集合预报及其在季节尺度气候预测中的应用

系统回顾了集合预报技术的发展,介绍了4种比较常用的集合构建方法,重点关注这些方法在季节尺度气候预测领域的研究进展及应用,特别是在ENSO集合预报领域。此外,还从季节尺度气候预测系统的发展、集合设计方案和ENSO集合预报效果等方面介绍了国内外3个应用比较广泛的季节尺度气候预测系统,可为集合预报技术和季节尺度气候预测系统的发展和应用提供参考。     

西太平洋暖池海温的时空变化及其在ENSO循环中的作用

应用SODA_1.4.2版本资料,分析研究了热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)海温场的变化特征,讨论了WPWP海温的时空变化特征与ENSO之间的联系途径.分析结果表明,在上层海洋,WPWP的海温场在垂向结构上具有显著的年际变化特征,在不同深度存在较大差异.表层的异常海温出现明显的增温趋势,在47年期间(1958-2004)增温幅度达0.15℃.而随着深度的增加,异常海温出现明显的降低趋势,次表层(120-170 m)的降温幅度最大,其降温可达-0.72℃.这种变化可能与20世纪70年代末WPWP区域的海温场发生突变过程存在一定关系.另外,在热带太平洋温跃层曲面上,WPWP区域海温变化与赤道东太平洋海温变化存在"跷跷板"现象.据此,定义了赤道东西太平洋温跃层曲面上异常海温变化强度指数,为ENSO循环过程的研究提供了又一参考依据.通过对WPWP不同深度的异常海温和海流分析发现,WPWP异常海温的东传过程与赤道潜流的强弱变化存在密切关系.     

一个以物理因子为典型场的海温距平客观分类法及其分型结果

分类法是分析事物变化规律的重要手段之一，在水文气象上用得较普遍。目前不少水文气象要素场的分型研究工作，是根据场的外型特点进行分类，缺乏明确的成因物理基础；而且结果可因人而异，分型指标缺乏客观性和定量性，影响了规律性的正确揭露及其使用效果。     

赤道外北太平洋冬夏海温场的EOF分析

利用较高分辨率的SODA资料,对赤道外北太平洋海洋上层各层的海温,特别是对中纬度北太平洋海温明显异常的海域(其被定义为关键区)做了海温的EOF分析,得到以下结论:北太平洋第一模态空间场上,冬、夏在中纬度北太平洋中西部均有较强正值带出现。在关键区第一模态空间场上,冬、夏两季近表层在日本本州岛的东、西面海域均分别有较强正值区,而次表层则仅存前者;这表明近表层海温(前者)受辐射、蒸发等影响明显,而次表层海温(后者)则其主要受流场垂直运动的影响,前者属海温的热力变化而后者则属海温的动力变化,两者性质不同。北太平洋和关键区的第一模态冬、夏海温变化的趋势均相近,两者在年尺度上均有持续性;两者的年际变化冬、夏均不明显,但均有明显的约20年的年代际变化;两者时间系数的演变均与太平洋年代际振荡(PDO)中的冷、暖位相期有较好的对应;这两个模态均可称为PDO模态。     

聚类相似法在西北太平洋台风预报中的应用

本文利用聚类相似原理,对美国NOAA收集的一百多年的台风资料中西北太平洋上最近50年发生的台风进行了系统分类,从区域、季节及台风的移向、移速、中心气压和最大风速6个方面进行聚类分析,查找出与被预报台风在区域、季节及台风的移向、移速和强度上相似的一个或若干个历史上发生的台风,用查找到的历史台风中某时段的信息,代替被预报台风在未来各时间段上的移向、移速和强度变化情况,从而得出预报结论。     

太平洋次表层海温距平的立体EOF分析及其与ENSO的关系

应用太平洋次表层海温距平资料构造了一个立体的西低东高的四级阶梯模型,使用EOF方法对此模型进行时空分解,并讨论与ENSO循环的关系。结果表明,EOF分解的前两个主分量方差贡献达到42.58%,其中第一主分量代表了暖池-厄尔尼诺(拉尼娜)模态;第二主分量代表了次表层温度距平的东西运移模态。后者存在着突变和渐变两个过程,在赤道及其附近,由冷位相变暖位相为渐变过程,暖位相变冷位相是突变过程,在赤道外南北纬10°附近则反之,厄尔尼诺正是东西运移模态突变的结果。时滞相关分析估算,一次ENSO循环的平均周期约为41个月,即3.42a,厄尔尼诺、拉尼娜模态与温度距平的东西运移模态的位相差平均约为9.7个月。运用逐步回归法求得一个对nino3指数预报效果比较理想的预报方程,其中EOF分解的第一时间系数对nino3距平指数有重要的预报价值,第二时间系数对nino3距平指数预报意义虽然不如第一时间系数明显,但仍具有一定的参考价值。     

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...     

西太平洋副热带高压变化与赤道太平洋海温场的联系

通过对西太平洋副热带高压变化的多年统计分析,发现其具有明显的年际和年代际变化特征,副高面积和强度均存在3~4 a和11~14 a显著周期,副高西伸脊点存在3~5 a和准13 a显著周期。副高面积和强度变化基本一致,与赤道中东太平洋海表温度（SST）存在显著的正相关关系,西伸脊点与中东太平洋海表温度变化则存在负的相关关系。赤道太平洋不同经度的SST与副高变化存在明显的差异,赤道中太平洋SST异常与副高变化的关系最为密切,东太平洋相对偏弱,而西太平洋呈现相反的相关关系。由此可以认为,赤道中太平洋异常SST变化是影响副高变化的关键区域。根据它们之间存在的密切关系,通过回归分析,建立了它们二者之间的回归方程,对2013年春夏季副高的强度和西伸脊点位置变化进行了预测,为2013年我国汛期降水预测提供一定的参考。     

LOESS四维客观分析在中国近海的应用

利用全国海洋综合调查资料和世界大洋数据库(WOD)资料,运用局部加权回归法(LOESS)四维客观分析方案对中国近海的温度场进行了客观分析,将散布在空间中的温度资料点插值到均一的网格中。在分析中充分考虑了中国海曲折复杂的海岸特点,将底深调整系统(TAR)和障碍调整系统(BAR)整合到四维插值系统中,使得资料点空间权重的计算更为合理。计算结果显示,LOESS客观分析方案充分考虑了空间因素(经度、纬度、深度)和时间因素,能客观反映出中国近海一年四季的温度时间-空间结构。通过与Kriging插值方法的对比,发现LOESS方法能更精确地把中国近海温度结构反映出来。     

最优插值方法在西北太平洋海温同化中的应用研究

本文开发出一套与三维温盐流数值模式POM相匹配的最优插值数值同化模块,具有将船舶报资料和Argo海温数据加入数值模拟的能力.利用该同化系统,本文对2001～2002年进行了数值模拟试验,通过模拟结果和未加入同化的模拟结果的对比表明,该同化系统能有效地改进三维海温模拟结果,使之更为接近于观测值.     

两次非典型厄尔尼诺期间热带太平洋主流系和赤道行星波研究

两次非典型厄尔尼诺事件发生期间,Walker环流中的西太平洋部分显着减弱,Hadley环流中的东太平洋部分显着增强.西太平洋距平西风应力增强向东伸展;东太平洋距平北风应力增强向南伸展.西太平洋暖池的能量可以两种方式向东传播:赤道Kelvin波温跃层模态和流速模态.温跃层模态向东输送的总能量大于流速模态向东输送的总能量.1982～1983年厄尔尼诺事件中,赤道Kelvin波温跃层模态起主要作用,赤道潜流减弱;1986～1987年厄尔尼诺事件中,赤道Kelvin波流速模态起主要作用,赤道潜流增强.厄尔尼诺事件期间,赤道潜流消失、反向现象是一种局地性海洋响应,这种现象不伴随赤道Kelvin波向东传播.     

The interanual rainfall variability in Indonesia corresponding to El Niño Southern Oscillation and Indian Ocean Dipole

The Impact of the Indian Ocean Dipole(IOD) and the El Ni?o Southern Oscillation(ENSO) event for Indonesian rainfall has been investigated for the period from 1950 to 2011. Inter-annual change of IOD and ENSO indices are used to investigate their relationship with Indonesian rainfall. By using the wavelet transform method, we found a positive significant correlation between IOD and Indonesian rainfall on the time scale of nearly 2.5–4 years.Furthermore, the positive significant correlation between ENSO(sea surface temperature anomaly at Ni?o3.4 area indices) and Indonesian rainfall exists for shorter than 2 years and between 5.5 to 6.5-year time scales.     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。     

南海北部珊瑚生长率对4.2 ka气候事件的记录

The 4.2 ka event that occurred during the period from 4 500–3 900 a BP was characterized by cold and dry climates and resulted in the collapse of civilizations around the world. The cause of this climatic event, however, has been under debate. We collected four corals(Porites lutea) from Yongxing Island, Xisha Islands, South China Sea, dated them with the U-series method, and measured the annual coral growth rates using X-ray technology. The dating results showed that the coral growth ages were from 4 500–3 900 a BP, which coincide well with the period of the4.2 ka event. We then reconstructed annual sea surface temperature anomaly(SSTA) variations based on the coral growth rates. The growth rate-based SSTA results showed that the interdecadal SSTA from 4 500–3 900 a BP was lower than that during modern times(1961–2008 AD). A spectral analysis showed that the SSTA variations from4 500–3 900 a BP were under the influence of El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) activities. From 4 500–4 100 a BP, the climate exhibited La Ni?a-like conditions with weak ENSO intensity and relatively stable and lower SSTA amplitudes. From 4 100–3 900 a BP, the climate underwent a complicated period of ENSO variability and showed alternating El Ni?o-or La Ni?a-like conditions at interdecadal time scales and large SSTA amplitudes. We speculate that during the early and middle stages of the 4.2 ka event, the cold climate caused by weak ENSO activities largely weakened social productivity. Then, during the end stages of the 4.2 ka event, the repeated fluctuations in the ENSO intensity caused frequent extreme weather events, resulting in the collapse of civilizations worldwide. Thus, the new evidence obtained from our coral records suggests that the 4.2 ka event as well as the related collapse of civilizations were very likely driven by ENSO variability.     

三种基于均生函数的统计模型在厄尔尼诺预测中的应用

为了探究厄尔尼诺的预测方法,提高其预报准确度与预报时效,本文基于均生函数的基本原理,在普通均生函数模型中分别加入气候序列的本征模函数和预报因子变量,构建了基于EEMD(Ensemble EmpiricalModeDecomposition)的均生函数模型和多变量均生函数模型;并应用三种方案对NINO3区海温指数进行了预报试验。结果表明,两种改进模型对厄尔尼诺的预报效果好于普通均生函数模型,是提高预报准确度的有效手段;同时,利用统计的预报模型,可以在一定程度上有效延长厄尔尼诺的预报时效,具有一定实践意义。     

Impact of the central Pacific zonal wind divergence and convergence on the central Pacific El Nio event

The central Pacific(CP) zonal wind divergence and convergence indices are defined, and the forming mechanism of CP El Nio(La Nia) events is discussed preliminarily. The results show that the divergence and convergence of the zonal wind anomaly(ZWA) are the key process in the forming of CP El Nio(La Nia) events. A correlation analysis between the central Pacific zonal wind divergence and convergence indices and central Pacific El Nio indices indicates that there is a remarkable lag correlation between them. The central Pacific zonal wind divergence and convergence indices can be used to predict the CP events. Based on these results, a linear regression equation is obtained to predict the CP El Nio(La Nia) events 5 months ahead.     

厄尔尼诺/拉尼娜信号循环回路及其传播特性研究

基于1992～2001年卫星高度计资料分析了海面高度距平在厄尔尼诺/拉尼娜(El Niño/La Niña)现象中的演变过程,发现:(1)在El Niño过程中,海面高度正距平信号从西太平洋沿赤道海域向东传播至东海岸,然后分成南北两支,北支在10°N附近从东太平洋传回西太平洋的信号最强,到达西太沿岸海域再传回赤道,表明El Niño信号传播在北半球存在一明显循环回路.赤道以南循环圈不及赤道以北环路清晰.东太平洋的季节变化信号主要通过6°N,10°N和8°S附近的3个通道向西太平洋传播.La Niña信号主要从5°N和7°S向西传播;(2)在大洋海盆尺度快速传播信号背景下,存在波长700～800km的慢速传播信号,两类信号将信息在太平洋内传送.传播速度分析表明,慢速传播信号的相速与Rossby波相速相符,而快速传播信号应该是海洋对大气变异的响应.     

热带太平洋第二类El Nio事件及其对中国气候的影响

基于热带太平洋次表层海温资料,分析了热带太平洋第二类El Nio事件海温异常的分布特征及其形成机制,讨论了与经典El Nio事件、El Nio Modoki、WP(西太平洋暖池)及CT(冷舌)El Nio事件之间的关系,揭示了第二类El Nio事件对中国降水的影响,得到以下结论。(1)第二类El Nio事件表征为热带太平洋次表层海温异常第三模态,占总方差贡献的4.7%。在海洋表面层,第二类El Nio事件暖期赤道东太平洋为沿赤道西伸的冷舌,热带中西太平洋为环绕冷舌的马蹄型大范围暖区。该型具11a和30~40a年代际振荡及3~4a年际变率,峰值多出现在春季。第二类El Nio事件是热带太平洋异常海面风应力场和赤道两侧的风应力旋度共同作用的结果,在赤道东印度洋-中西太平洋与赤道东太平洋-南美洲上空出现以反号垂直运动为特征的异常Walker环流。(2)El Nio Modoki与第二类El Nio事件有密切关系,它实质上是第二类El Nio事件次表层海温与近海面大气相互作用的结果,捕捉了第二类El Nio事件的主要信息。(3)第二类El Nio事件对中国春季及夏初降水有一定影响。在事件暖期,东海地区存在一个显著的异常反气旋性环流,其南侧的中国南方地区盛行异常东北气流,水汽来源减少,导致该地区少雨,其西侧的异常偏南气流北上直达华北地区,异常多水汽向北输送,并与北方的偏北流场相遇,导致该地区降水偏多。在第二类El Nio事件冷期相反。本文结果还指出,WP与CT El Nio事件是由经典El Nio事件第一模态与El Nio Modoki事件组合而成,它们不是独立的El Nio类型。此外,还讨论了夏半年El Nio事件对大气环流影响的物理过程。     

海洋初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用

2002/03年厄尔尼诺事件,是暖海温中心出现在赤道中太平洋区域的一种新型厄尔尼诺,即中太平洋型厄尔尼诺。本文基于一个厄尔尼诺预测系统,利用三组回报试验来详细区分海洋表层和次表层初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用,并由此来探寻对预报厄尔尼诺演变过程最有利的初始条件。回报试验分为三组:(1)仅同化海表温度观测(sea surface temperature;简称SST)来优化海洋表层初始状态(Assim_SST);(2)仅同化海表高度观测(sea level;简称SL)来更新海洋次表层初始状态(Assim_SL);(3)同时同化SST和SL观测来一起更新海洋表层和次表层初始状态(Assim_SST+SL)。回报试验结果表明,三种不同的初始条件都可以使模式提前一年成功地预报2002/03年厄尔尼诺事件,并且"Assim_SST+SL"回报试验的效果最好。三组回报试验结果间的对比表明:海洋表层和次表层初始状态均对成功地预报该事件有重要作用,但其作用分别集中在事件发展的不同阶段。精确的海洋表层初始状态更容易激发模式预报出一次厄尔尼诺事件,而更合理的海洋次表层初始状态则能有效地提高厄尔尼诺事件预报的强度。     

2015/2016年超强厄尔尼诺期间热带西太平洋海洋环流变化特征

本文利用HYCOM(HybridCoordinateOceanModel)再分析数据对北赤道流(NEC)、棉兰老流(MC)以及黑潮(KC)所构成的NMK环流系统在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间的变化特征及其影响机制进行了研究,并与其他厄尔尼诺期间的变化特征进行了对比。结果表明,在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间, NEC和MC输运均显著增强,最大值分别达到66 Sv (1 Sv=106 m3/s)和49.4 Sv,北赤道流分叉纬度最北可达16°N, KC输运没有明显增强。NMK环流系统的年际变化主要与此次厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋15°N以南、160°E以西海域出现的气旋式环流异常有关。该环流异常出现自厄尔尼诺事件的前期阶段,并于爆发阶段达到顶峰,主要是由15°N以南区域出现的强西风异常所引起的。进一步分析表明,此次厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL的平均值均大于1992—2014年间所有厄尔尼诺事件的平均状况,但与1997/1998年超强厄尔尼诺事件期间的平均值相近。