短期气候预测的可预报性与不确定性

分析总结了近年来国内外短期气候预测业务、预测试验研究及可预报性研究的成果。指出无论用大气环流模式（AGAM）还是用统计方法，月平均环流预报与观测实况的相关系数均在0.2～0.3之间。用统计方法所作的气温预报水平与之相当，降水预报水平还要略低一些。季度预报大多依靠统计方法。近年来我国汛期降水预报水平有明显提高，但也只相当于相关系数0.2～0.3。用耦合环流模式（CGCM）积分作季度预报仅仅才开始试验。用各种模式作ENSO预报时表现出一定技巧，预报时效可达半年以上，但仍有春季预报障碍等问题。短期内气候预测业务可能仍然以统计方法为主。但必须大力开展气候系统机理的研究，并建立相应的模式。不了解气候变率形成的物理机制, 短期气候预测水平不可能有显著提高。     

大气环流模式在黄河流域的适用性评价

本文以国际上较流行的5个大气环流模式(HadCM3、GFDL、ECHAM4、CSIRO-Mk2以及CGCM2)对黄河流域1961～1990年温度和降水的模拟结果为基础,通过与该流域同期观测值比较,分析了各大气环流模式(GCM)在黄河流域的适用性.研究结果表明:HadCM3、GFDL两个模式对黄河流域温度的模拟结果较好;ECHAM4、HadCM3两个模式对黄河流域降水的模拟结果较好.5个大气环流模式对温度的模拟明显优于对降水的模拟.总体而言,英国的HadCM3模式在黄河流域的适用性最好,可为黄河流域水文水资源、水土流失对全球气候变化响应等相关研究,提供未来气候变化情景的借鉴.     

气候的数值模拟(摘要)

近年来,中国科学院大气物理研究所大气和大洋环流模式设计课题组和气候数值模拟课题组集中力量进行研究,现己设计出可供模拟全球大气环流中长期演变和气候平均状态及年际变化的模式,其中包括洋流模式和海气耦合模式;通过了比较系统和严格的检验(包括与计算精度有关的基础试验和一些模式性能有关的敏感性试验),并进行了气     

利用反向法评价气候变化下的水资源系统风险

目前多数研究直接将大气环流模式(GCM)获得的气候要素输入水文模型或者系统动力学模型评价气候变化所引起的风险,而忽视了一些重要统计要素的实际影响。针对目前研究存在的问题,利用随机模型产生大量模拟数据并输入到关于水资源系统的系统动力模型,通过评价指数和模拟数据间的统计关系建立"气候响应模型",最终利用多种大气环流模式来进行风险评价。通过A2气候变化情景下36种GCM对美国麻州Quabbin水库未来两个时段2036—2065年和2066—2095年由气候变化引起的风险进行评价。结果表明,在1950—1999年流域净流量年际方差100%～140%范围内,2036—2065年的风险为0.25～0.30,2066—2095年的风险为0.30～0.45。     

基于CERN的中国大气降水同位素观测网络

大气降水是水循环的输入项,也是指示气候变化的关键因子.稳定同位素18O、D和放射性同位素T作为水分子的组成要素,是描述水循环演化历史信息的理想天然示踪剂.对降水中氢氧同位素进行系统的观测将有助于明确全球及各局地水循环机制及大气环流模式.首先回顾与评述了全球大气降水同位素网络(GNIP)的发展历程及研究现状,同时,指出中国大气降水同位素观测与研究的不足之处,在此基础上,提出以中国生态系统研究网络(CERN)为基础,建立中国大气降水同位素观测网络(CHNIP),并对该网络的主要内容、特点及初步成果等进行了介绍.     

大气环流形势客观分型及其与中国降水的联系

大气环流异常是造成天气和气候变化的直接原因。以往对大气环流形势和中国降水关系的研究绝大部分是在对大气环流形势进行主观分型和进一步诊断的基础上来研究两者的联系。相对于对大气环流形势的主观分析,客观分型方法采用的指标更一致、标准更统一,能够得到较多的大气环流类型,目前得到了较为广泛的应用。利用欧洲中期数值天气预报中心提供的1979—2016年的再分析资料(ERA-Interim),通过选择逐日12UTC的海平面气压、可降水量和700 h Pa风速3个变量,应用倾斜旋转T模态主成分分析方法对中国区域内的大气环流进行了客观分型,并进一步分析了不同大气环流类型与中国区域降水之间的联系。结果表明,不同大气环流类型对中国区域降水趋势和降水量的影响不仅在空间上存在差异,而且在季节上也不尽相同。总体表现为大气环流类型对降水量大的区域和降水量多的月份影响较大,而对降水量小的区域和降水少的月份的影响较小。此外,与环流类型发生频次对中国降水的影响相比,大气环流类型发生频次不变的背景下降水强度变化对中国降水趋势的影响更加显著。     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

土壤温湿状况对黄河源区水循环过程的影响

众多研究表明黄河源区受气候变化影响,土壤活动层逐渐下降。土壤温、湿度是陆面过程及地球系统中的重要物理量,它们通过影响地表能量和物质交换而影响大气环流和降水等。利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,选取2个典型年分别设计了2个控制试验和2个敏感性试验来探讨土壤初始状况变化对区域水循环的影响,通过再循环降水率定量描述不同气候背景下陆面对黄河源区水循环的影响,并尝试从环流角度进一步分析土壤初始状况改变对源区水循环影响的物理机制。结果表明：陆面对水循环的影响受大尺度环流背景场影响较大,较弱的环流背景下再循环降水率较强环流背景大5%左右。土壤初始状况对水循环要素有一定程度的影响。土壤初始温度升高/降低,水汽通量增多/减少,后期降水增大/减小。不同环流背景下,土壤记忆时间不同,在弱的环流背景下,土壤记忆时间要长,初始状况扰动可持续1～2个月。     

全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

嫩江流域径流与主要大气环流指标相关分析

本文选取影响嫩江径流变化的主要大气环流指标进行相关分析,以揭示大气环流指标对于径流空间和时程影响规律.分析结果表明:在空间分布上,嫩江流域干流及支流径流与大气环流主要指标相关性存在明显的空间分布特征,即上游断面径流与大气环流指标相关性较大,下游相关性较小.在时程演变上,嫩江流域径流与前1个月的大气环流指标相关性较大,与其他前期月份的相关性迅速减小,说明在做中长期径流预报时,大气环流前滞期可以选1个月,更较前的大气环流对当月径流影响不大.这些结论可以为中长期径流预报预报因子的选择和预报模型的建立提供基础参考.     

青藏高原东北侧夏季干旱的气象成因和长期预报研究

本文利用近40年(1950～1988年)的北太平洋月平均海温(SST)场、逐月南方涛动指数(SOI)和北半球100hPa月平均高度场,探讨影响黄土高原夏季干旱的信息区及其在时空上的遥相联系,发现热带地区(尤其是低纬地区)的SST和低层环流系统(如SO)的强弱变化与西北夏季干旱存在较好的遥相关,这种相关反映在前期各信息区内主要存在半年左右的时滞相关。又从能量频散角度讨论黑潮区SST变化与影响西北夏季干旱环流系统(南亚高压)之间的可能联系。结果得出对中国西北夏季干旱的长期预报,除应按常规注意中高纬度大气环流的变异外,还需要重视前期(冬末春初)热带地区SST与南方涛动的变异。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

末次盛冰期西太平洋海温差异对亚洲夏季风影响的数值模拟

文章利用Zhao等的模拟结果,进一步研究了在末次盛冰期(LGM)情景下汪品先和CLIMAP两种重建海洋表面温度(SST)资料差异对亚洲夏季风的影响。模拟结果表明:在LGM情景下西太平洋海域SST资料的不同对模拟的亚洲夏季风有着十分重要的作用。夏季,与CLGM方案相比,在WLGM方案中,当热带西太平洋SST较暖时,印度地区的大气热量出现显著增加,大气热量的这种变化,使得南非高压、南印度洋经向Hadley环流加强,伴随着索马里越赤道气流加强,也导致了印度季风区纬向季风环流的加强,从而造成了印度夏季风增强、降水增多;与较暖的热带西太平洋相对应,澳大利亚高压和120°E附近越赤道气流减弱,东亚季风区20°N以南经向季风环流加强、20°N以北经向季风环流减弱,指示着一个强的南海夏季风和较弱东亚副热带大陆夏季风。     

Decadal Prediction Skill of the Global Sea Surface Temperature in the BCC_CSM1.1 Climate Model

This study assesses retrospective decadal prediction skill of Sea Surface Temperature (SST) variability in initialized climate prediction experiments (INT) with the Beijing Climate Center Climate System Model (BCC_CSM1.1). Ensemble forecasts were evaluated using observations, and compared to an ensemble of uninitialized simulations (NoINT). The results show as follows: ①The warming trend of global mean SST simulated by the INT runs is closer to the observation than that in the NoINT runs.②The INT runs show high SST prediction skills over broad regions of tropical Atlantic, western tropical Pacific and tropical Indian Oceans. ③ In the North Pacific and the east-central tropical Pacific Ocean, the prediction skills are very weak, and there are few improvements coming from the initialization in the INT runs. ④ In the southern Indian Ocean, the prediction skills of the INT runs are significantly larger than that of the NoINT runs, with the maximum skill at the 3~6 and 4~7 years lead time. The above-mentioned conclusions are similar to the results of other climate models. However, the prediction skill in the North Atlantic Ocean is much lower than that of other models, especially in the subpolar region. The low skills in the Atlantic Ocean may be attributed to the misrepresentation of the lead-lag relationship between the Atlantic meridional heat transport and the SST in the BCC_CSM1.1.     

前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常对中国东部春季极端降水频次的可能影响及预测价值

本文研究了前期冬季北极海冰与中国东部春季极端降水频次的联系及其可能机制,并进一步探讨了海冰异常信号对极端降水的预测价值。结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常与中国东部春季极端降水频次经验正交分解第一模态(EOF1)之间存在密切联系。当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏多时,冬季大气环流呈现出类北大西洋涛动(NAO)正位相的异常分布,并伴随经向的北大西洋三极型海温异常。该海温异常可以从冬季持续到春季,进而激发出从北大西洋到欧亚中纬度的纬向遥相关波列,在东亚地区引起气旋型环流异常。该气旋型环流异常会引起中国东部地区湿度显著增加,上升运动增强,从而为该地区极端降水的发生提供了有利的背景条件。相反,当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏少时,其滞后引起的春季环流异常则不利于中国东部地区极端降水的发生。进一步的交叉检验结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常信号对中国东部春季极端降水具有重要的预测价值。     

Chlorophyll modulation of mixed layer thermodynamics in a mixed-layer isopycnal General Circulation Model — An example from Arabian Sea and equatorial Pacific

Western tropical Indian Ocean, Arabian Sea, and the equatorial Pacific are known as regions of intense bio-chemical-physical interactions: the Arabian Sea has the largest phytoplankton bloom with seasonal signal, while the equatorial Pacific bloom is perennial with quasi-permanent upwelling. Here, we studied three dimensional ocean thermodynamics comparing recent ocean observation with ocean general circulation model (OPYC) experiment combined with remotely sensed chlorophyll pigment concentrations from the Coastal Zone Color Scanner (CZCS). Using solar radiation parameterization representing observations that a higher abundance of chlorophyll increases absorption of solar irradiance and heating rate in the upper ocean, we showed that the mixed layer thickness decreases more than they would be under clear water conditions. These changes in the model mixed layer were consistent with Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) observations during the 1994-1995 Arabian Sea experiment and epi-fluorescence microscopy (EFM) on samples collected during Equatorial Pacific Ocean Climate Study (EPOCS) in November, 1988. In the Arabian Sea, as the chlorophyll concentrations peak in October (3 mg/m³) after the summer plankton bloom induced by coastal upwelling, the chlorophyll induced biological heating enhanced the sea surface temperature (SST) by as much as 0.6‡C and sub-layer temperature decreases and sub-layer thickness increases. In the equatorial Pacific, modest concentrations of chlorophyll less than 0.3 mg/m³ is enough to introduce a meridional differential heating, which results in reducing the equatorial mixed layer thickness to more than 20 m. The anomalous meridional tilting of the mixed layer bottom enhances off equatorial westward geostrophic currents. Consequently, the equatorial undercurrent transports more water from west to east. We proposed that these numerical model experiments with use of satellite andin situ ocean observations are consistent under three dimensional ocean circulation theory combined with solar radiation transfer process.     

Ocean model derived global surface circulation and Vertical velocity

In this article, the authors examine Sea surface temperature (SST), Sea surface circulation (SSC) and Vertical velocity (VV) fields from simulation of 25 layers coarse resolution Modular ocean model (MOM version 3.0) with prescribed wind forcing for the region 74.25°S to 65°N, 180°W-180°E. It is found that distribution of SST simulated by the model shows its consistency with the observed climatology. However, simulated SST in the areas of Arabian Sea, Bay of Bengal, Indonesian Throughflow (ITF) region and east of North America near equator exhibit slight warming with respect to observation, which may be due to model deficiency and forcing problems. Circulation features suggest that one of the strongest current viz. Antarctic circumpolar current (ACC) along with other major current systems viz. Gulf stream current, North and South Pacific current, Agulhas current, Labrador current, Canary current, etc are captured well by the model. In the Indian Ocean and other ocean basins, current patterns are well captured by the model simulation. Intense upwelling as well as downwelling areas is marked in the horizontal distribution of VV, which is as expected. VV show quasi-stagnant and convergent regions suggesting that floating materials may be accumulated during January/July in the real ocean and wind driven circulation may act as an important contribution for such transport of floating materials in these regions. An attempt has also been made to understand the fluctuations of the SST in NINO 3.4 region during the period of model simulation using SST anomalies.     

南海在1997/1998年El Nio事件后的异常变化

基于NOAA OISST.V2月平均SST资料和FSU月平均风应力资料对南海的SST和风场异常进行了分析,发现：南海对1997/1998年El Nio事件响应最为强烈,并在1997/1998年冬季和次年的夏季SST存在2个异常高峰值,风速存在2个异常减小的极值。为研究南海环流在1997/1998年的异常变化,利用ECOM水动力模型计算了1995—2000年的南海环流场,分析了1998年1月和8月南海水位和环流的异常分布,二者均存在显著的异常：①1月,整个南海海盆为正的水位异常,流场为反气旋异常环流,冬季控制整个南海海盆的气旋式环流减弱;②8月,南海海盆水位为正异常,特别是越南东部海区出现较强的正水位异常,南海南部的高水位中心扩大北移;异常流场表现为南部为气旋式异常环流,北部为反气旋的异常环流,且在越南东部海区形成非常强的反气旋异常环流中心,使得控制南海南部的反气旋环流和北部的气旋环流均减弱。风应力的分析表明,风应力旋度的异常变化是南海环流年际异常变化的主要因素。     

2009/2010年我国西南秋冬春连旱特征及其大气环流异常分析

利用中国逐日站点降水资料、逐日季风监测指数及逐日副热带高压指数、74项环流指数及NCEP/NCAR再分析资料, 分析了2009年秋季至2010年春季的秋冬春西南特大干旱过程中各指数及大气环流异常特征.结果表明: 自2009年10月底东亚冬季风建立以来, 至2010年春季, 东亚冬季风强度持续偏强, 加之西太平洋副热带高压较常年偏西偏南, 西南地区长期受副高控制, 气温持续偏高, 加之冷空气虽然总体偏强, 但主要控制我国北方地区, 造成冷暖空气在西南地区少有交汇, 致使降水偏少, 干旱发生发展. 印缅槽强度较常年偏弱, 来自印度洋、孟加拉湾以及南海的水汽条件不足, 向西南地区输送的来自南海和孟加拉湾两条水汽通道的水汽通量均较常年偏弱很多, 加之西南地区、特别是云南地区自2009年秋季以来, 长期处于下沉运动的正距平区, 造成这段时间西南地区干旱少雨, 旱情持续. 2009年9月El Niño事件全面爆发, 南海-西太平洋地区形成异常反气旋流场, 该反气旋流场较常年偏西偏南, 造成副高位置偏西偏南, 从而使得云贵高原及其周边的印度季风区的降雨量明显偏少;高原地区及南海、菲律宾附近及热带辐合带地区OLR异常对西太平洋副热带高压的变化有一定影响, 进而影响西南地区降水, 其内在机制还有待深入研究.     

Interdecadal Change of Relation between East Asian Summer Monsoon and ENSO in Previous Winter in An Ocean Assimilation System Based on FGOALS-s2

Ocean Assimilation System (OAS) is an important component for decadal prediction experiment, providing initial conditions. Evaluating the atmosphere response in OAS can provide reference for analyzing results from decadal prediction. We analyzed the interdecadal change in relation between the East Asian Summer Monsoon (EASM) and El Niño/Southern Oscillation (ENSO) in the previous winter based on an OAS on the coupled climate model FGOALS-s2. It shows that two factors impact the performance: ① interdecadal change of Ssea Surface Temperature (SST) pattern in the summer Indo-Pacific Basin related with ENSO in previous winter and ② bias in model response of the western North Pacific anticyclone to tropical SST anomalies. The anticyclone shows steady relation with the warm eastern Indian Ocean. When ENSO’s impact on the summer Indian Ocean is strengthened around the end of 1970s, the OAS can reproduce the strengthened EASM-ENSO relation. However, the trend of intensified EASM-ENSO relation in the OAS is still significant after the mid-1990s due to the stronger link between the anticyclone and the northeastern Indian Ocean, differing with the observation which shows a weakened effect of the Indian Ocean on the anticyclone. In addition, the bias in response to the SST anomalies in the central Pacific also partly contributes to the failure in reproducing the weakening EASM-ENSO relation after the mid-1990s. It implies that prediction skill of interdecadal ENSO impact on the tropical Indo-Pacific SST and response bias of model to SST anomalies may to some extent limit the capability to predict the interdecadal change in the EASM-ENSO relation.