集合后报试验,考察水平分辨率提高至2°×2.5°的IAP短期数值气候预测系统对中国夏季气候异常的预报技巧.后报试验结果表明:该预测系统对中国夏季气温异常具有较好的预报能力,此外对夏季降水异常也具有一定的预报能力.利用IAP ENSO预测系统,较好地预报出2004年3月以后热带太平洋海温的演变情况,并在此基础上,对2004年中国夏季气候进行了实时预测.与实况比较表明,IAP数值气候预测系统总体上较好地预报出2004年夏季我国大范围的降水和温度异常分布,特别是较好地预测出夏季我国北方大部、华南沿海等地区气温偏高,而黄淮以及长江中上游地区气温偏低的观测事实.预测的温度距平与中国地区160个站观测实况的距平相关系数可达0.39.     

基于经验正交函数和奇异值分解对东亚季风区跨季度夏季降水距平的订正方法

基于经验正交函数(EOF)和奇异值分解(SVD)方法,作者对IAP9L-AGCM后报的东亚季风区1984～2003年共20年的跨季度夏季降水距平场进行回归订正,并对订正前后降水距平场与实测场间的空间相似性、强度、以及年际变化相关性进行分析.结果表明这两种订正方案均能明显提高夏季降水距平预报场与实测场间的空间相似性和年际变化相关性;而基于EOF的订正方案对强度的订正效果要优于基于SVD的订正方案.此外,在此基础上,我们进一步提出多种订正方法集合的思想.     

跨季度气候距平数值预测研究小结

中国科学院大气物理研究所发展了一个准业务跨季度气候距平数值预测系统,包括气候模式、大气和海洋初始条件同化、年际气候异常信号的提取、集合积分与概率计算、预测值系统误差的订正方法以及预测评分技术等方面,以东亚夏季风降水和太平洋海温异常为主要预测对象。本文主要报告５年来中国夏季降水跨季度预测准业务试验的结果。１９８９～１９９５年夏季降水跨季度实时预测试验的结果表明：对于导致气候灾害的夏季降水异常,例如中国东部的严重旱涝,我们能够作出很好的预测;对于比较弱的夏季降水异常,预测技巧较低。另外,预测效果有明显的地区差异,比如,中国东部比西部好,东部又以长江中下游为最佳。本文还介绍了一些由西太平洋海温异常影响大气的物理过程及机理,提出了一个“持续异常区假说”。进而讨论了集合预测的理论和方法,并通过一个实例来说明如何使用集合积分技术来识别持续异常区。最后对短期气候预测的几个基本问题以及改进的途径进行了讨论     

RegCM3_IAP9L-AGCM对中国跨季度短期气候预测的回报试验研究

将区域气候模式RegCM3与中国科学院大气物理研究所全球大气环流模式IAP9L-AGCM进行单向嵌套,建立嵌套区域气候模式RegCM3_IAP9L-AGCM,并利用该嵌套模式对1982—2001年中国夏季短期气候进行了跨季度集合回报试验。结果表明,RegCM3_IAP9L-AGCM对高空气候变量(500hPa位势高度场、200和850hPa纬向风场)的回报结果与实况距平相关系数(ACC)基本为正,其回报效果好于单独使用IAP9L-AGCM的结果。除850hPa纬向风场外,其他两个变量场回报与实况正相关的区域基本呈纬向带状分布且通过90%信度检验。在中国大部分地区(除长江下游、东北北部和西北北部外),嵌套区域气候模式回报的降水距平百分率与实况基本为正相关。RegCM3_IAP9L-AGCM和IAP9L-AGCM对中国不同区域的夏季降水回报效果不同,前者对华南降水的回报效果明显好于后者。     

2004年夏季短期气候集成预测及检验

分析了2004年夏季东亚大气环流的主要特点及对我国天气与气候的影响.对可能影响2004年夏季中国降水的主要物理因子及其演变的判断基本正确.跨季度预测指出2004年夏季我国大范围严重洪涝事件的可能性不大,6～8月主雨带可能位于黄河中下游与淮河之间;并较好地预测了影响我国的台风数.对2004年夏季跨季度气候预测中存在的问题进行了初步讨论,以便改进和完善中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统.     

一个全球海气耦合模式跨季度汛期预测能力的初步检验和评估

文中利用一个全球大气 海洋耦合模式 ,对中国汛期气候异常进行了 1991～ 2 0 0 1年共 11a的跨季度回报试验和检验研究。采用一套多指标的评估方法 ,对该模式的预报性能进行系统的定量评估。结果表明 ,该模式对中国汛期降水和温度及夏季北半球大尺度环流场等都有一定的跨季度预报能力。模式对中国不同区域夏季降水的预测能力有所不同。总的来说 ,模式对中国东部和西部的降水趋势回报较好 ,模式预报好于气候预报和持续性预报。从相关系数指标来看 ,模式跨季度预测夏季温度的技巧在中国西部比中国东部高。     

跨季度气候距平数值预测试验

本文报导我们用海气耦合模式所进行的两次跨季度气候距平数值预测试验:一次由1988年秋季(9月)开始预测至翌年初夏(5月),另一次由隆冬(1989年1月)开始预测至8月,预测时效均超过半年,其结果是令人鼓舞的。 我们经过分析认为,作跨季度气候预测必须用耦合模式。本试验中我们采用大气物理研究所的大气环流模式和大洋环流模式,其中的大气环流模式能较好地模拟出全球气候状态,尤其是夏季形势及东亚季风区的季节突变现象;大洋环流模式消除了“刚盖近似”,模拟得到的海表层洋流、水温及海表热通量、上层海洋热贮存率等都比较接近实况。在进行耦合积分时,初条件取自观测得到的月平均大气环流资料和海表温度场(SST)及经协调性积分后的模式海候场,采用海洋、大气非同步耦合方案;同时,对海气相互作用各项进行订正,以消除模式气候场和海候场的系统性偏差。 这两次试验的初始场反映出太平洋有大范围和较强的海表温度距平(SSTA),是典型的La Nino(即反E1 Nino)现象。试验结果表明:环流形势季节转换、SSTA的维持及演变(如1989年5月以后La Nino的终止)、东亚地区各月和季度降水距平等大形势分布的预测都可以说是成功的。这似乎说明,当有较大范围和较强的大气或海洋环流形势异常(如SSTA)时,包括环流异常演变和降水距平在内的跨季节预测是可能的,但要达到实用地步,模式以及耦合方案须大加改进,观测系统也应完善,四维分析(尤其是用于海洋环流的资料同化)方法也要研究。此外,用耦合模式作出的数值预测同由统计方法、相似方法以及其它天气-气候分析研究所得到的预报因子等结合起来,作跨季度的降水距平预测也许更为有效。 另外,我们还在本试验中,用数值模拟方法进行了跨季度降水异常机理研究,肯定了一些天气-气候分析研究所得到的结论。     

土壤湿度——一个跨季度降水预测中的重要因子及其应用探讨

阐述了土壤湿度对短期气候变化的重要作用,结合我国的业务现状提出亟需将这一因子应用于跨季度降水预测。通过将一个土壤湿度反演模型引入IAP跨季度气候预测系统,探讨了土壤湿度应用于季节降水预测的可行性及其效果。初步的个例分析表明:前期土壤湿度的异常分布对降水变化有较显著的影响,继续改进土壤湿度反演模型可望获得更好的降水预测效果。同时,提出的基于常规气象观测进行反演以获得大范围土壤湿度分布的办法在当前业务预测中具有很强的可操作性。     

Recent Advances in Dynamical Extra-Seasonal to Annual Climate Prediction at IAP／CAS

Recent advances in dynamical climate prediction at the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP/CAS) during the last five years have been briefly described in this paper. Firstly,the second generation of the IAP dynamical climate prediction system (IAP DCP-II) has been described,and two sets of hindcast experiments of the summer rainfall anomalies over China for the periods of 1980-1994 with different versions of the IAP AGCM have been conducted. The comparison results show that the predictive skill of summer rainfall anomalies over China is improved with the improved IAP AGCM in which the surface albedo parameterization is modified. Furthermore, IAP DCP-II has been applied to the real-time prediction of summer rainfall anomalies over China since 1998, and the verification results show that IAP DCP-II can quite well capture the large scale patterns of the summer flood/drought situations over China during the last five years (1998-2002). Meanwhile, an investigation has demonstrated the importance of the atmospheric initial conditions on the seasonal climate prediction, along with studies on the influences from surface boundary conditions (e.g., land surface characteristics, sea surface temperature).Certain conclusions have been reached, such as, the initial atmospheric anomalies in spring may play an important role in the summer climate anomalies, and soil moisture anomalies in spring can also have a significant impact on the summer climate anomalies over East Asia. Finally, several practical techniques(e.g., ensemble technique, correction method, etc.), which lead to the increase of the prediction skill for summer rainfall anomalies over China, have also been illustrated. The paper concludes with a list of criticalre quirements needed for the further improvement of dynamical seasonal climate prediction.     

1999年中国夏季气候的预测和检验

利用改进的中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统（IAPPSSCA）,结合IAPENSO预测系统所预测的1999年热带太平洋地区的海温异常,对1999年中国夏季气候进行了适时集合预测。预测结果表明：IAPPSSCA较好地预测出了1999年夏季北半球大尺度环流场的异常情况,并较好地预测出1999年中国南涝北旱的大范围降水形势。IAPPSSCA对长江下游的强降水中心、中国南方大部夏季多雨的特征以及中国北方大部的干旱少雨形势的预测,与实测较相符。但IAPPSSCA预测的南方大范围雨带的北界比实测的略为偏北,北方的小范围的降水正距平区域也没有能预报出来。另外,对于月平均降水距平的预测亦存在较大的不确定性。这说明我们的预测系统还有待于进一步的改进和完善。     

我国近年来短期气候预测研究的若干进展

回顾了近年来我国短期气候预测研究的若干进展,主要是在中国科学院大气物理研究所完成的以气候模式为基础的短期气候预测方面工作.第一个基于气候数值模式开展短期气候预测试验的是曾庆存等人,他们所采用的是IAP AGCM耦合一个热带太平洋环流模式(OGCM);1997年,基于耦合气候模式基础上的ENSO预测系统建立起来;同时开展了东亚区气候可预测性研究;利用气候变动的准两年信号提出了对模式预测结果进行有效修正的方案;为了考虑初始土壤湿度异常对夏季气候的影响,建立了气象变量和土壤湿度的经验关系;还系统地研究了1998年海面温度异常和大气春季异常对夏季气候(特别是发生于中国的大水)预测的影响.     

应用IAP9L-AGCM对2002年中国夏季气候的预测及效果检验

利用中科院大气所9层大气环流格点模式(IAP9L—AGCM)和IAP—ENSO预测系统对2002年中国夏季气候进行实时集合预测及其检验。结果显示，IAP9L—AGCM较好地预测出了2002年夏季我国大范围旱涝的分布形势，如华南、我国西部多雨，黄河和长江流域之间大范围干旱等；850hPa减弱的夏季风、青藏高原辐散中心以及北太平洋上空的异常气旋性环流中心亦被较好地预报出来；不足的是，模式对降水异常细致分布的预测能力有限。预测结果还表明，该模式对夏季(6—8月)平均降水的预报技巧要高于月平均状况，且月平均预报的准确度从6—8月依次递减。     

IAP短期气候距平预测系统的定量评估及订正技术的改进研究

采用一套多指标的评估方法, 对中国科学院大气物理所研制的短期气候距平数值预测系统（ＩＡＰＰＳＳＣＡ） 方案１ 的预测性能进行了定量的、系统的评估。评估表明： ＩＡＰＰＳＳＣＡ 对中国汛期大尺度的、重大的降水异常预报较好; 在不同区域,ＩＡＰＰＳＳＣＡ 的预测能力不同, 对中国东南区域显示出较高的预报准确度和可信度; 与单个预报相比, 集合预测水平稳定, 能提高总体预测水平。另外, 还对订正技术进行了改进研究, 距平百分率订正较距平订正效果为佳。     

EXTRA-SEASONAL PREDICTIONS OF SUMMER RAINFALL IN CHINA AND ENSO IN 2001 BY CLIMATE MODELS*

China is a monsoon country.The most rainfalls in China concentrate on the summer seasons.More frequent floods or droughts occur in some parts of China.Therefore,the prediction of summer rainfall in China is a significant issue.As we know,the obvious impacts of the sea surface temperature anomalies(SSTA)on the summer rainfall over China have been noticed.The predictions of the SSTA have been involved in the research.The key project on short-term climate modeling prediction system has been finished in 2000.The system included an atmospheric general circulation model named AGCM95,a coupled atmospheric-oceanic general circulation model named AOGCM95,a regional climate model over China named RegCM95,a high-resolution Indian-Pacific OGCM named IPOGCM95,and a simplified atmosphere-ocean dynamic model system named SAOMS95.They became the operational prediction models of National Climate Center(NCC).Extra-seasonal predictions in 2001 have been conducted by several climate models,which were the AGCM95,AOGCM95,RegCM95,IPOGCM95,AIPOGCM95,OSU/NCC,SAOMS95,IAP APOGCM and CAMS/ZS.All of those models predicted the summer precipitation over China and/or the annual SSTA over the tropical Pacific Ocean in the Modeling Prediction Workshop held in March 2001.The assessments have shown that the most models predicted the distributions of main rain belt over Huanan and parts of Jiangnan and droughts over Huabei-Hetao and Huaihe River Valley reasonably.The most models predicted successfully that a weaker cold phase of the SSTA over the central and eastern tropical Pacific Ocean would continue in 2001.The evaluations of extra-seasonal predictions have also indicated that the models had a certain capability of predicting the SSTA over the tropical Pacific Ocean and the summer rainfall over China.The assessment also showed that multi-model ensemble(super ensembles)predictions provided the better forecasts for both SSTA and summer rainfall in 2001,compared with the single model.It is a preliminary assessment for the extra-seasonal predictions by the climate models.The further investigations will be carried out.The model system should be developed and improved.     

EXTRA-SEASONAL PREDICTIONS OF SUMMER RAINFALL IN CHINA AND ENSO IN 2001 BY CLIMATE MODELS

China is a monsoon country.The most rainfalls in China concentrate on the summer seasons.More frequent floods or droughts occur in some parts of China.Therefore,the prediction ofsummer rainfall in China is a significant issue.As we know,the obvious impacts of the sea surfacetemperature anomalies(SSTA)on the summer rainfall over China have been noticed.Thepredictions of the SSTA have been involved in the research.The key project on short-term climate modeling prediction system has been finished in 2000.The system included an atmospheric general circulation model named AGCM95,a coupledatmospheric-oceanic general circulation model named AOGCM95,a regional climate model overChina named RegCM95,a high-resolution Indian-Pacific OGCM named IPOGCM95,and asimplified atmosphere-ocean dynamic model system named SAOMS95.They became theoperational prediction models of National Climate Center(NCC).Extra-seasonal predictions in 2001 have been conducted by several climate models,which werethe AGCM95,AOGCM95,RegCM95,IPOGCM95,AIPOGCM95,OSU/NCC,SAOMS95,IAPAPOGCM and CAMS/ZS.All of those models predicted the summer precipitation over China and/or the annual SSTA over the tropical Pacific Ocean in the Modeling Prediction Workshop held inMarch 2001.The assessments have shown that the most models predicted the distributions of main rain beltover Huanan and parts of Jiangnan and droughts over Huabei-Hetao and Huaihe River Valleyreasonably.The most models predicted successfully that a weaker cold phase of the SSTA over thecentral and eastern tropical Pacific Ocean would continue in 2001.The evaluations of extra-seasonal predictions have also indicated that the models had a certaincapability of predicting the SSTA over the tropical Pacific Ocean and the summer rainfall overChina.The assessment also showed that multi-model ensemble(super ensembles)predictionsprovided the better forecasts for both SSTA and summer rainfall in 2001,compared with the singlemodel.It is a preliminary assessment for the extra-seasonal predictions by the climate models.Thefurther investigations will be carried out.The model system should be developed and improved.     

An Effective Approach for Improving the Real-Time Prediction of Summer Rainfall over China

This paper has two purposes. One is to evaluate the ability of an atmospheric general circulation model (IAP9L-AGCM) to predict summer rainfall over China one season in advance. The other is to propose a new approach to improve the predictions made by the model. First, a set of hindcast experiments for summer climate over China during 1982-2010 are performed from the perspective of real-time prediction with the IAP9L-AGCM model and the IAP ENSO prediction system. Then a new approach that effectively combines the hind-cast with its correction is proposed to further improve the model’s predictive ability. A systematic evaluation reveals that the model’s real-time predictions for 41 stations across China show significant improvement using this new approach, especially in the lower reaches between the Yellow River and Yangtze River valleys.     

1998年和2016年北大西洋海温异常对中国夏季降水影响的数值模拟研究

基于1979-2016年ERA-Interim再分析资料和CAM5.3模式,研究了2016年和1998年北大西洋海温异常对中国夏季降水以及大尺度环流的可能影响及其机制。结果表明,这两年前夏（6-7月）长江中下游及其以南地区降水均异常偏多,但1998年降水异常较2016年更为显著。后夏（8月）,2016年长江以南地区降水异常偏多,长江-黄河流域降水异常偏少,而1998年降水异常分布与之相反。2016年和1998年夏季中国东部降水异常的差异与西北太平洋对流层低层异常反气旋以及欧亚中高纬度环流变化的共同作用直接相关。敏感性数值试验的结果表明,北大西洋海温异常的显著差异是导致2016年和1998年夏季中国东部降水以及大尺度环流异常存在明显差异的重要原因之一。一方面,北大西洋海温异常可以通过改变欧亚中高纬度环流进而对中国夏季降水产生影响。1998年北大西洋海温异常自热带至副极地呈类似"+ - +"型分布,这种海温异常型能够在前夏欧亚中高纬度地区激发出双阻型的环流异常响应。2016年北大西洋海温异常自热带至副极地呈相对弱的"- + -"型分布,欧亚中高纬度环流异常响应总体偏弱。另一方面,北大西洋海温异常还可以通过影响热带纬向环流进而对西北太平洋对流层低层异常反气旋起调制作用。1998年北大西洋海温异常对夏季西北太平洋异常反气旋起增强作用,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相协调。然而,2016年北大西洋海温异常则有利于西北太平洋异常反气旋的减弱,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相反。因此,在这3个大洋的协同作用下,2016年和1998年前夏西北太平洋异常反气旋均偏强,但前者的振幅弱于后者。在后夏,1998年西北太平洋对流层低层仍受异常反气旋控制,2016年则为异常气旋控制。