系统误差订正方法在热带海温年代际试验中的应用研究

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1参与了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)的年代际试验,研究中采用了一种系统误差的订正方法对该模式年代际试验的回报数据进行订正,检验了该方法能否提高模式对热带SST的回报效果。对1960-1990年每5年开展一组的年代际回报试验分析表明,未订正前,年代际试验尽管使用了观测海温资料进行初始化,但对随后海温的实际演变预测能力很低。不同组起报时间的回报试验对逐月海温的预测与对应时段的观测资料,仅在西太平洋及热带北大西洋海域存在一致的正相关关系。经订正后,考虑了模式回报与观测之间误差的统计信息,对全球海温的回报技巧明显提高,尤其是在热带太平洋和南半球印度洋。在热带太平洋海域,订正的模式结果与对应观测的空间相关系数在起报后120个月基本保持在0.8以上,经订正的模式结果对太平洋海温的模态分布更接近观测事实。表明这一误差订正的方法有助于减小模式误差,对预测热带SST有重要的科学参考。     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对中国气候的回报能力评估

对比国家气候中心耦合模式BCC_CSM1.1提交CMIP5的历史（Historical）试验和年代际（Decadal）回报试验对中国气候及其年代际变化的模拟。结果表明,Decadal试验回报的中国降水气候分布更接近观测,回报的中国东部气温和降水的年代际距平误差比Historical试验减小明显。对于发生在20世纪70年代末的中国东部降水年代际变化,Decadal试验能回报出长江中下游降水增多的特征,但Historical试验模拟的降水变化与观测相反。由于Decadal试验和Historical试验的区别之一是后者利用观测海温资料进行了初始化,为了探讨观测海温信息的重要性,进一步将Decadal试验与恢复（Nudging）试验（即模式积分过程中,模拟海温始终向观测海温恢复）的模拟结果进行对比。发现Nudging试验能够较好地模拟出“南涝北旱”型降水变化,也能够模拟出相应的东亚急流增强且偏南的特征。这表明气候模式对海温的回报能力是影响其对东亚气候年代际异常模拟的一个重要因素。     

CMIP5模式对北极涛动的模拟评估

基于国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)历史试验(historical)的输出结果,评估了26个耦合模式对北极涛动(AO)的模拟能力。对各模式逐月AO指数序列的功率谱分析表明,有23个模式能够模拟出AO模态无显著变化周期的特征。这些模式也能够较好地再现冬季AO在海平面气压场上的主要分布特征,但均高估了AO模态的强度。对于伴随着冬季AO位相变化而出现的中高纬度偶极型的纬向平均纬向风异常,CMIP5中只有一些模式有较好的模拟表现,大多数模式对其中心位置和强度的模拟存在明显不足。对比之下,MPI-ESM-P对AO时空特征的模拟更接近观测结果。     

IAP-DecPreS年代际气候预测系统及其预报技巧

针对未来1~10 a气候状态的近期气候预测(年代际预测)是当前国际气候领域的研究热点。本文综述了中国科学院大气物理研究所发展的基于耦合气候系统模式的年代际气候预测系统IAP-DecPreS相关的研究进展。IAP-DecPreS系统的核心部分是耦合模式海洋分量初始化方案,“集合最优插值-分析增量更新”(EnOI-IAU)方案,该方案将集合最优插值(EnOI)和增量分析更新(IAU)结合起来,能够同化原始的海洋次表层温度廓线观测资料,对耦合模式进行初始化。系统的年代际回报试验表明,IAP-DecPreS对太平洋年代际振荡和大西洋多年代际变率的预测技巧与耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)技巧较高的模式相当。IAP-DecPreS系统被广泛应用于气候预测相关研究,包括火山气溶胶对年代际预测技巧的影响,全场同化和异常场同化两种不同的初始化方法对ENSO、印度洋偶极子模态和印度洋洋盆模态等的预测技巧的影响。最后,结合国际发展态势,对未来IAP-DecPreS的发展进行了讨论。     

中国东部地区冬季气温与北极涛动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料、北极涛动（AO）指数序列及中国160个台站月温度资料,分析1951-2007年中国冬季气温与AO指数的变化特征及其相互关系。结果表明：1951-2007年AO与中国东部地区冬季气温基本呈正相关关系。中国东部地区冬季气温指数（IWT）与北极涛动指数（IAO）均逐渐增强,并有显著的年际和年代际变化,均存在准18 a的周期变化特征。从偏相关系数来看,在年际尺度上,西伯利亚高压对中国东部地区冬季气温的年际变化影响较大,而AO与冬季气温无显著相关关系;在年代际尺度上,AO对中国东部地区冬季气温的影响较显著,比西伯利亚高压影响大。东亚大槽偏弱时,中国冬季气温偏高,AO指数也偏高,反之则相反。在年际尺度上,东亚大槽对中国东部地区冬季气温的年际变化影响较大,而AO与冬季气温无显著相关关系;在年代际尺度上,AO和东亚大槽对中国冬季气温的变化影响均较显著。     

CMIP6年代际试验对中国气温预测能力的初步评估

利用参加第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)年代际气候预测计划(DCPP)的加拿大CanESM5模式和日本MIROC6模式的结果,评估了模式对中国近地面气温的预测能力.在年代际尺度上,两个模式年代际试验对近地面气温的回报技巧均高于历史试验的模拟能力,采用海温初始化可以提高模式对中国近地面气温的年代际预报技巧.对年代...     

中国春季沙尘暴年代际变化和季节预测

利用1954～2007年中国258个台站观测的月沙尘暴日数资料,北半球地表温度和美国NCAR/NCEP大气再分析资料,研究了中国春季沙尘暴日数年代际变化特征及其影响因子。研究发现:中国春季沙尘暴日数与贝加尔湖地表变暖存在显著的负相关,相关系数达到-0.8,该地区的地表温度变暖导致蒙古气旋活动和我国沙尘暴频率降低。利用该地区冬季对流层850 hPa温度与春季地表温度指数之间显著正相关关系,建立了冬季850 hPa温度指数预测中国春季沙尘暴频率的线性预报方程。通过22年回报检验发现,统计预报结果与多数台站观测的沙尘暴发生频率存在显著的正相关,最大相关系数达到+0.4。其中,近22年的预报场与观测之间空间相关系数平均达到+0.4以上,均方根误差在1～2之间,表明该统计预报模型具有一定的业务应用价值。     

Decadal prediction skill for Eurasian surface air temperature in CMIP6 models

评估CMIP6年代际预测试验对季节平均SAT的预测技巧的结果表明:模式不能有效预测冬季和秋季SAT的年代际变率.IPSL-CM6A-LR和多模式集合平均对于春季SAT展现了预测技巧,其中对于变率的预测技巧好于振幅的结果.基于蒙古和我国华北地区的显著预测技巧,模式对于夏季SAT表现出最佳的预测水平.与外部强迫相比,模式对于SAT的预测技巧可能来自初始化.模式中的一个明显系统性误差值得注意,即模式中冬季SAT的变率可以持续到其他季节,而在观测中其他季节的SAT变化与冬季SAT相对独立.     

阵风效应对冬季北太平洋涛动年际变化模拟效果的影响

利用观测海温驱动NCAR CAM5模式进行了两组数值试验,对比分析了在CAM5模式海气湍流热通量参数化方案中引入阵风效应前后,模式对冬季NPO(North Pacific Oscillation,北太平洋涛动)年际变化模拟效果的差异。结果表明,考虑了阵风效应后,CAM5模式能较好地模拟冬季NPO的年际变化特征,模拟的1979—1999年冬季NPO指数序列与观测结果的相关系数由0.09提高到0.57;热带东太平洋海表温度异常通过影响海表湍流热通量异常,对冬季NPO年际变化产生影响;引入阵风效应后,模式对热带东太平洋海表湍流热通量异常的模拟结果更趋合理,从而使得模式可以较好地模拟出冬季NPO的年际变化。     

BCC_CSM1.1对10年尺度全球及区域温度的预测研究

近期10～30年时间尺度的年代际预测是第五次耦合模式国际比较计划(CMIP5)重要内容之一。按照CMIP5试验要求, 国家气候中心利用气候系统模式BCC_CSM1.1完成并提交了年代际试验结果。本文评估了该模式年代际试验对10年尺度全球及区域地表温度的预测能力, 并通过与20世纪历史气候模拟试验的对比分析, 研究模式模拟对海洋初始观测状态的依赖程度。分析结果表明:(1)在有、无海洋初始化条件下, 模式均能模拟出1960～2005年间全球10年平均实测地表温度的变暖趋势, 但在有海洋初始化条件下, 可以明显减小BCC_CSM1.1模式模拟的全球升温趋势, 使得年代际试验比历史试验的结果更接近观测值。这一特点在观测资料相对丰富的南北纬50°以内地区更为显著。(2)在年代际试验预测前期, 通过Nudging方法, 利用SODA再分析海洋温度资料对模式进行初始化, 经过前期8～12月的协调后, 模式预测的第1年南北纬50°范围海洋、陆面的平均地表气温接近于观测值(CRUTEM3, HadSST2)。由于模式初值SODA再分析SST资料与HadSST2观测值存在明显的全球大洋系统暖偏差以及模式本身系统偏差的影响, 年代际试验模拟的地表气温在2～7年之内, 从观测SST状态逐渐恢复到模式系统本身状态。在同组Decadal试验中, 陆面和海洋恢复调整的时间长度几乎一致。(3) 从10年平均气候异常在区域尺度上的预报技巧来看, 有、无海洋初始同化对预测结果影响不大, 高预测技巧区主要分布在南半球印度洋中高纬度、热带西太平洋以及热带大西洋区域。(4)SST变化与下垫面热通量密切相关, 在热带和副热带海洋区域, 长波辐射和感热通量是影响10年时间尺度SST变化较大的物理量, 在中高纬度海洋, 洋面温度变化主要受潜热通量的影响相对较大。     

Subseasonal variability and predictability of the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation in BCC_AGCM2.2

The subseasonal variability and predictability of the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO) is evaluated using a full set of hindcasts generated from the Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model version 2.2 (BCC_AGCM2.2). It is shown that the predictability of the monthly mean AO/NAO index varies seasonally, with the highest predictability during winter (December–March) and the lowest during autumn (August–November), with respect to both observations and BCC_AGCM2.2 results. As compared with the persistence prediction skill of observations, the model skillfully predicts the monthly mean AO/NAO index with a one-pentad lead time during all winter months, and with a lead time of up to two pentads in December and January. During winter, BCC_AGCM2.2 exhibits an acceptable skill in predicting the daily AO/NAO index of ∼9 days, which is higher than the persistence prediction skill of observations of ∼4 days. Further analysis suggests that improvements in the simulation of storm track activity, synoptic eddy feedback, and troposphere–stratosphere coupling in the Northern Hemisphere could help to improve the prediction skill of subseasonal AO/NAO variability by BCC_AGCM2.2 during winter. In particular, BCC_AGCM2.2 underestimates storm track activity intensity but overestimates troposphere–stratosphere coupling, as compared with observations, thus providing a clue to further improvements in model performance.     

北极涛动、极涡活动异常对北半球欧亚大陆冬季气温的影响

利用1951-2012年NCEP/NCAR全球月平均500 hPa高度场、气温场等再分析资料,北极涛动（AO）指数,北半球及其4个分区的极涡指数等资料,分析极涡和AO对北半球特别是欧亚大陆冬季气温异常分布的影响。北半球极涡面积指数与北半球气温相关场呈由北向南的“+、-”分布,显著正相关中心位于极区,显著负相关中心位于欧亚大陆中高纬度地区;AO指数与气温的相关场分布与此反位相。极涡各分区面积指数体现与各大洲气温显著相关的地域特征,尤其是亚洲极涡面积指数比AO的相关区域更偏向亚洲和中国东部及沿海地区,能表征亚洲大陆冬季风向中低纬度爆发的某些特征。2006年以来AO指数呈较明显的下降趋势,北半球、亚洲区极涡面积指数呈显著的上升趋势,这是有利于欧亚大陆近几年连续冬季气温异常偏低的年代际背景;2009-2011年北半球欧亚大陆冬季大范围低温事件,不仅与冬季AO负位相明显变强有关（2011年除外）,与北半球以及亚洲区极涡面积指数偏大联系更为密切,亦表明该区域冬季变冷的自然变率明显增强。     

典型相关分析(CCA)对我国冬季气温的短期气候预测试验

利用典型相关分析(CCA)方法建立统计气候预测模型，对我国冬季气温进行了预测试验，采用历史资料独立样本检验的方法，对预报技巧给出合理的评定。结果表明，使用CCA方法对我国冬季气温进行短期气候预测，有一定的预报技巧，对于特定地区和特定时期优选的因子场组合，可以取得较为满意的预报效果。大部分地区的季平均预报时效在2个季以内时，最佳预报相关系数在0.5以上。季平均的预报水平明显高于月平均的预报。海温场是所有因子场中最好的预报因子，不仅单独海温场的预报效果较好，而且与其他因子场组合后的预报水平还可以得到进一步提高。     

Impact of initialization procedures on the predictive skill of a coupled ocean–atmosphere model

The sensitivity of the predictive skill of a decadal climate prediction system is investigated with respect to details of the initialization procedure. For this purpose, the coupled ocean–atmosphere UCLA/MITgcm climate model is initialized using the following three different initialization approaches: full state initialization (FSI), anomaly initialization (AI) and FSI employing heat flux and freshwater flux corrections (FC). The ocean initial conditions are provided by the German contribution to Estimating the Circulation and Climate of the Ocean state estimate (GECCO project), from which ensembles of decadal hindcasts are initialized every 5 years from 1961 to 2001. The predictive skill for sea surface temperature (SST), sea surface height (SSH) and the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) is assessed against the GECCO synthesis. In regions with a deep mixed layer the predictive skill for SST anomalies remains significant for up to a decade in the FC experiment. By contrast, FSI shows less persistent skill in the North Atlantic and AI does not show high skill in the extratropical Southern Hemisphere, but appears to be more skillful in the tropics. In the extratropics, the improved skill is related to the ability of the FC initialization method to better represent the mixed layer depth, and the highest skill occurs during wintertime. The correlation skill for the spatially averaged North Atlantic SSH hindcasts remains significant up to a decade only for FC. The North Atlantic MOC initialized hindcasts show high correlation values in the first pentad while correlation remains significant in the following pentad too for FSI and FC. Overall, for the current setup, the FC approach appears to lead to the best results, followed by the FSI and AI procedures.     

Added-value from initialization in predictions of Atlantic multi-decadal variability

Identifying regions sensitive to external radiative changes, including anthropogenic (sulphate aerosols and greenhouse gases) and natural (volcanoes and solar variations) forcings, is important to formulate actionable information at multi-year time-scales. Internally-generated climate variability can overcome this radiative forcing, especially at regional level, so that detecting the areas for this potential dominance is likewise critical for decadal prediction. This work aims to clarify where each contribution has the largest effect on North Atlantic sea surface temperature (SST) predictions in relation to the Atlantic multi-decadal variability (AMV). Initialized decadal hindcasts and radiatively-forced historical simulations from the fifth phase of the Climate Model Intercomparison Project are analysed to assess multi-year skill of the AMV. The initialized hindcasts reproduce better the phase of the AMV index fluctuations. The radiatively-forced component consists of a residual positive trend, although its identification is ambiguous. Initialization reduces the inter-model spread when estimating the level of AMV skill, thus reducing its uncertainty. Our results show a skilful performance of the initialized hindcasts in capturing the AMV-related SST anomalies over the subpolar gyre and Labrador Sea regions, as well as in the eastern subtropical basin, and the inability of the radiatively-forced historical runs to simulate the horseshoe-like AMV signature over the North Atlantic. Initialization outperforms empirical predictions based on persistence beyond 1–4 years ahead, suggesting that ocean dynamics play a role in the AMV predictability beyond the thermal inertia. The initialized hindcasts are also more skilful at reproducing the observed AMV teleconnection to the West African monsoon. The impact of the start date frequency is also described, showing that the standard of 5-year interval between start dates yields the main features of the AMV skill that are robustly detected in hindcasts with yearly start date sampling. This work updates previous studies, complementing them, and concludes that skilful initialized multi-model forecasts of the AMV-related climate variability can be formulated, improving uninitialized projections, until 3–6 years ahead.     

对流层上层副热带西风急流与东亚冬季风的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究冬季对流层上层西风急流的时空变化特征,提出表征急流强度和位置变化的指数,进而探讨西风急流与东亚冬季风的关系。结果表明:冬季西风急流强度指数体现了西太平洋与高纬大陆的热力对比,较好地反映了西伯利亚高压与阿留申低压的强度变化,可作为表征冬季风强弱变化的一个定量指标,急流增强(减弱)对应西伯利亚冷高压和阿留申低压加强(减弱),东亚冬季风偏强(弱)。急流强度指数与不同高度冬季风子系统的显著相关表明,东亚冬季风活动异常不只是对流层中低层的现象,而在整个对流层都有明显反映,低层的西伯利亚高压和阿留申低压、中层的欧亚脊、东亚大槽及西太平洋副热带高压与高层的西风急流是同相变化的。在此基础上还比较了急流强度指数和北极涛动指数(AO)与东亚冬季风的关系,急流强度变化体现了欧亚大陆与西太平洋的热力差异,而AO则主要反映极地与中纬度环状模的反相变化,所以急流强度变化与东亚冬季风的关系更为密切。     

东北地区冬季气温与北极涛动年代际关系研究

利用中国160站气温资料、北极涛动指数资料及关国NCEP／NCAR再分析资料中月平均海平面气压场、高度场、风场资料，分析了东北地区冬季气温、冬季北极涛动的年代际特征及其关系。结果表明：在年代际时间尺度上，两者之间存在显著正相关。冬季北极涛动处于低（高）指数期，东北冬季气温为持续冷冬（暖冬）期。可能影响机制是：在地面，冬季北极涛动处于低（高）指数期时，西伯利亚高压增强（减弱），亚洲大陆偏北冬季风增强（减弱），东北为持续冷冬（暖冬）期；在对流层中层，冬季北极涛动处于低（高）指数期时，东亚大槽加深（减弱），贝加尔湖以西以北脊增强（减弱），环流呈经向（纬向）型发展，东北对流层中层偏北风增强（减弱），东北为持续冷冬（暖冬）期。     

中国区域月平均温度和降水的模式可预报性分析

基于中国台站降水和温度观测资料、中国气象局国家气候中心月动力延伸预报的回算和预测结果讨论了中国区域月平均温度和降水模式可预报性的时空变化特征。文中以持续性预报来表征中国区域月平均温度和降水受外强迫影响下的可预报性,持续性预报技巧存在明显的年际和年代际变化特征;春末夏初和秋季预报评分相对偏低;在中国区域气候变暖和平均降水强度极值增加的背景下,温度的持续性预报评分有明显提高,降水的持续性预报略有下降。月动力延伸预报对月降水和温度的预报能力也存在明显的年际和年代际变化特征;与持续性预报相比,月动力延伸温度预报总体优于持续性预报,降水预报在初春略差,温度预报在8月相对最低。近20余年,月动力延伸预报相对于持续性预报的温度和降水的均方根误差技巧均大于零,其年际变化表现为模式对降水的预测略有提高。两种预报评估结果的空间分布分析表明月动力延伸预报达到显著性水平的正相关区域总体上比持续性预报的范围大,并基本涵盖了持续性预报的高相关区。原因是可预测信息部分来源于外强迫异常的影响,部分来源于对大气内部动力过程的模拟。