CMIP5多模式对东亚地区地面气温年际变率的回报研究

对CMIP5全球气候模式中年代际回报试验的气温资料及其简单集合平均(Multi-model ensemble mean,EMN)和贝叶斯模式平均的结果(Bayesian Model Averaging,BMA)进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解和Morlet小波分析,检验评估各个模式及其EMN和BMA对东亚地面气温的方差、气温时空分布特征及周期变化的回报能力。结果表明,10个模式、EMN、BMA都能很好地回报出1981—2010年东亚地面气温的方差分布,其中BMA回报效果最好。EOF分析表明,BMA能较好地回报出东亚地面气温第一模态的时空分布。MIROC5能较好地回报出第二模态的趋势变化,但却不能回报出气温的年际变率。绝大多数模式和EMN、BMA虽然能回报出东亚地面气温的变化趋势,但是对气温年际变率的回报仍然是比较困难的。CMCC-CM对气温变化主模态的3~5 a的周期变化特征回报效果最好,和NCEP资料的结果最为接近。     

A decadal shift of summer surface air temperature over Northeast Asia around the mid-1990s

This study identifies a decadal shift of summer surface air temperature （SAT） over Northeast Asia,including southeastern parts of Russia,Mongolia and northern China,around the mid-1990s.The results suggest that the SAT over the Northeast Asia experienced a significant warming after 1994 relative to that before 1993.This decadal shift also extends to northern China,and leads to a warmer summer over Northeast China and North China after the mid-1990s.The decadal warming over Northeast Asia is found to concur with the enhancement of South China rainfall around the mid-1990s.On the one hand,both the Northeast Asian SAT and South China rainfall exhibit this mid-1990s decadal shift only in summer,but not in other seasons.On the other hand,both the Northeast Asian SAT and South China rainfall exhibit this mid-1990s decadal shift not only in the summer seasonal mean,but also in each month of summer （June,July and August）.Furthermore,the decadal warming is found to result from an anticyclonic anomaly over Northeast Asia,which can be interpreted as the response to the increased precipitation over South China,according to previous numerical results.Thus,we conclude that the warming shift of summer Northeast Asian SAT around the mid-1990s was a remote response to the increased precipitation over South China.     

基于CMIP5多模式回报资料的地面气温超级集合研究

利用CMIP5的15个全球气候系统模式对东亚及周边地区(70~150°E,0°~60°N)地面气温的回报结果进行超级集合(简称SUP)试验,以欧洲中期天气预报中心ERA逐月气温资料作为观测值,并采用均方根误差(RMSE)、距平相关系数(ACC)、绝对误差(MAE)对多模式集合平均(EMN)以及超级集合(SUP)的回报结果进行检验和评估。结果表明,超级集合回报结果一定程度上取决于训练期的长度。随训练期长度的增加,距平相关系数呈增大的趋势,均方根误差呈减小的趋势,但训练期达到一定长度后,误差不再有明显的减小,甚至出现误差增长。15个全球气候系统模式对东亚及周边地区的地面气温具有一定的回报能力,可以较好地回报出地面气温的年际变化和空间分布,海洋上回报的均方根误差小于陆地。但不同模式回报的结果不尽相同,在单模式中CCSM4对地面气温的回报效果最好。多模式集成的回报效果优于单模式的回报效果,SUP的回报效果优于EMN,其区域平均的均方根误差比多模式集合平均小0.43℃,超级集合极大地改善了地面气温的回报效果。     

基于多种集合的中国冬季气温逐月滚动预测

利用1979—2015年中国国家气候中心整编的160站月平均气温和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,从1979/1980—2008/2009年冬季前期500 h Pa高度场、200 h Pa势函数和850 h Pa势函数场选择预测因子,考虑不同时效因子的组合及其独立性,综合应用多因子回归集合、交叉检验集合、逐月滚动集合,建立了针对中国冬季气温的逐月滚动预测模型,并利用该模型对2010/2011—2014/2015年冬季气温进行了独立预测试验和检验。结果表明,综合运用多种集合可提高短期气候客观定量预测的可行性和稳定性。多因子回归集合能增加可预测站点数,交叉检验集合可减少因统计关系不稳定而产生的对预报效果的影响,逐月滚动集合的应用不仅增加了可预测站点数,而且使预测效果更加稳定。本文建立的预测模型可对中国冬季气温进行长时效的预测,且有一定的预报技巧,对实际的季节预测业务有重要应用价值。     

Regional-scale surface air temperature and East Asian summer monsoon changes during the last millennium simulated by the FGOALS-gl climate system model

The spatial patterns and regional-scale surface air temperature （SAT） changes during the last millennium,as well as the variability of the East Asian summer monsoon （EASM） were simulated with a low-resolution version of Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land-Sea-ice （FGOALS-gl） model.The model was driven by both natural and anthropogenic forcing agents.Major features of the simulated past millennial Northern Hemisphere （NH） mean SAT variations,including the Medieval Climate Anomaly （MCA）,the Little Ice Age （LIA） and the 20th Century Warming （20CW）,were generally consistent with the reconstructions.The simulated MCA showed a global cooling pattern with reference to the 1961-90 mean conditions,indicating the 20CW to be unprecedented over the last millennium in the simulation.The LIA was characterized by pronounced coldness over the continental extratropical NH in both the reconstruction and the simulation.The simulated global mean SAT difference between the MCA and LIA was 0.14°C,with enhanced warming over high-latitude NH continental regions.Consistencies between the simulation and the reconstruction on regional scales were lower than those on hemispheric scales.The major features agreed well between the simulated and reconstructed SAT variations over the Chinese domain,despite some inconsistency in details among different reconstructions.The EASM circulation during the MCA was stronger than that during the LIA The corresponding rainfall anomalies exhibited excessive rainfall in the north but deficient rainfall in the south.Both the zonal and meridional thermal contrast were enhanced during the MCA.This temperature anomaly pattern favored a stronger monsoon circulation.     

海温强迫下的东亚夏季大气环流潜在可预报性特征

利用大气环流模式NCARCAM3,进行22a（1979—2000年）、每年8个初值的集合试验,并采用方差分析方法,研究了观测海温强迫下东亚夏季大气环流的潜在可预报性。结果表明,夏季东亚地区海平面气压场的潜在可预报性总体偏低,在中国区域呈东南高、西北低的分布特征;850hPa纬向风场、对流层500～200hPa平均温度场和500hPa位势高度场在低纬度地区的潜在可预报性明显高于中高纬度地区。500hPa位势高度场的潜在可预报性较高,东亚大部分地区大于0.5,尤其华南地区大于0.7。夏季东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性具有明显的年际变化特征,并与夏季南海海温异常关系密切。与正常年份相比,在夏季南海海温偏暖或者偏冷年,东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性较高     

Variation in summer surface air temperature over Northeast Asia and its associated circulation anomalies

This study investigates the interannual variation of summer surface air temperature over Northeast Asia(NEA) and its associated circulation anomalies.Two leading modes for the temperature variability over NEA are obtained by EOF analysis.The first EOF mode is characterized by a homogeneous temperature anomaly over NEA and therefore is called the NEA mode.This anomaly extends from southeast of Lake Baikal to Japan,with a central area in Northeast China.The second EOF mode is characterized by a seesaw pattern,showing a contrasting distribution between East Asia(specifically including the Changbai Mountains in Northeast China,Korea,and Japan) and north of this region.This mode is named the East Asia(EA) mode.Both modes contribute equivalently to the temperature variability in EA.The two leading modes are associated with different circulation anomalies.A warm NEA mode is associated with a positive geopotential height anomaly over NEA and thus a weakened upper-tropospheric westerly jet.On the other hand,a warm EA mode is related to a positive height anomaly over EA and a northward displaced jet.In addition,the NEA mode tends to be related to the Eurasian teleconnection pattern,while the EA mode is associated with the East Asia-Pacific/PacificJapan pattern.     

欧洲多个耦合气候模式对东亚冬季气候的预测性能研究

在短期气候预测方法中,多模式集合预测作为一种实用方法得到了广泛的研究。利用DEMETER多模式集合预测系统1980—2001年的回报试验,研究了欧洲7个耦合模式对东亚地区(0°—60°N,70°—140°E)冬季大气环流和气候异常的预测效能。研究的气候要素是冬季500 hPa高度场、850 hPa风场、表面气温场和降水场。集合平均(EM)是最基本的多模式集合构建方法。为了进一步订正模式预测的误差,基于经验正交函数分解进行订正,产生“合成数据集”,并利用该数据集进行合成集合平均或合成超级集合(SEM/SSE)。研究表明,东亚地区冬季气候异常的模式预测效能热带高于中高纬度地区,海洋高于内陆。多模式集合平均和合成集合平均或合成超级集合均从整体上对东亚地区冬季气候异常的预测效能有一定程度的提高,体现了其相对于7个单一模式的优势。两类不同的多模式集合方法对预测结果也有一定的影响,其中,合成集合平均或合成超级集合对冬季500 hPa高度场、850 hPa风场和降水场异常的预测效能优于集合平均;但是对于冬季表面气温场异常的预测,集合平均优于合成集合平均或合成超级集合。     

基于深度学习的中国地面气温的多模式集成预报研究

基于TIGGE资料中的欧洲中期天气预报中心、英国气象局、美国国家环境预报中心、韩国气象厅和日本气象厅2015年1月1日—9月30日中国及周边地区地面2 m气温24～168 h集合预报资料,利用长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)、浅层神经网络(Neural Networks,NN)、滑动训练期消除偏差集合平均(BREM)和滑动训练期多模式超级集合(SUP)方法对2015年9月5—30日26 d预报期进行集成预报试验。结果表明,BREM对5个单模式进行等权集成,预报结果易受预报效果较差模式的影响,整体预报技巧略低于单个最优模式ECMWF的预报技巧。其中在新疆南部,等权集成后的预报技巧更低。SUP的预报结果比所有单个模式预报更为准确。在144 h之前,SUP的误差明显小于ECMWF的预报误差,但随预报时效增加,误差增长幅度增大。NN对地面气温的预报效果与SUP的预报效果相当。LSTM整体预报效果最好,特别是在预报时效较长(超过72 h)时,比其他方法预报准确率明显提高。LSTM神经网络方法明显改进了我国西北、华北、东北、西南和华南大部分地区的气温预报,但在南疆部分地区误差较大。     

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...     

我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。     

Reversal of monthly East Asian winter air temperature in 2020/21 and its predictability

在全球变暖的背景下,近年来东亚冬季气温存在复杂的季节内变化.本文研究了2020/21年东亚冬季气温的月际转折及可预测性.结果 表明,2020/21年东亚冬季气温前冬(2020年12月-2021年1月中旬)偏冷,后冬(2021年1月中旬-2月)偏暖.西伯利亚高压强度在前冬和后冬也出现转折变化.在前冬,由于2020年9月巴...     

基于TIGGE资料的地面气温和降水的多模式集成预报

利用TIGGE资料集下中国气象局(CMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)和英国气象局(UKMO)5个中心集合预报结果,对多模式集成预报方法进行讨论。结果表明,多模式集成方法的预报效果优于单个中心的预报,但对于不同预报要素多模式集成方法的适用性存在差异。滑动训练期超级集合(R-SUP)对北半球地面气温的改进效果最优,但此方法对降水场的改进效果并不理想。在北半球中低纬24 h累积降水的回报试验中,消除偏差(BREM)的结果优于单个中心的预报,且此方法预报结果稳定。进一步利用滑动训练期消除偏差(R-BREM)集合平均对2008年1月中国南方极端雨雪冰冻过程进行多模式集成预报试验,结果表明,在固定误差范围内,R-BREM将中国南方大部分地区的地面气温预报时效由最优数值预报中心的96 h延长至192 h,且除个别时效外,小雨、中雨的TS评分得到明显提高。     

深圳单点气温的时间滞后集合预报研究

利用欧洲中心TL799 L91模式在深圳的单点气温预报数据和深圳本地的气温观测数据,对比分析了时间滞后集合预报方法与传统确定性预报的预报能力.结果表明:(1)TL799 L91 模式提供的确定性预报对于深圳单点气温有一定预报能力,它的预报误差总体上有随预报提前量增加而增加的趋势,但最近时次的确定性预报并不一定是最佳的预报;(2)时间滞后集合预报总体上优于确定性预报,而且参与集合的成员数量越多则预报准确率大体上越高.所以,时间滞后集合预报可在一定程度上改进单点气温的预报质量,是充分利用更早起报时刻数值预报价值的一种有效途径.     

基于多模式集合方案的中国东部夏季降水概率季度预测

借助ENSEMBLES计划提供的5个海-气耦合模式（CGCM）的多初值后报降水资料,采用常用的4种多模式集合方案,即等权集合（EE）、对单个集合成员先订正再等权集合（Cali-EE）、基于多元线性回归的集合方案（MLR）、基于贝叶斯统计学的集合方案（Bayes）,制作1960—2005年中国东部夏季降水概率密度函数（PDF）季度预测。在此基础上,比较最优（技巧最高）集合方案与气候学预测（衡量概率密度函数预测是否有技巧的基准）的技巧,初步评估目前基于多模式集合方案的、中国东部夏季降水的概率密度函数季度预测能力。结果表明,Bayes方案在华南最优,Cali-EE在长江流域、江淮流域以及中国北方的中部最优,MLR在中国北方的东部最优;基于这些最优集合方案的概率密度函数预测产品均具有高校准度,且其锐度高于或接近气候学预测;并且,对于所有区域,最优集合方案的预测技巧总是高于气候学预测,这暗示即使不提取模式其他变量中所包含的预测信息,对于中国东部夏季降水季度预测,常用的多模式集合方案也已具备制作有技巧的概率密度函数预测产品的能力。     

基于CMIP5资料的东亚夏季环流的BMA预测研究

利用CMIP5的17个全球气候系统模式对500 hPa位势高度场的年代际回报结果,采用距平相关系数、均方根误差、平均绝对误差及连续等级概率评分4种指标,评估了贝叶斯模式平均(Bayesian model average,BMA)预报方法对东亚夏季环流的回报能力,并与最优单模式MIROC5和多模式简单集合平均结果进行了比较。结果表明,BMA方法对东亚夏季500 hPa位势高度场的回报效果是最好的,优于最优单模式MIROC5和简单集合平均的回报结果。BMA模型能产生高集中度的概率密度函数,并包含了多模式集成回报不确定性的定量估计。此外,BMA方法对西太平洋副热带高压的年际变率也有较好的回报效果,对西太平洋副热带高压的预报,选取60~70%概率下的结果更为合理。     

冬季北极涛动对东亚表面温度的持续异常影响

利用1950—2013年NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心的海表面温度资料,统计分析了冬季北极涛动 (AO) 对东亚表面温度的影响。研究发现:冬季AO正位相时,东亚大槽减弱,西伯利亚高压减弱,低层风场异常偏南,东亚冬季风减弱,东亚冬季风区温度升高,而负位相时情况相反。冬季高纬度大气变率大,冬季逐月AO与东亚冬季温度的关系表明1月、2月AO分别与东亚表面温度的相关关系皆可持续2个月以上;AO正位相时,西太平洋海温和东亚表面温度均有所升高,由于海洋运动和变化具有缓慢性和持续性,西太平洋海温可以承载长达4个月的AO信号,西太平洋海温可持续影响东亚地区温度,导致AO持续影响东亚表面温度。     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

东亚地区冬季地面气温延伸期概率预报研究

利用TIGGE资料中的ECMWF、NCEP、UKMO三个中心集合预报系统以及由此构成的多中心集合预报系统所提供的地面2 m气温10~15 d延伸期集合预报产品,建立贝叶斯模式平均(Bayesian Model Averaging,BMA)概率预报模型,对东亚地区冬季地面气温进行延伸期概率预报研究。采用距平相关系数、均方根误差、布莱尔评分、等级概率评分等指标分别对BMA确定性结果与概率预报进行评估。结果表明,BMA方法明显地改进了原始集合预报结果,预报技巧优于原始集合预报,且多中心BMA预报优于单中心BMA预报,最佳滑动训练期取35 d。BMA预报为气温的延伸期概率预报提供了更合理的概率分布,定量描述了预报的不确定性。     

中国东部地区城市化对气温影响的观测分析

现有场地观测表明,城市化对于气温的影响在静风、无云条件下的晚上最明显,而在大风、多云条件下的晚上最小.本文采用一套经过均一化处理的中国地区逐日平均、最高以及最低气温序列资料集,分析了中国东部地区在不同风速、云量条件下地面气温变化的趋势.结果表明,从1960-2008年,中国东部地区(20～45° N,110～125° ...