利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

改进的切线性模式对一个边界层模式变分资料同化的改善

大气、海洋中边界层物理过程的强非线性会对切线性模式近似（尤其是当积分时间长时）有较大的影响，从而给相应的4维变分资料同化问题的求解造成困难。本构造了Mellor-Yamada湍流封闭模式（level 2.5)的一个改进的切线性模式，相比通常的切线性模式和简化的切线性模式可以提高对非线性扰动的逼近。利用这个改进的切线性模式的伴随模式分别进行了1到7天的变分资料同化试验，得到了满意的结果。而用通常的伴随模式和简化的伴随模式都无法得到令人满意的结果。     

观测资料与模式的协调性对同化效果的影响

针对资料同化时模式与观测资料不协调导致的同化失效问题, 利用国家气候中心NCCo简化海气耦合模式, 基于一种提取观测资料中与模式相协调信息分量 (也称模式可协调信息) 的资料重构方法, 探讨了观测资料和模式的协调性对资料同化效果的影响。结果发现: 利用简单海气耦合模式同化海表温度距平资料时, 由于模式与资料不匹配使同化后的初始场中产生与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 这些小扰动在预报阶段会迅速增长, 污染预报结果, 使得预报失败。研究还发现, 无论在耦合或不耦合同化形式下, 对海温资料中的模式可协调分量进行同化时, 预报效果明显好于对原观测资料的同化。其缘于对观测海温中模式可协调信息分量同化生成的初始场中, 消除了与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 突出了原始资料中与模式协调的ENSO尺度信息分量, 改善了初始场与模式的协调性, 从而提高了模式的预报技巧。     

GTSPP资料在BCC海洋资料同化系统中的同化效果分析

介绍了国家气候中心第二代海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0)所用的模式和同化方案,并设计了两个试验对同化系统的效果和稳定性进行检验:一个是加入GTSPP资料的1990—2008年19 a的同化试验,另一个是同时段内不加任何资料的模拟试验。利用OISST和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据集对试验结果进行评估。评估结果表明,加入GTSPP资料的同化结果可以有效改进原模式对温度和盐度的模拟。在表层,整个海洋的温度和盐度场误差都有所减小,其中热带太平洋的改进效果最为明显;此外,同化结果能更好地反映Nino3和Nino4区海表温度的时间演变。垂直层次上的修正效果也很明显,在200 m左右的混合层效果改进最好,温度的均方根误差可减小1.5℃,盐度的均方根误差可减小0.6 psu。     

一阶有限元浅水模式的变分资料同化

一阶有限元浅水方程的伴随模式应用于气象资料同化场,并利用最优化方法对具有随机扰动的初始场进行优化处理。通过极小化算法,使所定义的目标函数达到最小,从而得到的最优的气象要素初始场。数值试验结果表明这种处理是很有效的。     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为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开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

多普勒雷达资料同化对暴雨预报的影响

诊断分析了2007年8月8日陕西中南部一次突发性大暴雨过程,利用WRFV3.4数值预报模式及WRF-3DVAR变分同化系统,采用直接同化西安C波段多普勒雷达资料的方法,设计了4组试验方案。结果表明,多普勒雷达资料同化能有效改进WRF数值模式性能,不同的同化方案对模式初始场及预报场有不同的改进,同化反射率对初始水汽场的改变较为显著,而同化径向速度对初始风场的改变更为明显。在加入雷达资料同化后模式系统对中小尺度天气系统特征的模拟效果提高,风场的辐合特征更为明显,水汽也有显著增强,降水强度和中心跟实况更为接近。     

变分同化及卫星资料同化

文章介绍了变分同化方法和卫星资料同化，并就其实际应用中的一些问题进行了讨论。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

Strengthened Regulation of the Onset of the South China Sea Summer Monsoon by the Northwest Indian Ocean Warming in the Past Decade

Traditionally,a delayed(early)onset of the South China Sea summer monsoon(SCSSM)has been observed to follow a warm(cold)El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)event in winter,supporting high seasonal predictability of SCSSM onset.However,the empirical seasonal forecasting skill of the SCSSM onset,solely based on ENSO,has deteriorated since 2010.Meanwhile,unexpected delayed onsets of the SCSSM have also occurred in the past decade.We attribute these changes to the Northwest Indian Ocean(NWIO)warming of the sea surface.The NWIO warming has teleconnections related to(1)suppressing the seasonal convection over the South China Sea,which weakens the impacts of ENSO on SCSSM onset and delays the start of SCSSM,and(2)favoring more high-frequency,propagating moist convective activities,which enhances the uncertainty of the seasonal prediction of SCSSM onset date.Our results yield insight into the predictability of the SCSSM onset under the context of uneven ocean warming operating within the larger-scale background state of global climate change.     

风廓线雷达资料对华南区域模式预报的影响

设计基于GRAPES_Meso的不同试验模拟2014年3月28日-4月8日的广东前汛期降水过程,评估风廓线资料对同化和预报的影响。对资料同化后分析增量的分析表明:相比同化时仅使用自动气象站资料,风廓线雷达资料对1000 hPa到850 hPa纬向风增量均有贡献,在850 hPa,700 hPa高度以上贡献迅速减小。应用3个试验的预报结果计算探空站、风廓线雷达站预报值与观测值的11 d均方根误差发现,同化加入风廓线雷达资料对各预报要素的改善在850 hPa高度最明显,其中风速预报误差显著降低,为0.7 m·s-1。此外,风廓线雷达资料对700 hPa风速预报有一定改善,而在925 hPa高度模拟效果反而降低。通过对2014年3月30日12:00（世界时）的个例分析发现,同化加入风廓线雷达资料的风速预报均方根误差在大雨级别以上的降水落区更大,其原因还有待于进一步研究。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

南海海温异常影响南海夏季风的数值模拟研究

采用p－σ九层区域气候模式(p－σRCM9）模拟并研究了南海海温异常对南海夏季风的影响, 数值模拟结果表明, 5月份的南海海温对南海夏季风的爆发日期起关键作用: 5月份南海海温持续增温 (降温）, 南海夏季风爆发日期偏早 (偏晚）。南海夏季风爆发后, 南海异常增温, 同期的南海夏季风增强, 而后期的南海夏季风减弱; 南海异常降温, 则与之相反。机制分析表明, 南海海温正(负)异常增强(减弱)了海面与行星边界层之间的能量交换, 主要是潜热通量的输送, 并在大气中通过积云对流加热率的变化来影响对流层热量的分布, 进而引起对流层中低层辐合和高层辐散的变化, 然后使得环流场和风场作出相应地调整, 环流场和风场又会反过来影响积云对流加热率的变化, 这是一个正反馈过程。在5月份南海增温(降温)强迫下, 5月份南海地区的对流活动加强(减弱）, 使得对流层低层副热带高压提前(延后)撤出南海, 从而有利于南海夏季风爆发偏早(晚）。在南海海温异常强迫下, 中国东南部和南海地区的降水率异常主要是由积云对流所产生的降水率异常引起。     

Interannual heat content variability in the South China Sea and its response to ENSO

The interannual variability of upper ocean heat content (OHC) in the South China Sea (SCS) for the period of 1987–2006 and its response to ENSO events are investigated. It is found that the variability has a good correspondence with ENSO events, but with opposite phase. Negative OHC anomalies appear during ENSO warm phases, while positive OHC anomalies occur during ENSO cool phases. In addition, negative (positive) OHC anomalies propagate westward obviously during ENSO warm (cool) phases in the northern SCS. In contrast, OHC anomalies in the southern SCS do not exhibit distinct westward propagation during ENSO events. To explore why the OHC anomalies cannot propagate westward in the southern SCS, the interannual variability of oceanic and atmospheric anomaly fields including wind stress curl (WSC), horizontal wind stress, latent heat flux (LHF) and sea level pressure (SLP) is investigated. The results show that after a mature phase of ENSO warm (cool) event, negative (positive) OHC anomalies first appear in the northern SCS, which comes from the western Pacific through Luzon Strait. Then cyclonic (anticyclonic) wind stress anomalies occur in the northern SCS, which leads to positive (negative) WSC anomalies. Meanwhile, positive (negative) LHF anomalies which correspond to oceanic heat loss (gain) occur in this region. The effects of WSC and LHF, combined with the westward propagating negative (positive) OHC anomalies from the western Pacific, may contribute to rapid growth and propagation of the OHC anomalies in the northern SCS. On the contrary, the negative (positive) WSC and LHF anomalies associated with positive (negative) SLP in the southern SCS seem to be the important processes responsible for the weakening and non-propagation of the OHC anomalies in the southern SCS after a mature phase of ENSO warm (cool) event.     

Atmospheric Response to Mesoscale Ocean Eddies over the South China Sea

The South China Sea(SCS) is an eddy-active area. Composite analyses based on 438 mesoscale ocean eddies during 2000–2012 revealed the status of the atmospheric boundary layer is influenced remarkably by such eddies. The results showed cold-core cyclonic(warm-core anticyclonic) eddies tend to cool(warm) the overlying atmosphere and cause surface winds to decelerate(accelerate). More than 5% of the total variance of turbulent heat fluxes, surface wind speed and evaporation rate are induced by mesoscale eddies. Furthermore, mesoscale eddies locally affect the columnar water vapor, cloud liquid water, and rain rate. Dynamical analyses indicated that both variations of atmospheric boundary layer stability and sea level pressure are responsible for atmospheric anomalies over mesoscale eddies. To reveal further details about the mechanisms of atmospheric responses to mesoscale eddies, atmospheric manifestations over a pair of cold and warm eddies in the southwestern SCS were simulated. Eddy-induced heat flux anomalies lead to changes in atmospheric stability. Thus, anomalous turbulence kinetic energy and friction velocity arise over the eddy dipole, which reduce(enhance) the vertical momentum transport over the cold(warm) eddy, resulting in the decrease(increase) of sea surface wind. Diagnoses of the model's momentum balance suggested that wind speed anomalies directly over the eddy dipole are dominated by vertical mixing terms within the atmospheric boundary layer, while wind anomalies on the edges of eddies are produced by atmospheric pressure gradient forces and atmospheric horizontal advection terms.     

西北太平洋和南海不同时段生成热带气旋频数及其水汽条件的分类

对1961—2010年南海和西北太平洋不同时段生成热带气旋(tropical cyclone,TC)频数的时空分布及水汽条件对其产生的影响进行了分类研究。结果表明,可以将TC活动划分为活跃期(6—11月)和平静期(上年12—当年5月)两个时段。在TC活跃期和平静期,南海和西北太平洋上TC频数的EOF第一特征向量都表现为一致的增加或减少。活跃期EOF的第二特征向量表现为南海与西北太平洋中西部的TC频数存在相反的变化趋势,平静期EOF的第二特征向量则表现为130°E以西海域的TC频数与130~150°E范围内生成热带气旋存在相反的变化趋势。活跃期和平静期西北太平洋TC的生成频数与水汽通量散度均存在显著的负相关;而在活跃期南海TC频数与水汽通量散度仅在南海中北部有弱的负相关,在平静期南海东部到菲律宾附近海域有显著的负相关。因此,水汽条件的影响使得在活跃期南海和西北太平洋TC高频年中,南海北部和西北太平洋中东部TC频数明显偏多,而平静期高频年中,南海东部以及西北太平洋中西部TC频数明显偏多。     

印度洋海温异常和南海夏季风建立迟早的关系Ⅱ.机理分析

通过区分ENSO外部影响和偶极子内部局地作用, 探讨了前期春季的印度洋海温异常对南海夏季风建立早晚的可能影响途径.结果表明: 在没有去除ENSO信号 (外部作用) 的情况下, 全区一致型的海温分布主要通过影响热带印度洋上空纬向季风环流的强弱来影响南海夏季风建立的早晚.去除ENSO信号后, 非ENSO全区一致型的海温分布则主要通过影响低层东西向的气压差异和对流层中上层的南北温度梯度的逆转, 进而对南海夏季风建立的早晚产生影响;而南印度洋偶极子 (SIODM) 型的海温分布则主要通过影响亚洲大陆热低压、西太平洋副热带高压和高低层的辐合辐散运动影响南海夏季风的建立.     

印度洋海温异常和南海夏季风建立迟早的关系 II.机理分析

通过区分ENSO外部影响和偶极子内部局地作用,探讨了前期春季的印度洋海温异常对南海夏季风建立早晚的可能影响途径。结果表明:在没有去除ENSO信号(外部作用)的情况下,全区一致型的海温分布主要通过影响热带印度洋上空纬向季风环流的强弱来影响南海夏季风建立的早晚。去除ENSO信号后,非ENSO全区一致型的海温分布则主要通过影响低层东西向的气压差异和对流层中上层的南北温度梯度的逆转,进而对南海夏季风建立的早晚产生影响;而南印度洋偶极子(SIODM)型的海温分布则主要通过影响亚洲大陆热低压、西太平洋副热带高压和高低层的辐合辐散运动影响南海夏季风的建立。