A new nudging scheme for the current operational climate prediction system of the National Marine Environmental Forecasting Center of China

A new nudging scheme is proposed for the operational prediction system of the National Marine Environmental Forecasting Center(NMEFC) of China, mainly aimed at improving El Ni?o–Southern Oscillation(ENSO) and Indian Ocean Dipole(IOD) predictions. Compared with the origin nudging scheme of NMEFC, the new scheme adds a nudge assimilation for wind components, and increases the nudging weight at the subsurface. Increasing the nudging weight at the subsurface directly improved the simulation performa...     

海洋资料同化对气候季节-年际预测技巧及初始场的影响试验

集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter, EnKF)是一种国内外广泛使用的海洋资料同化方案, 用集合成员的状态集合表征模式的背景误差协方差, 结合观测误差协方差, 计算卡尔曼增益矩阵, 有效地将观测信息添加到模式初始场中。由于季节、年际预测很大程度上受到初始场的影响, 因此资料同化可以提高模式的预测性能。本文在NUIST-CFS1.0预测系统逐日SST nudging的初始化方案上, 利用EnKF在每个月末将全场(full field)海表温度(sea surface temperature, SST)、温盐廓线(in-situ temperature and salinity profiles, T-S profiles)以及卫星观测海平面高度异常(sea level anomalies, SLA)观测资料同化到模式初始场中, 对比分析了无海洋资料同化以及加入同化后初始场的区别、加入海洋资料同化后模式提前1~24个月预测性能的差异以及对于厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation, ENSO)预测技巧的影响。结果表明, 加入海洋资料同化能有效地改进初始场, 并且呈现随深度增加初始场改进越显著的特征。加入同化后, 对全球SST、次表层海水温度的平均预测技巧均有一定的提高, 也表现出随深度增加预测技巧改进越明显的特征。但加入海洋资料同化后, 模式对ENSO的预测技巧有所下降, 可能是由于模式误差的存在, 使得同化后的预测初始场从接近观测的状态又逐渐恢复到与模式动力相匹配的状态, 加剧了赤道太平洋冷舌偏西、中东部偏暖的气候平均态漂移。     

印度洋偶极子预报技巧在多模式中的对比研究

本文采用北美多模式集合产品数据,分析了印度洋偶极子指数在不同模式中实际预报技巧和潜在可预报性的差异,并进一步探究其可能的原因。结果表明,印度洋偶极子的有效预报时效在不同模式中差别较大,从2个月到4个月不等。其中东极子海温异常在不同模式中预报技巧的差别较西极子海表面温度异常更明显,表明模式误差和初始误差对东极子海表面温度异常演变的影响更为显著。另外,印度洋偶极子的实际预报技巧和潜在预报技巧存在明显的线性关系,潜在预报技巧高的模式,其实际预报技巧也高。最后,本文诊断、分析了厄尔尼诺对印度洋偶极子预报技巧的影响,发现在厄尔尼诺和印度洋偶极子相关性较高的气候模式中,印度洋偶极子实际预报技巧也较高。     

热带太平洋海面对EL97／98事件的响应及ENSO预测

本文分析了1996－1998年逐月太平洋海面距平资料及热带太平洋海面赤道槽、脊及上层海水体积变化资料，清楚地看到20世纪最强的一次EL97／98事件，不仅基本特征明显，而且太平洋海面变化与其有密切的响应关系，受此启发，作者依据1975－2000年间赤道槽、脊、逆流槽及热带太平洋上层海水体积变化的历史资料，经年周期滑动平均数据处理和采用基于均生函数的正交化筛选建模方法，建立了各单预测因子周期外延的ENSO预测模式。结果表明，本预测模式除把单预测因子序列的历史变化趋势反映和预测出来，还揭示了历史上的El Nino事件发生了经滑动平均后的赤道脊或热带太平洋上层海水体积的峰值附近，结束于谷底附近，La Nina则出现在滑动平均后的赤道脊谷底上升至均值期间的一般规律性。根据各单预测因子周期外延曲线的峰、谷变化，预测下一次El Nino事件将于2001年下半年至2002年上半年期间形成。     

Zebiak-Cane模式中条件非线性最优扰动对ENSO春季预报障碍的影响

使用Zebiak-Cane模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,研究初始误差和参数误差共同作用对ENSO春季预报障碍现象的影响。选取模式中的8个El Ni?o事件,包括4次强事件和4次弱事件,每个El Ni?o事件又分别从8个不同的起始时间做1 a的预报,这样一共64个预报实验。对每个实验分别计算CNOP误差(初始误差和参数误差同时存在时的最优误差),通过分析误差增长,发现CNOP误差引起的1 a后的预报误差随着初始预报时间的不同有较大差异,并且不同强度的El Ni?o事件也会影响CNOP误差的发展,增长位相中强事件的预报误差要比弱事件的预报误差大一些;而衰减位相中恰恰相反,弱事件的预报误差要比强事件的预报误差要大一些;同时也发现高频El Ni?o事件对误差增长率的影响较大。本结论有助于提高Zebiak-Cane模式预报ENSO的技巧。     

ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响

热带太平洋海洋大气耦合系统对全球变暖的响应是气候变化的热点问题.前人研究发现,气候模式的模拟偏差对于全球变暖响应结果有重要影响.本文利用美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)的地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中的大气模式(Community Atmosphere Model version 5,CAM5)设计数值试验,在相同的SST(Sea Surface Temperature)增暖强迫下,通过改变海洋SST的年际变化振幅,来分析热带海洋年际变化强度的模拟对未来热带海区降水和大气环流场未来变化的影响.试验结果表明,随着SST年际变化强度的增加,全球变暖后热带太平洋降水变化的东西不对称性,以及向暖池区域辐合的风场变化等特征都逐渐减弱.进一步的分析发现,不同年际变化信号导致的大气场变化差异主要发生在冬季,是由于热带太平洋SST年际变化主模态ENSO(El Nino Southern Oscillation)的不对称性造成的:在厄尔尼诺年,强(弱)的年际变化信号会造成降水在东太平洋产生较大(小)的变化;而在拉尼娜年和正常年份,年际变化信号的强弱对热带降水变化的影响则不大.当热带海温的年际变化较大时,厄尔尼诺年的海温异常更强,造成的降水和风场的变化特征也会更加显著.     

FIO-ESM气候模式北太平洋海表温度和降水的季节性预报技巧评估

The seasonal prediction of sea surface temperature(SST) and precipitation in the North Pacific based on the hindcast results of The First Institute of Oceanography Earth System Model(FIO-ESM) is assessed in this study.The Ensemble Adjusted Kalman Filter assimilation scheme is used to generate initial conditions, which are shown to be reliable by comparison with the observations. Based on this comparison, we analyze the FIO-ESM 6-month hindcast results starting from each month of 1993–2013. The model exhibits high SST prediction skills over most of the North Pacific for two seasons in advance. Furthermore, it remains skillful at long lead times for midlatitudes. The reliable prediction of SST can transfer fairly well to precipitation prediction via air-sea interactions.The average skill of the North Pacific variability(NPV) index from 1 to 6 months lead is as high as 0.72(0.55) when El Ni?o-Southern Oscillation and NPV are in phase(out of phase) at initial conditions. The prediction skill of the NPV index of FIO-ESM is improved by 11.6%(23.6%) over the Climate Forecast System, Version 2. For seasonal dependence, the skill of FIO-ESM is higher than the skill of persistence prediction in the later period of prediction.     

在Zebiak-Cane模式中观测MJO强迫对ENSO可预报性的影响, 第1部分:对最大预报误差的影响

With the observational wind data and the Zebiak-Cane model, the impact of Madden-Julian Oscillation (MJO) as external forcing on El Ni(n)o–Southern Oscillation (ENSO) predictability is studied. The obs...     

南海热带气旋的气候变化及强度预测方法研究

建立南海海域1949～2007年6～10月份热带气旋（以下简称TC）年、月频数和TC中心强度的历史资料统计文件,分析TC的年月变化。结果表明：近50年,TC具有10a左右的周期变化,1964～1974年和1985～1995年为南海两个强台风以上级别频发期,1997～2006年为TC频数少且强度弱的时期。同时TC强度的空间分布分析结果表明,中沙北部海域和东沙西部海域为强台风多发生区,各月TC强度分布特征明显不同,且其加强通道具有南-北-南阶段性变化。另外,通过分别对1949～2007年北半球500hPa高度场及海温场的格点资料和TC强度历史资料的相关计算,选取高相关格点,根据相关权重组成组合因子,构建二次型预测方程,做年月TC强度预测。预测检验结果显示,冬季的高度场和海温场对次年的TC强度预测效果良好。     

WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

The impact of ocean data assimilation on seasonal predictions based on the National Climate Center climate system model

An ensemble optimal interpolation (EnOI) data assimilation method is applied in the BCC_CSM1.1 to investigate the impact of ocean data assimilations on seasonal forecasts in an idealized twin experiment framework. Pseudo-observations of sea surface temperature (SST), sea surface height (SSH), sea surface salinity (SSS), temperature and salinity (T/S) profiles were first generated in a free model run. Then, a series of sensitivity tests initialized with predefined bias were conducted for a one-year period; this involved a free run (CTR) and seven assimilation runs. These tests allowed us to check the analysis field accuracy against the “truth”. As expected, data assimilation improved all investigated quantities; the joint assimilation of all variables gave more improved results than assimilating them separately. One-year predictions initialized from the seven runs and CTR were then conducted and compared. The forecasts initialized from joint assimilation of surface data produced comparable SST root mean square errors to that from assimilation of T/S profiles, but the assimilation of T/S profiles is crucial to reduce subsurface deficiencies. The ocean surface currents in the tropics were better predicted when initial conditions produced by assimilating T/S profiles, while surface data assimilation became more important at higher latitudes, particularly near the western boundary currents. The predictions of ocean heat content and mixed layer depth are significantly improved initialized from the joint assimilation of all the variables. Finally, a central Pacific El Ni?o was well predicted from the joint assimilation of surface data, indicating the importance of joint assimilation of SST, SSH, and SSS for ENSO predictions.     

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）,以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度（SST）季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常（SSTA）进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在（45°N,150°E）附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°~45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。     

气候变化背景下海-气CO_2通量获取方法综述

综述了国内外海-气CO2通量测量和估算方法的研究进展,对各方法的原理、应用及优缺点做了简要介绍,着重介绍了海洋碳循环数值模式的研究现状、原理方法等,并对海-气CO2通量研究的发展趋势作了展望。     

20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对20世纪太平洋海温变化的模拟,讨论了自然因子和人为因子对20世纪太平洋海温变化的相对贡献。观测资料表明,20世纪太平洋平均的SST变化主要分为3个时段:20世纪上半叶的增暖,40—70年代的微弱变冷,70年代之后的迅速增暖。20世纪太平洋SST变化的主导模态是全海盆尺度的振荡上升模态,其次为PDO振荡型,在70年代末PDO存在明显的年代际转型。通过全强迫试验、自然强迫试验、控制试验对上述现象进行归因分析,结果表明,人为因子和内部变率都对第一次增暖有贡献,而人类活动(主要是温室气体的增加)是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分区域来看,在两个增暖时段中,影响黑潮延伸体区SST变化的主要是自然因子和内部变率,影响其它海域SST变化的则主要是人为因子。全强迫试验可以较好的模拟出前两个模态的空间分布及时间序列。在没有人为因子的影响下,PDO成为太平洋海温变化的主导模态,其年代际转变发生在60年代中期,意味着人为因子是全海盆振荡增暖的主导原因,并且它使得年代际转型滞后了10a。因此,自然因子是导致SST年代际转型中的主导因子,人为因子有"调谐"作用。     

中国科学院气候系统模式模拟的ENSO循环

On the basis of more than 200-year control run, the performance of the climate system model of Chinese Academy of Sciences(CAS-ESM-C) in simulating the El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) cycle is evaluated, including the onset, development and decay of the ENSO. It is shown that, the model can reasonably simulate the annual cycle and interannual variability of sea surface temperature(SST) in the tropical Pacific, as well as the seasonal phase-locking of the ENSO. The model also captures two prerequisites for the El Ni?o onset, i.e., a westerly anomaly and a warm SST anomaly in the equatorial western Pacific. Owing to too strong forcing from an extratropical meridional wind, however, the westerly anomaly in this region is largely overestimated. Moreover, the simulated thermocline is much shallower with a weaker slope. As a result, the warm SST anomaly from the western Pacific propagates eastward more quickly, leading to a faster development of an El Ni?o. During the decay stage, owing to a stronger El Ni?o in the model, the secondary Gill-type response of the tropical atmosphere to the eastern Pacific warming is much stronger, thereby resulting in a persistent easterly anomaly in the western Pacific. Meanwhile, a cold anomaly in the warm pool appears as a result of a lifted thermocline via Ekman pumping. Finally, an El Ni?o decays into a La Ni?a through their interactions. In addition, the shorter period and larger amplitude of the ENSO in the model can be attributed to a shallower thermocline in the equatorial Pacific, which speeds up the zonal redistribution of a heat content in the upper ocean.