ENSO动力学与预测

发生在热带太平洋地区的ENSO现象是海气相互作用的集中表现,是年际气候变化中的最强信号.由于它的发生会在全球许多地区引起严重的气候异常,极大地影响着这些地区的工农业生产和人民生活,因此,对ENSO的机理及其预测的研究一直是大气海洋界的一个热点研究课题.中国科学院大气物理研究所在ENSO的机理及其预测等方面进行了大量的研究,取得了许多研究成果.作者将对中国科学院大气物理研究所在这方面的一些研究成果进行回顾和介绍.     

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。     

A Note on the Role of Meridional Wind Stress Anomalies and Heat Flux in ENSO Simulations

Four comparative experiments and some supplementary experiments were conducted to examine the role of meridional wind stress anomalies and heat flux variability in ENSO simulations by using a high-resolution Ocean General Circulation Model （OGCM）. The results indicate that changes in the direction and magnitude of meridional wind stress anomalies have little influence on ENSO simulations until meridional wind stress anomalies are unrealistically enlarged by a factor of 5.0. However, evidence of an impact on ENSO simulations due to heat flux variability was found. The simulated Nino-3 index without the effect of heat flux anomalies tended to be around 1.0° lower than the observed, as well as the control run, during the peak months of ENSO events.     

大气初始场对短期气候数值预测的影响

利用中国科学院大气物理研究所发展的九层大气环流模式(简称IAP 9L2°×2.5°-AGCM)分析了大气初始场对短期气候数值预测的影响,分别从实际观测海温、海冰的外强迫和气候态海温、海冰的外强迫出发,进行两组集合回报试验,每组包含3个试验,分别将实时NCEP-Ⅱ资料和对NCEP-Ⅱ资料经5 d平滑、11 d平滑后的资料作为大气初始场,进行17 a(1988—2004年)集合回报试验,采用相关分析方法对试验结果进行对比分析。结果表明,比较相关系数定量检验出大气初始场对热带地区可预报性影响较小,而对中、高纬度地区影响很大。通过对6个试验中对应气象要素在对流层各层距平时间相关系数以及17 a空间异常相关系数均值比较分析发现对东亚(中国)地区夏季气候而言,NCEP-Ⅱ资料经5 d平滑后生成的大气初始场对应回报试验结果相对最好。     

中国热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测研究进展

国际上针对海洋-大气系统的观测、理论和模拟方面已经开展了广泛而深入的研究,为短期气候预测水平的不断提升奠定了坚实基础,这其中中国学者做出了许多重要贡献。文中简要回顾了中国学者70年来在热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测方面的研究进展。其中,热带海-气相互作用部分主要涉及4个方面的内容:热带太平洋气候特征与ENSO现象、热带印度洋海温主要模态及其与太平洋相互作用、热带大西洋海温主要模态及与海盆的相互作用、中高纬度海-气系统对ENSO的影响;ENSO动力学包括7个方面的内容:基本理论的相关研究、ENSO相关的诊断与模拟研究、两类ENSO相关研究、ENSO触发机制相关研究、ENSO与其他现象的相互作用、外部强迫与大气遥相关、气候变化与ENSO响应;ENSO预测主要包括2个方面的内容:动力-统计ENSO预测方法、ENSO预测系统与应用。最后,还讨论了上述相关方面亟待解决的问题。      

一个基于“部分通量订正”的热带太平洋和全球大气耦合模式及它的性能检验

基于“部分通量订正”同步耦合方案，将中国科学院大气物理研究所发展的九层大气环流格点模式与十四层热带太平洋环流模式耦合并成功积分40年。结果表明，模式没有明显的“气候漂移”现象，同时模式能模拟出与未耦合的海气模式接近的气候平均态及其季节变化，及与观测接近的年际气候变率。这种年际变率在热带太平洋地区表现为类似于ENSO事件的时空分布特征。     

初始场的同化对短期气候预测的影响

基于已建立的三维变分资料同化系统(3D-VAR),利用大气环流模式(IAP9L2°×2.5°-AGCM),对同化和未同化2种初始场分别进行了17a(1988—2004年)的集合回报试验,并对试验结果进行了相关分析.结果表明:在热带地区,2组初始场下的集合回报结果差别很小,除热带外的中高纬地区差别较大,尤其是东亚地区;另外,大部分物理量场的17a异常空间相关系数的均值在同化后的初始场下也得到了提高,可能是因为同化的初始场包含了一段时间的大气信息,动力模式更加协调.     

一个用于气候模式的三维变分资料同化系统——方案设计及检验

介绍了一种适合格点模式的三维变分同化方案,并应用于中国科学院大气物理研究所的9层大气环流格点模式（IAP9L2°×2.5°-AGCM）中。同化方案考虑质量场和风场的动力约束关系,并通过变量变换将模式变量转化为互不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡位势和比湿;同时采用共轭梯度法求解代价函数避免了直接计算背景误差协方差矩阵逆的困难。通过理想试验、模式连续同化积分试验以及对东亚地区特殊寒潮天气的同化试验,结果表明：该系统能够正确反应多变量之间的相互关系,并且长时间运行稳定,更重要的是同化不仅可以明显改善直接参与同化的物理量,而且经过模式的动力调整也改善了未参与同化的物理量（如海平面气压、近地面气温、降水等）,这为大气的持续性信息存储于陆面物理量提供了可能,从而可为IAP9L2°×2.5°-AGCM提供陆—气相协调的初始场。     

一个改进的混合型海气耦合模式：ENSO模拟

通过在中国科学院大气物理研究所热带太平洋环流模式与一个统计大气模式所建立的混合型海气耦合模式中引入次表层上卷海温非局地参数化方案, 对比分析了次表层上卷海温对耦合模式模拟结果的影响, 表明在引入次表层上卷海温非局地参数化方案前耦合模式模拟的SSTA最大变率中心位于日界线附近赤道南北狭窄范围内, 而在赤道东太平洋及南美沿岸一带变率过低, 周期呈准2年振荡。改进后, 耦合模式模拟结果的分布不论在东西方向亦或南北方向与观测更为相近, 振荡周期为4年左右, 而且还能模拟出观测中ENSO振荡的季节依赖性特征。进一步分析改进的耦合模式中海气耦合特征, 表明 “延迟振子” 理论、 “西太平洋振子” 理论、 “充电-放电振子” 理论及 “平流-反射” 理论所揭示的一些规律在该模式中都能被不同程度地描述出来, 这说明在实际的ENSO循环过程中, 可能有多种机制在同时起作用。     

区域海气耦合模式模拟中国夏季降水能力分析

基于OASIS3(Ocean Atmosphere Sea Ice Soil version 3)耦合器,耦合区域气候模式RegCM3(Regional Climate Model version 3)和海洋模式HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model),建立一个区域海气耦合模式,并通过嵌套方法处理海洋模式的侧边界问题。运用该耦合模式对1982～2001年包括中国在内的东亚地区气候进行连续模拟,重点分析其对中国夏季(6～8月)降水的模拟性能。结果表明:耦合模式基本可以模拟出中国夏季降水的空间分布特征,模拟的降水量值和年际变化在靠近海洋的沿海区域比参照试验有一定程度的改善;能够再现观测夏季降水经验正交函数第一模态(EOF1)的空间分布特征,与观测EOF1的时间相关性也比参照试验有较大提高;前6个模态的组合分析也表明耦合模式对长江中下游、山东半岛、海南岛等区域夏季降水的较大时间尺度气候分量的模拟改善更显著。