一个ENSO集合数值预测系统的历史后报试验

对一个热带太平洋海气耦合ENSO集合数值预测系统进行历史后报检验。该系统模式为一个中等复杂程度的耦合模式,其中大气部分为统计模式,海洋部分为动力模式。扰动初始场通过集合卡尔曼滤波同化获得,并引入了模式误差,由一阶马尔科夫随机微分方程生成。集合预报样本数为100个。系统从1993—2011年共19 a的每个月都开始起报,每个预报样本都分别向后预报12个月。给出了El Nino指数时间序列预报结果检验、个例预报检验,以及El Nino指数和热带太平洋SSTA的相关系数和均方根误差检验,计算了模式的平均系统误差,并分析了其不同季节的预报性能。结果表明,系统具有较强的ENSO预测能力,能够提前6~12个月给出有参考价值的预报。     

下一代大气模式中的数值方法综述

数值预报是逐日天气预报、气候预测和气象防灾减灾的核心科技支撑。为进一步提高预报预测的准确度和延长预见期,甚高分辨率、多圈层耦合、多尺度嵌套、多尺度集合、数值地球系统模拟技术等是下一代数值预报的重要发展方向。异构众核高性能计算机和E级计算的高速发展为这一发展提供了契机,但也对现有业务数值预报中采用的数值方法提出了挑战。此文仅对国内外下一代大气模式涉及到的数值方法进行综述,着重于数值算法、准均匀球面网格和时间积分方案等3个方面,期望为相关研究者提供参考。     

用EOF展开和人工神经网络方法预测ENSO的研究

本文利用EOF展开技术和人工神经网络方法进行了预测ENSO的研究，研究结果表明，二种方法的结合对预测ENSO有较好的效果，但预报效果依赖于预报时效，依赖于预报因子的合理选取。     

误差订正对2018年夏季次季节尺度海冰预测的作用

北极海冰次季节尺度预测在针对破冰船和商船的实际服务中十分重要,但常常受制于气候模拟的模拟能力。本研究提出了一种误差订正方法并分别应用到两个气候模式：海洋一所地球系统模式（FIOESM）和美国国家环境预报中心（NCEP）的气候预报系统（CFS）,来改善北极海冰60天尺度的预测。本研究的预测工作是中国第9次北极科学考察和2018年夏季中远集团北极商业航行的业务化海冰服务保障的重要部分。模式起报时间分别是2018年7月1日、8月1日和9月1日,预报时效均是60天。结果显示,FIOESM整体上低估了海冰密集度的数值,平均偏差可达30%。误差订正对海冰密集度（SIC）的均方根偏差（RMSE）的改进比例可达27%,对海冰外缘线（SIE）的整体偏差（IIEE）的改进比例为10%。而对于CFS,SIE在边缘区域的过高估计是其主要特点。误差订正导致了SIC的RMSE改进了7%,而对SIE的IIEE改进了17%。在海冰范围预测方面,FIOESM预测的最小范围数值和时间点都和观测接近,而CFS的预测结果偏差较大。另外和其他S2S模式的结果比较发现,本研究提出的误差订正方法对存在较大偏差的预测结果改进更为有效。     

机器学习在ENSO预测会商中的应用

基于多模式集合预报的思想,利用可解释机器学习方法——决策树算法建立了多模式ENSO预测结果智能会商系统.分别使用基于Boosting的GBDT、XGBoost、lightGBM和基于Bagging的RF4种决策树模型方法,结合随机搜索交叉验证、网格搜索交叉验证两种超参数调整方法对决策树模型的超参数进行优化调整,根据不同...     

IOCAS ICM及其ENSO实时预测试验和改进

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际气候变率信号,对全球气候和天气产生重要影响。准确、及时、有效地预报ENSO事件的发生和演变具有重大的实用意义。以中国科学院海洋研究所冠名的中等复杂程度海气耦合模式(IOCAS ICM),每月定期进行ENSO实时预报试验。IOCAS ICM实时预报结果目前收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所(IRI),以作进一步的集成分析和应用。该模式的大气部分是一个描述对海表温度(SST)年际异常响应的风应力异常经验模式,海洋部分包括了动力海洋模块、SST距平模块(嵌套于动力海洋模块中)和次表层上卷海温(T_e)距平模块三部分。IOCAS ICM的特点之一是开发了次表层海温反算优化这一创新技术,可有效改进热带太平洋SST异常的模拟和预报。IOCAS ICM和其他海气耦合模式的最新预报结果(以2017年9月为初条件)表明,2017年年末热带太平洋会处于一个SST冷异常态,最大变冷中心集中在赤道东太平洋,但并不足以达到拉尼娜(La Ni?a)事件的水平,SST冷异常可能会在2018年春季逐渐减弱,转化为中性状态。此外,本文还对四维变分资料同化方法(4D-Var)以及条件非线性最优扰动方法(CNOP)在IOCAS ICM中的应用进行了讨论。     

一次“双谷”型ENSO冷事件的成功预测

2011年春季利用基于Morlet小波分析的余弦函数叠加法对中东太平洋的ENSO冷事件(La Nina)未来发展进行预测,结果成功地预测出了一次呈现"双谷"型的ENSO冷事件发展过程。此方法拟合的1980年1月—2011年2月的Nino3.4指数序列与原序列的相关系数为0.68;对2000—2011年间7次ENSO事件预测结果检验,发现提前3、6、9和12个月时Nino3.4指数的平均预报相关系数(R)分别为0.79,0.81,0.83和0.64,平均预报技巧得分(SS)分别为0.87,0.80,0.80和0.27。此方法具有计算简便,易于运行,预报时效稳定的特点,特别在提前6—9个月时对ENSO的预测仍有较好效果。     

统计预报方法在海洋预报中的应用研究进展

统计分析是人们认识自然规律、预测事物发展趋势的一种基本手段,统计预报方法在海洋、气象预报中一直占有重要地位。随着计算机和大数据技术的发展,海洋统计预报技术也取得了一定突破,涌现出许多新方法、新技术。本文系统介绍了统计预报方法在海洋预报中的,应用研究进展,对其发展历程进行了系统的梳理,对目前具有代表性的4类统计预报方法进行了总结,并对海洋统计预报的发展方向和应用前景给以展望。     

集合海浪预报的发展与应用回顾

总结了国内外集合海浪预报的发展及应用现状,现有集合海浪预报的方法及优缺点。以NOAA/NCEP机构为例,给出了集合海浪主流预报产品的种类,通过集合预报产品的分析可以看出,集合海浪预报能够将传统的确定性预报扩展至概率预报领域,可给出更多可能出现的未来状态,能提供单纯确定性预报所不能提供的额外信息,已成为国际上业务化海洋学未来发展的重要方向之一。     

西北太平洋温盐多模式集合预报

借鉴大气集合预报中的多模式集合预报思想,开展了海洋数值模式的集合预报方法研究,将数据分频集合技术方法应用于6个海洋模式的海洋环境预报中,并以Argo实测资料对集合预报效果进行了验证。比对分析结果表明,多模式集合预报的温盐精度明显提高,预报效果明显优于单一模式。     

一种新的模式倾向误差估计算法及其在ENSO模拟中的应用

气候模式是我们理解、模拟和预报气候演变的重要工具。然而即使是目前最先进的耦合模式,其模拟和预报与大气/海洋的真实状态相比,仍存在较大偏差,这是由于在模式的倾向方程中不可避免地存在系统性的误差(倾向误差)。因此,减小模式倾向误差对改进模式的模拟和预报效果具有重要意义。该研究首先发展了一种新的计算模式倾向误差的估计算法——基于局地集合变换卡尔曼滤波器(local ensemble transform kalman filter, LETKF)同化技术的倾向误差估计算法。在此基础上,将新发展的算法应用到Zebiak-Cane (ZC)模式,通过同化海表面温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)数据,估计随时空变化的倾向误差,并使用计算得到的倾向误差订正模式,进行积分模拟。结果表明: (1)倾向误差和ZC模式的模拟偏差具有高度相关性; (2)订正后的模式改善了对厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)的一些重要特征的模拟。这说明新发展的模式倾向误差估计算法十分有效且在ENSO模拟中具有较好的应用价值,此外,这种新的模式倾向误差估计算法,计算高效简便,可便捷地应用于各模式中,利于推广。     

Modoki对南半球中高纬度气候及海冰异常的影响

利用诊断分析方法分析研究了热带太平洋ENSO Modoki现象对南半球中高纬度气候和海冰的影响。分析了ENSO Modoki现象的季节变化特征,并定义了ENSO Modoki的活跃年和活跃季节。利用偏相关分析、合成分析和超前滞后相关分析等诊断分析方法,分析了1979年1月到2010年12月间ENSO Modoki影响南半球中高纬气候及海冰异常的遥相关模态及可能的遥相关动力机制。研究结果显示费雷尔环流的异常变化是两者之间遥相关的可能方式。     

国外海洋预报动态

1 欧洲中期天气预报中心预报与分析系统更新换代 欧洲中期天气预报中心ECMWF新一代预报分析系统Cycle38r1于2012年6月19日投入应用.新系统在预报模型和同化系统上做了一些改进,将会对高分辨率预报、分析,集合资料同化(EDA),集合预报系统(包括月预报)产生积极影响. 新系统降低了热带和温带降水率预报误差.2米气温预报值降低了大约0.1-0.2度,热带和温带的2米气温预报误差也降低了.集合概率技术和高分辨率预报也得到了显著改进.     

热带太平洋气候变率的三类模态及与ENSO强度变化的关系

基于Kaplan等重建的1856—2001年全球海表水温距平(SSTA)资料，用小波变换分析了热带太平洋SSTA的气候变率，对热带太平洋SSTA分别进行2—8、8—30和30—100a带通滤波，然后进行EOF分解。结果发现，ENSO模态具有5a左右的年际变化和15a左右的年代际变化2种显著周期，当二者位相相同时，ENSO事件加强，当二者位相相反时，ENSO事件减弱，当年际变化不明显时，显著的年代际变化也可单独导致ENSO事件；热带太平洋SSTA气候态变率以西太平洋暖池和赤道两侧的热带中东太平洋明显海温同号异常为主要特征，具60a左右的周期，其相位变化与气候跃变及El Nifio事件的类型有密切联系；长期增温倾向加大了El Nifio事件的振幅。文章最后指出，ENSO事件强度变化是由年际、年代际和气候态等3类模态变率共同作用的结果，在ENSO预报模式中考虑并引入年代际和气候态变化对ENSO循环的影响，是提高ENSO预测水平的有效途径之一。     

海洋气候变化预估及研究方法综述

概述了目前预估的未来海洋气候变化状态,总结了在气候变化预估中常用的气候模式,包括简单概念性气候模式、中等复杂程度气候模式、气候系统模式和地球系统模式,介绍了海洋气候变化预估的多模式集合法和动力降尺度法。指出当前对一些对气候变化影响较大的区域海洋和气候系统自然变率的模拟预估研究还存在很多不足之处。高分辨率气候系统模式和基于多模式集合的概率预估可以在一定程度上减少海洋气候变化预估的不确定性,高分辨率气候模式的研发和概率预估的应用是当前的两个主要发展趋势。     

“梅花”台风路径与强度的集合预报

以新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统-热带气旋路径数值预报系统(global/regional assimilation and prediction system-tropical cyclone model,GRAPES-TCM)为试验模式,采用组合不同的物理参数化方案(MP)方法和随机全倾向扰动(STTP)方法,生成反映模式不确定性的集合成员,在此基础上设计包含6个成员的3种集合方案,方案1和方案3的成员分别用MP方法和STTP方法生成,方案2的成员同时采用MP和STTP方法生成,用3种集合方案对1109台风"梅花"进行了36次72h的集合预报试验。结果显示:对于路径预报,3种集合方案中预报效果最好的是方案3,其次为方案2,最差的是方案1;对于强度预报,方案1和方案2的预报效果差异不大,都远好于方案3。方案2和方案3的路径预报与强度预报都好于控制试验的预报,方案1的路径预报好于大部分成员的预报,强度预报好于所有成员的预报。3种方案的路径离散度都偏小,方案3偏小最多,其次为方案2;方案3的强度离散度也过于偏小,是3种方案中最小的,方案1和方案2的强度离散度在积分前期明显偏小,积分后期则有偏大的趋势,其中方案2的强度离散度大于方案1。与国内外8个业务数值模式的预报结果比较,对于路径预报,方案1优于5个业务模式的预报,方案2和方案3则优于除欧洲数值以外的7个业务模式的预报;对于强度预报,方案1和方案2优于所有8个业务模式的预报,方案3优于6个业务模式的预报。总体而言,3种集合方案的路径和强度预报都表现出优于确定性预报的预报能力,相对于各业务数值模式都表现出一定的预报优势,具有业务应用的价值,其中同时应用STTP和MP方法的方案2对台风的综合预报效果是最优的。     

海洋数据同化与数据融合技术应用综述

简述了不同数据同化和数据融合方法在海洋环境监测与预测方面的应用、国内外相关业务单位的海洋分析和预报系统的现状,以及海洋数据同化将来的业务化应用的发展趋势。四维变分和集合卡尔曼滤波正在成为国际上海洋环境分析与预报的主要应用方向,海-气耦合数据同化以及海冰数据同化是目前数据同化方法研究的热点。     

海洋预报公众服务移动应用系统的设计与实现

简单回顾了海洋气象预报领域手机应用程序的发展现状,分析了海洋预报公众服务应用系统存在的问题,提出了可行的系统架构设计和技术路线.总结了系统建设中的两项关键技术,即基于位置的海洋预报信息服务方法和预报场数据压缩方法,并给出了具体技术实现.以业务化系统为例,介绍了海洋预报公众服务移动应用系统的功能和应用情况.     

2002～2003渤海海冰数值预报

海冰数值预报是海冰业务预报的主要方法之一。国家海洋环境预报中心建立了业务化的渤海海冰数值预报系统，并进行了多年的业务化运行。随着我国卫星遥感事业和数值天气预报技术的发展，海冰预报系统也在不断发展中。本文介绍了2002～2003冬季应用HY—1卫星海冰遥感和T213数值天气预报模式产品对该海冰数值预报系统的改进，对2002～2003冬季海冰数值预报的结果进行了分析和比较。     

热带气旋及其预测预警技术

本文分析了近几十年来全球热带气旋所带来的灾害对人类社会和军事活动的影响,概括了全球气候变暖和未来对全球热带气旋活动的影响.对目前世界各国在热带气旋的预报、监测预警技术和水平进行了详细分析,探讨了预测预报和监测预警方面存在的关键技术问题,提出了热带气旋研究和预测预警技术方法研究领域的几个重大的前沿科学问题.