ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(El Ni?o和La Ni?a)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;El Ni?o的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,El Ni?o持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。 用非线性最优化方法研究El Ni?o－南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。 利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中“平衡的”多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。     

Role of Parameter Errors in the Spring Predictability Barrier for ENSO Events in the Zebiak–Cane Model

ABSTRACT The impact of both initial and parameter errors on the spring predictability barrier （SPB） is investigated using the Zebiak Cane model （ZC model）. Previous studies have shown that initial errors contribute more to the SPB than parameter errors in the ZC model. Although parameter errors themselves are less important, there is a possibility that nonlinear interactions can occur between the two types of errors, leading to larger prediction errors compared with those induced by initial errors alone. In this case, the impact of parameter errors cannot be overlooked. In the present paper, the optimal combination of these two types of errors [i.e., conditional nonlinear optimal perturbation （CNOP） errors] is calculated to investigate whether this optimal error combination may cause a more notable SPB phenomenon than that caused by initial errors alone. Using the CNOP approach, the CNOP errors and CNOP-I errors （optimal errors when only initial errors are considered） are calculated and then three aspects of error growth are compared： （1） the tendency of the seasonal error growth; （2） the prediction error of the sea surface temperature anomaly; and （3） the pattern of error growth. All three aspects show that the CNOP errors do not cause a more significant SPB than the CNOP-I errors. Therefore, this result suggests that we could improve the prediction of the E1 Nifio during spring by simply focusing on reducing the initial errors in this model.     

A Comparison of Breeding and Ensemble Transform Vectors for Global Ensemble Generation

To compare the initial perturbation techniques using breeding vectors and ensemble transform vectors,three ensemble prediction systems using both initial perturbation methods but with different ensembl...     

过去500年印度夏季风降水与ENSO的关系

为了研究大尺度背景场对ENSO和印度夏季风降水关系的调制作用,更好地预报气候变暖背景下印度夏季风降水的年际变化,本文利用重建的10套ENSO指数和印度降水资料,研究了ENSO和印度夏季风降水在过去500 a(1470-1999年)中的关系,其存在的原因以及如何理解这一现象,主要侧重于ENSO对印度夏季风的影响.结果 表...     

ENSO与西北太平洋强TC相关关系年代际变化研究

利用美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC),中国气象局(China Meteorological Administration,CMA)上海台风所,日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)的台风最佳路径资料以及美国NCAR/NCEP再分析资料等,深入研究厄尔尼诺—南方涛动(El Ni1o-Southern Oscillation,ENSO)与西北太平洋强热带气旋(Tropical Cyclone,TC),即1 min最大风速大于等于114 kn相关关系的变化。结果表明,ENSO与热带西北太平洋(Western North Pacific,WNP)强TC频数之间的相关关系存在明显年代际变化。在1960—1971年期间(前一阶段),强TC年频数与Ni1o3. 4(11月—次年1月平均)相关性较弱;而在1983—2014年期间(后一阶段)两者的相关性则为强的正相关。并且强TC的年频数、生命史以及生成位置在后一阶段El Ni1o和La Ni1a年之间的差异相比前一阶段都有明显的增大。进一步分析发现:热带太平洋海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)的西移是造成后一阶段Ni1o3. 4指数与强TC年频数相关性提高的关键因素。在后一阶段的El Ni1o(La Ni1a)年,SSTA的西移使得WNP东南象限的相对湿度明显增加(减少),从而有利于(不利于) TC在此象限生成。又因为位于东南象限的TC比较容易发展成强TC,因此导致后一阶段的El Ni1o(La Ni1a)年有更多(更少)的强TC在西北太平洋的东南象限生成。     

Predictability of Ensemble Forecasting Estimated Using the Kullback–Leibler Divergence in the Lorenz Model

A new method to quantify the predictability limit of ensemble forecasting is presented using the Kullback–Leibler(KL)divergence(also called the relative entropy), which provides a measure of the difference between the probability distributions of ensemble forecasts and local reference(true) states. The KL divergence is applicable to a non-normal distribution of ensemble forecasts, which is a substantial improvement over the previous method using the ensemble spread. An example from the three-variable Lorenz model illustrates the effectiveness of the KL divergence, which can effectively quantify the predictability limit of ensemble forecasting. On this basis, the KL divergence is used to investigate the dependence of the predictability limit of ensemble forecasting on the initial states and the magnitude of initial errors. The local predictability limit of ensemble forecasting varies considerably with the initial states, as well as with the magnitude of initial errors. Further research is needed to examine the real-world applications of the KL divergence in measuring the predictability of ensemble weather forecasts.     

集合预报业务使用现状和趋势

依据 1999年 11月 14～ 19日在欧洲中期天气预报中心举行的第 7届天气预报业务系统研讨会的情况 ,对集合预报的业务使用现状、集合预报产品以及未来趋势进行了介绍     

欧洲中心集合预报在中国区域中期时效离散度预报技巧关系分析

预测数值模式对于中期天气预报能力是集合预报的重要应用之一。为研究集合预报在中国区域中期时效(96～360h)预报技巧的预测能力,本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)全球集合预报系统2007—2011年500 hPa高度场和850hPa温度场预报数据,采取两种不同的离散度-预报技巧关系表征方法进行对比分析,结果表明:(1)以均方根误差为表征的预报技巧(RMS_(ENS))和离散度(SP_(RMSE))表现出季节循环特征,即冬(夏)季值高(低),这是大气内在性质的表现。而以距平相关为表征的预报技巧(AC_(ENS))和离散度(SP_(AC))没有显著的内在季节变化特征。(2)对比分析两种不同表征的离散度-预报技巧关系可知,以距平相关为表征的离散度-预报技巧关系更能反映中期时效的预报技巧,且850 hPa温度场较500 hPa高度场二者的相关性更好。(3)定量分析离散度-预报技巧关系表明,小离散度情况下更能体现高的预报技巧,但这种关系从96～360 h样本百分比下降了20%左右,而在大离散度情况下离散度-预报技巧关系相对弱一些,且随预报时效的延长样本百分比没有显著的降低。(4)样本统计显示中期各时效SP_(RMSE)和SP_(AC)二者一致的样本占59%～66%,并没有显示较高的一致性特征。上述分析结果为集合预报在中期时效预报技巧预测方面提供定性和定量的参考。     

业务集合预报系统的现状及展望

集合预报系统从原理上讲也可称之为概率预报系统，其最终目的是要提供所有大气变量的完全概率预报，近几年集合预报技术从以前仅考虑初值的不确定性发展为也考虑模式的不确定性，进而发展了多模式－多分析集合预报技术等，阐述了目前业务集合以预报的一些问题，如扰动初值的生成，多模式集合预报，集合预报产品的应用，检验评价等，介绍了近几年集合预报的新进展及该技术的未来发展趋势。     

过去60年中3—5年时间尺度的强ENSO过程与平流层环流异常的滞后耦合及其机理

基于1950—2009年60a月平均Nino3指数和NCEP/NCAR第一套等压面再分析资料,关注3—5 a时间尺度的强ENSO过程与平流层环流年际异常的时空联系及其机理,通过对此期间出现在3次持续强ENSO阶段中的11次3—5 a时间尺度的强ENSO过程的诊断表明,平流层环流的年际尺度异常与3—5 a时间尺度的强ENSO循环过程密切耦合。极夜急流强度趋于在ENSO暖/冷峰值之后减弱/加强,最大异常值多滞后ENSO峰值约1/4周期（接近1 a）,出现在ENSO峰值之后的下一年冬季;且3—5 a时间尺度的ENSO峰值愈强,滞后约1/4周期出现的热带外平流层纬向风的年际异常也愈强;平均而言,这种年际时间尺度的耦合关系,也对实际的季节尺度平流层极涡振荡的强度和性质有显著的调制作用。进一步研究这种滞后耦合关系与年际时间尺度的行星波活动异常的联系发现,在暖ENSO峰值所在的当年冬季,对流层高层被强迫出年际时间尺度的太平洋-北美（PNA）型异常环流,而与冷ENSO峰值相对应的是相反的太平洋 北美异常型;这种太平洋-北美型与平流层热带外地区的行星波1波的发展相联系;在ENSO峰值之后的下一年冬季,太平洋 北美型环流减弱但对流层高层的主要异常分布在中高纬度,多对应着平流层行星波2波的显著增强,与平流层极区最强的高度异常相联系。行星波活动所引起的经向动量通量和经向热量通量的辐合、辐散异常对平流层滞后异常响应的贡献,存在显著的阶段性差异,在不同的阶段两者可以共同起作用,也可以分别起作用。     

Validation of Strategies using Clustering Analysis of ECMWF EPS for Initial Perturbations in a Limited Area Model Ensemble Prediction System

One of the main challenges for a skilful Limited Area Model Ensemble Prediction System (LAMEPS) is the generation of appropriate initial perturbations. In most operational LAMEPSs, the initial perturbations are provided by a global Ensemble Prediction System (EPS). Molteni et al. (2001 Marsigli, C., Montani, A., Nerozzi, F., Paccagnella, T., Tibaldi, S., Molteni, F. and Buizza, R. 2001. A strategy for high-resolution ensemble prediction. II: Limited-area experiments in four Alpine flood events. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127: 2095–2115. (doi:10.1002/qj.49712757613)[Crossref], [Web of Science ®] , [Google Scholar]) proposed clustering analysis as an objective selection criterion to choose a member from the global European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF)-EPS model as initial perturbations in LAMEPS. In this article, another strategy for using the clustering method is investigated which ensures that initial perturbations are centred on the control analysis. The main purpose of this article is to study the benefit of cluster analysis and to validate the effect of different clustering strategies on the performance of a 17-member LAMEPS. The system used in this study is the operational Aire Limitée Adaptation Dynamique Développement InterNational-Limited-Area Ensemble Forecasting (ALADIN-LAEF) model.

Three experiments were carried out over a 50-day period to validate different clustering strategies: i) representative members of 16 clusters from the 50-member ECMWF-EPS, where initial perturbations are not necessarily centred; ii) representative members from eight clusters and the symmetric pairs from ECMWF singular vector analysis; and iii) eight arbitrarily chosen ECMWF-EPS singular vector pairs. Results of the verified experiments show that the statistical reliability of ALADIN-LAEF improves when clustering is applied, but no clear improvement can be seen in the skill of LAMEPS. A case study of a heavy precipitation event confirms the result of the 50-day verification. The validation shows that none of the clustering strategies outperforms any other.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] L'un des principaux défis d'un système performant de prévisions d'ensemble de modèle à domaine limité (LAMEPS) réside dans la génération de perturbations initiales appropriées. Dans la plupart des LAMEPS opérationnels, les perturbations initiales sont fournies par un système de prévisions d'ensemble (EPS) global. Molteni et coll. (2001 Molteni, F., Buizza, R., Marsigli, C., Montani, A., Nerozzi, F. and Paccagnella, T. 2001. A strategy for high-resolution ensemble prediction. I: Definition of representative members and global-model experiments. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127: 2069–2094. (doi:10.1002/qj.49712757612)[Crossref], [Web of Science ®] , [Google Scholar]) ont proposé l'analyse par groupement comme critère de sélection objectif pour le choix d'un membre du modèle EPS global du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) comme perturbations initiales dans le LAMEPS. Dans cet article, nous étudions une autre stratégie d'utilisation de la méthode des groupements, qui assure que les perturbations initiales sont centrées sur l'analyse de contrôle. Le but premier de cet article est d’étudier les avantages de l'analyse par groupement et de valider l'effet des différentes stratégies de groupement sur la performance d'un LAMEPS de 17 membres. Le système utilisé dans cette étude est le modèle opérationnel ALADIN–LAEF (Aire limitée, Adaptation dynamique, Développement InterNational – Prévisions d'ensemble à domaine limité).Nous avons mené trois expériences sur une période de 50 jours pour valider différentes stratégies de groupement: i) membres représentatifs de 16 groupements d'un ECMWF–EPS de 50 membres, où les perturbations initiales ne sont pas nécessairement centrées; ii) membres représentatifs de huit groupements et les paires symétriques issues de l'analyse par vecteurs singuliers du ECMWF; et iii) huit paires issues de l'analyse par vecteurs singuliers du ECMWF-EPS choisies au hasard. Les résultats des expériences vérifiées montrent que la fiabilité statistique du ALADIN–LAEF s'améliore lorsqu'un groupement est appliqué, mais on ne perçoit aucune amélioration nette dans l'habileté du LAMEPS. Une étude de cas d'un événement de fortes précipitations confirme le résultat de la vérification de 50 jours. La validation montre qu'aucune des stratégies de groupement ne surpasse les autres.     

近11年中国寒潮频发的机理分析

利用全国840个站点观测资料以及ERA5再分析资料,分析了过去63 a(1960—2022年)冬半年(前一年10月—当年4月)全国性寒潮频次的年代际变化特征。统计结果表明:在全球变暖背景下,寒潮频次的下降趋势在2012年发生了转折,2012—2022年呈现显著上升趋势。2012—2022年,乌拉尔山阻塞频率与全国性寒潮发生频次呈显著负相关。乌拉尔山阻高会抑制高空急流发生发展,大气经向环流减弱,北极内冷气团南下受阻,从而减少寒潮发生的频次。同时乌拉尔山阻高与东亚中高纬地区地面2 m温度经向分布联系紧密,乌拉尔山阻塞的频繁发生往往会出现更多的北极增温、中纬度地区降温的天气尺度现象。此外,北极增暖效应本身也与我国寒潮频次有显著的负相关,北极增暖会减小中高纬温度差,西风带减弱,进而减弱冷空气的输送。近11 a,乌拉尔山阻塞频率呈显著减少趋势,相应地,等熵面位涡经向梯度具有线性增加趋势,不利于阻塞高压的维持,伴随北极增暖效应也呈现出减弱态势,这样的大气环流配置有利于近年来我国寒潮频次的增加。     

上海区域降水集合预报系统的建立与运行结果的检验

以MM5模式为基础, 从预报模式的不确定性出发形成8个集合成员, 建立了上海区域降水集合预报系统。该系统实现从资料收集、资料处理、模式预报到预报结果处理与产品输出的全自动化, 于2005年8月1日开始业务运行, 运行稳定可靠。对系统8—10月的运行结果进行检验, 结果表明:集合预报系统对降水的总体预报效果尚可, 其中对量级小的降水的总体预报效果更好, 集合预报产品尤其是概率预报产品具有一定的参考价值, 但系统还存在发散度偏小的问题, 有待进一步改进。     

Ensemble mean forecast skill and applications with the T213 ensemble prediction system

Ensemble forecasting has become the prevailing method in current operational weather forecasting. Although ensemble mean forecast skill has been studied for many ensemble prediction systems(EPSs) and different cases, theoretical analysis regarding ensemble mean forecast skill has rarely been investigated, especially quantitative analysis without any assumptions of ensemble members. This paper investigates fundamental questions about the ensemble mean, such as the advantage of the ensemble mean over individual members, the potential skill of the ensemble mean, and the skill gain of the ensemble mean with increasing ensemble size. The average error coefficient between each pair of ensemble members is the most important factor in ensemble mean forecast skill, which determines the mean-square error of ensemble mean forecasts and the skill gain with increasing ensemble size. More members are useful if the errors of the members have lower correlations with each other, and vice versa. The theoretical investigation in this study is verified by application with the T213 EPS. A typical EPS has an average error coefficient of between 0.5 and 0.8; the 15-member T213 EPS used here reaches a saturation degree of 95%(i.e., maximum 5% skill gain by adding new members with similar skill to the existing members) for 1–10-day lead time predictions, as far as the mean-square error is concerned.     

Evaluation of a Regional Ensemble Data Assimilation System for Typhoon Prediction

An ensemble Kalman filter(EnKF) combined with the Advanced Research Weather Research and Forecasting model(WRF) is cycled and evaluated for western North Pacific(WNP) typhoons of year 2016. Conventional in situ data, radiance observations, and tropical cyclone(TC) minimum sea level pressure(SLP) are assimilated every 6 h using an 80-member ensemble. For all TC categories, the 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system have an appropriate amount of variance for TC tracks but have insufficient v...     

IAP ENSO预测系统预报技巧的时间依赖性及对1999年La Nia事件的预测

利用IAP ENSO预测系统对1981年11月至1997年12月系统性回报实验的结果,分析了预报技巧的时间依赖性。结果表明：该预测系统对80年代的ENSO具有较强的预报能力,在Nino 3区接近0.8的预报相关技巧（预报与观测的相关系数）可达1年半左右,而对90年代的ENSO现象,预报技巧则较低,超前半年以上的预报仅在0.4左右;预报技巧具有季节依赖性,从春季到秋初开始的预报较好,高于0.5的技巧均可维持15个月以上,其中从7月到9月开始的预报,其高于0.6的相关技巧可达16个月;而从秋末和冬季开始的预报,其技巧衰减较快,预报5个月后降到了0.5以下。对1999年La Nia事件的实时预测总体上是成功的,即此次La NNia事件将维持到2000年;但未能预测出其在1999年春季以后再次加强的过程。对其未来变化趋势的预测显示,此次La Nia事件有可能于今年夏秋季结束。     

长江流域夏季降水的贝叶斯多模式集合概率预测

A Bayesian probabilistic prediction scheme of the Yangtze River Valley (YRV) summer rainfall is proposed to combine forecast information from multi-model ensemble dataset provided by ENSEMBLES project.Due to the low forecast skill of rainfall in dynamic models,the time series of regressed YRV summer rainfall are selected as ensemble members in the new scheme,instead of commonly-used YRV summer rainfall simulated by models.Each time series of regressed YRV summer rainfall is derived from a simple linear regression.The predictor in each simple linear regression is the skillfully simulated circulation or surface temperature factor which is highly linear with the observed YRV summer rainfall in the training set.The high correlation between the ensemble mean of these regressed YRV summer rainfall and observation benefit extracting more sample information from the ensemble system.The results show that the cross-validated skill of the new scheme over the period of 1960 to 2002 is much higher than equally-weighted ensemble,multiple linear regression,and Bayesian ensemble with simulated YRV summer rainfall as ensemble members.In addition,the new scheme is also more skillful than reference forecasts (random forecast at a 0.01 significance level for ensemble mean and climatology forecast for probability density function).     

国家级区域集合预报系统研发和性能检验

该文简要介绍了中国气象局国家气象中心研发的区域中尺度集合预报系统主要技术特点:在初值扰动技术方面,通过研究中国地区中尺度模式预报误差快速增长特点、中国地形地貌特征与观测资料的分布情况,研发适合于中尺度模式的增长模繁殖法扰动技术构造初值场;分析数值模式物理过程参数化方案内在的不确定性以及对强对流天气和近地面要素预报的差异,确定多物理过程扰动技术方案。解决全球集合预报扰动信息向中尺度集合预报输入的关键技术,实现中尺度区域集合预报系统与全球中期集合预报系统的嵌套。在模式后处理方面,解决中尺度集合预报结果的偏差订正技术;开发满足多种需求的多要素、多层次概率预报产品和概率预报检验产品。在世界天气研究计划"2008年北京奥运会中尺度集合预报研究开发项目"3年实时预报试验比较评价中,中国气象局国家气象中心区域中尺度集合预报系统总体预报能力与国外同类系统相当。     

Application of the Analogue-Based Correction of Errors Method in ENSO Prediction

In this study, a method of analogue-based correction of errors（ACE） was introduced to improve El Ni？o-Southern Oscillation（ENSO） prediction produced by climate models. The ACE method is based on the hypothesis that the flow-dependent model prediction errors are to some degree similar under analogous historical climate states, and so the historical errors can be used to effectively reduce such flow-dependent errors. With this method, the unknown errors in current ENSO predictions can be empirically estimated by using the known prediction errors which are diagnosed by the same model based on historical analogue states. The authors first propose the basic idea for applying the ACE method to ENSO prediction and then establish an analogue-dynamical ENSO prediction system based on an operational climate prediction model. The authors present some experimental results which clearly show the possibility of correcting the flow-dependent errors in ENSO prediction, and thus the potential of applying the ACE method to operational ENSO prediction based on climate models.     

江苏省近50 a夏季降水变化及其与ENSO的关系

利用中国气象局2 400余个台站观测资料制作的数据集CN05.1中的降水资料、美国国家大气海洋局气候预测中心(NOAA/CPC)扩展重建的海表温度资料(ERSST v4)及美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的逐日再分析资料NECP-1中的500 hPa位势高度场资料、850 hPa风场资料及海平面气压场资料,采用经验正交函数分解、功率谱分析等方法,探讨了近50 a江苏省夏季降水变化特征及其与ENSO的关系。结果表明:(1)江苏夏季降水呈现出两种典型的空间分布模态,第一模态呈现了全省降水一致变化的空间分布格局;第二模态反映了江苏省降水南北反向变化的特征。(2)两种降水模态对应的时间序列具有不同的周期。第一模态对应的时间序列存在明显的年际振荡(主周期为4～5 a);而第二模态则存在显著的年代际振荡(主周期为16 a)。(3)El Niňo事件次年江苏省夏季降水整体增多;La Niňa年江苏省夏季降水呈现南涝北旱的空间格局。