大样本初始化十年际预测试验（CESM-DPLE）对东亚夏季气候预测的评估

基于气温和降水观测资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）大气再分析资料,系统评估了大样本初始化十年际预测试验（CESM-DPLE）对1959—2016年东亚夏季气候预测的能力。结果表明,CESM-DPLE能较好地模拟东亚夏季气候以及相关主要大气环流系统的基本态特征,在年际尺度上对东亚气温有很高的预测技巧但对降水几乎没有预测能力。CESM-DPLE再现了北大西洋多年代际振荡（AMO）经由激发遥相关波列所引起的中高纬度大气环流、东亚夏季风和气候的异常。20世纪90年代末之后,北大西洋多年代际振荡由冷位相转为暖位相,遥相关波列位相调整,东亚受异常低压控制,东亚夏季风偏强,夏季气温偏高、降水偏多。总体上,尽管还存在着不足,但CESM-DPLE对东亚夏季温度年际变化以及与20世纪90年代末北大西洋多年代际振荡位相转变相联的东亚夏季气候年代际变化具备一定的预测能力,是目前研究和预测东亚气候变化的一套较好试验数据。      

IAP PSSCA 两组预测试验的评估及比较 I.降水部分

利用中国科学院大气物理研究所研制的短期气候距平数值预测系统（IAP PSSCA）,　　种版本的大气环流模式：AGCM 1.1和AGCM 1.2,分别以2月11～19日的9天大气观测值为初始场,以给定海温为边界场,对1980～1994年的15年的降水异常进行了两组集合后报试验。对试验结果进行定量评估表明：IAP PSSCA对降水异常具有一定的预测能力,特别是在中国东部受东亚季风及海温异常影响的地区,IAP PSSCA具有较高的预报技巧,其中以东南区域（包括江淮流域和华南地区）最高,尤其是对有洪涝灾害的降水异常年,距平相关系数在0.50左右,接近可供业务使用的要求,说明模式能够抓住在东亚季风区存在的某种物理机制,从而提高了这一地区的预报技巧;另外,两个大气环流模式相比,改进了地表反照率的AGCM 1.2的15年集合平均预测技巧略高于AGCM 1.1,特别是在华北地区,预测效果有明显提高,这表明改进地表反照率从而改进了模式的气候平均态的模拟,能提高气候模式的预测能力,说明较好的陆面过程引入模式对短期气候预测是有益的。     

BCC二代气候系统模式的季节预测评估和可预报性分析

本文利用国家气候中心（BCC）第二代季节预测模式系统历史回报数据,从确定性预报和概率预报两个方面系统地评估了该模式对气温、降水和大气环流的季节预报性能,并与BCC一代气候预测模式的结果进行了对比,重点分析了二代模式的季节可预报性问题。结果显示,BCC二代模式对全球气温、降水和环流的预报性能整体上优于一代模式,特别在热带中东太平洋、印度洋和海洋大陆地区的温度和降水的预报效果改进尤为明显。这些热带地区降水预报的改进,可以通过激发太平洋—北美型（PNA）、东亚—太平洋型（EAP）等遥相关波列提升该模式在中高纬地区的季节预报技巧。分析表明,厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）信号在热带和热带外地区均是模式季节可预报性的重要来源,BCC二代模式能够较好把握全球大气环流对ENSO信号的响应特征,从而通过对ENSO预报技巧的改进有效地提升了模式整体的预报性能。从概率预报来看,BCC二代模式对我国冬季气温和夏季降水具备一定的预报能力,特别是对我国东部大部分地区冬季气温正异常和负异常事件预报的可靠性和辨析度相对较高。因此,进一步提高模式对热带大尺度异常信号和大气主要模态的预报能力、加强概率预报产品释用对提高季节气候预测水平具有重要意义。     

东亚冬季风指数及其对东亚大气环流异常的表征

基于月平均NCEP/NCAR再分析资料、CMAP全球降水资料及中国台站降水和冷空气资料,首先概括了东亚冬季风环流系统的主要成员,并对基于这些环流系统定义的有代表性的4种东亚冬季风指数进行了比较分析。结果表明,4种指数具有比较一致的年际和年代际变化特征,相互间都为显著正相关,表明各指数都能较好地反映出其他环流系统成员的异常。功率谱分析结果显示,所有东亚冬季风指数均具有3—4年的年际变化周期和6.5年周期及9—15年的年代际变化周期。此外绝大部分指数在20世纪80年代之后都有线性减弱的趋势。所有季风指数都能够很好地反映“强(弱)冬季风年,低层西伯利亚高压偏强(弱),阿留申低压偏深(浅),副热带北风气流偏强(弱),东亚副热带地区气温偏低(高),中层东亚大槽偏深(浅)及高层副热带西风急流偏强(弱)”的基本特性。但各指数与冬季影响中国的冷空气次数间均无很好的对应关系。另外,绝大多数指数与东亚地区夏季降水也有较好的滞后关系,表明冬季风不仅对同期环流系统存在作用,而且还可能影响到夏季。     

NCEP CFSv2对中国2015年夏季月尺度降水和环流预报分析

利用美国环境预报中心的第二代气候预报系统(NCEP CFSv2)提供的1982~2010年历史回报资料和2015年6~8月预报产品、NCEP CFSR再分析资料及中国地面观测降水资料,评估了NCEP CFSv2对2015年(厄尔尼诺发展年)中国夏季月降水和环流形势的预报能力,并分析了影响模式预报技巧高低的可能因子。结果表明:1)模式对降水的预报技巧较低且表现出明显的月变化(7月最高,8月次之,6月最低),但总体水平都不高。预报技巧明显依赖于提前时间的长短。2)CFSv2对影响我国夏季降水的500h Pa关键区环流异常空间模态表现出较高的预报技巧。对全东亚区域,模式基本都可提前5~9天(7月9天,6月6天,8月5天)较为准确的预报出未来一个月高度异常空间模态。3)通过对比分析发现,CFSv2环流预报中选取12个集合成员(滑动3天)可以得到较稳定的预报结果。4)在2015年夏季月尺度环流异常模态预报中,东亚全区的环流预报水平很大程度上取决于中高纬地区的预报。CFSv2对中高纬环流月预报技巧(6~8月都能从提前4天开始就基本稳定维持在较高水平)比热带地区更高更稳定。      

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。     

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。     

BCC_CSM1.1m对冬季典型环流系统的预测评估

基于国家气候中心气候系统模式1.1版本（BCC_CSM1.1m）的历史回报数据,利用时间相关系数和均方根误差等确定性技巧评分,对西伯利亚高压、阿留申低压、东亚冬季风3种东亚地区冬季典型环流系统的预报技巧进行检验评估,并通过时间序列分析和空间相关系数等方法,分析东亚地区冬季典型环流系统的可预报性来源。结果表明:由于模式对热带海洋和北太平洋海平面气压的预测偏差小、对欧亚大陆的预测偏差大,模式对阿留申低压、东亚冬季风的预测技巧高于西伯利亚高压。进一步分析表明:厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）是阿留申低压和东亚冬季风的重要可预报性来源,而土壤温度是西伯利亚高压的重要可预报性来源,并受ENSO调制。此外,东亚冬季风的预报技巧也受到西伯利亚高压预报技巧的制约。     

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月-2007年2月的NCEP V1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系.结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化.分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然.IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的.     

How Well do Existing Indices Measure the Strength of the East Asian Winter Monsoon？

Defining the intensity of the East Asian winter monsoon (EAWM) with a simple index has been a difficult task. This paper elaborates on the meanings of 18 existing EAWM strength indices and classifies them into four categories: low level wind indices, upper zonal wind shear indices, east-west pressure contrast indices, and East Asian trough indices. The temporal/spatial performance and prediction potential of these indices are then analyzed for the 1957--2001 period. It reveals that on the decadal timescale, most indices except the east--west pressure contrast indices can well capture the continuous weakening of the EAWM around 1986. On the interannual timescale, the low level wind indices and East Asian trough indices have the best predictability based on knowledge of the El Nino-Southern Oscillation and Arctic Oscillation, respectively. All the 18 existing indices can well describe the EAWM-related circulation, precipitation, and lower tropospheric air temperature anomalies. However, the variations of surface air temperature over large areas of central China cannot be well captured by most indices, which is possibly related to topographic effects. The results of this study may provide a possible reference for future studies of the EAWM.     

前、后冬的东亚冬季风年际变异及其与东亚降水的关系

利用ERA-Interim的再分析资料和NOAA海温、降水量等资料对前、后冬的东亚冬季风的年际变异特征及其与东亚降水的关系进行对比分析,并讨论了热带和中高纬系统影响东亚冬季风变异的相对重要性。前冬的东亚冬季风变异的主导模态为东亚全区一致变异型,即一致的北风偏弱或偏强;其次为南部变异型,主要表现为在我国南方-南海北部的东北风偏弱或偏强。而后冬的东亚冬季风变异的主导模态则为南部变异型,其次为东亚全区一致变异型。从前冬到后冬,东亚冬季风的主要变异模态的次序出现交叉更替。前、后冬的冬季风主要模态以年际变化为主,但后冬主导模态还显示出冬季风有变强的趋势。前、后冬的东亚冬季风的主导变异模态也影响东亚降水异常的位置。在前冬,冬季风异常主要影响我国华北、渤海-黄海海域以及朝鲜半岛和日本南部区域的降水异常,而后冬的冬季风异常则主要导致我国东南地区及其东侧附近的西北太平洋海区的降水异常。前冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态都受到印度洋-太平洋海温和中高纬环流系统共同的影响;后冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态则分别主要受ENSO和中高纬系统的影响。      

云南夏季旱涝与前期冬季环流变化的关系

夏季气候异常的前期信号特征分析一直是短期气候预测工作的重点。利用1948—2004年NCEP/NCAR月平均再分析资料、1961—2004年云南124个站的月平均降水和1948—2003年英国Hadley中心的月平均海温资料, 分析了云南夏季旱涝的时空特征, 探讨了云南夏季旱涝与前期大气环流和大气热力状态变化的关系, 发现云南夏季旱涝前冬12月—1月, 特别是1月东亚中高纬度地区的大气环流变化和赤道附近高低层大气的热力状态对云南夏季旱涝有重要的指示意义, 当前冬东亚大槽强 (弱), 冬季风强 (弱), 赤道附近高低层大气温度偏低 (高) 时, 后期云南夏季降水偏多 (少)。同时, 初步探讨了东亚冬夏季风环流变化的相互联系及热带海温变化的可能影响, 指出冬季到夏季印度洋和赤道西太平洋地区持续的海温异常有可能通过改变夏季海陆的热力对比, 进而影响夏季风活动和云南夏季降水的变化。     

Predictable climate dynamics of abnormal East Asian winter monsoon: once-in-a-century snowstorms in 2007/2008 winter

In 2008 (January–February), East Asia (EA) experiences the most severe and long-persisting snowstorm in the past 100 years. Results in this study show that 2007/2008 winter is dominant by the third principal mode of the East Asian winter monsoon (EAWM) which explains 8.7% of the total surface air temperature variance over EA. Significantly distinguished from the first two leading modes, the third mode positive phase features an increased surface pressure over the northwestern EA, an enhanced central Siberian high (CSH), a strengthened and northwestward extended western Pacific subtropical high (WPSH) and anomalously strong moisture transport from western Pacific, Arabian Sea and Bay of Bengal to EA. It also exhibits an intimate linkage with the sea surface temperature anomalies (SSTAs) in the Arctic Ocean areas adjacent to northern Eurasian continent, central North Pacific and northeastern Pacific. Such SSTAs emerge in prior autumn and persist through ensuing winter, signifying precursory conditions for the anomalous third EAWM mode. Numerical experiments with a simple general circulation model demonstrate that the Arctic SSTAs excite geo-potential height anomalies over northern Eurasian continent and impacts on the CSH, while the extra-tropical Pacific SSTAs deform the WPSH. Co-effects of them play crucial roles on origins of the third EAWM mode. Based on these results, an empirical model is established to predict the third mode of the EAWM. Hindcast is performed for the 1957–2008 period, which shows a quite realistic prediction skill in general and good prediction ability in the extreme phase of the third mode of the EAWM such as 2007/2008 winter. Since all these predictors can be readily monitored in real time, this empirical model provides a real time forecast tool and may facilitate the seasonal prediction of high-impact weather associated with the abnormal EAWM.     

Influence of Low-frequency Solar Forcing on the East Asian Winter Monsoon Based on HadCM3 and Observations

In this study, we investigate the influence of low-frequency solar forcing on the East Asian winter monsoon(EAWM)by analyzing a four-member ensemble of 600-year simulations performed with Had CM3(Hadley Centre Coupled Model,version 3). We find that the EAWM is strengthened when total solar irradiance(TSI) increases on the multidecadal time scale. The model results indicate that positive TSI anomalies can result in the weakening of Atlantic meridional overturning circulation, causing negative sea surface temperature(SST) anomalies in the North Atlantic. Especially for the subtropical North Atlantic, the negative SST anomalies can excite an anomalous Rossby wave train that moves from the subtropical North Atlantic to the Greenland Sea and finally to Siberia. In this process, the positive sea-ice feedback over the Greenland Sea further enhances the Rossby wave. The wave train can reach the Siberian region, and strengthen the Siberian high. As a result, low-level East Asian winter circulation is strengthened and the surface air temperature in East Asia decreases. Overall,when solar forcing is stronger on the multidecadal time scale, the EAWM is typically stronger than normal. Finally, a similar linkage can be observed between the EAWM and solar forcing during the period 1850–1970.     

Predictability of the East Asian winter monsoon interannual variability as indicated by the DEMETER CGCMS

The interannual variability of East Asian winter monsoon(EAWM) circulation from the Development of a European Multi-Model Ensemble(MME) System for Seasonal to Inter-Annual Prediction(DEMETER) hindcasts was evaluated against observation reanalysis data.We evaluated the DEMETER coupled general circulation models(CGCMs)’ retrospective prediction of the typical EAWM and its associated atmospheric circulation.Results show that the EAWM can be reasonably predicted with statistically significant accuracy,yet the major bias of the hindcast models is the underestimation of the related anomalies.The temporal correlation coefficient(TCC) of the MME-produced EAWM index,defined as the first EOF mode of 850hPa air temperature within the EAWM domain(20-60 N,90-150 E),was 0.595.This coefficient was higher than those of the corresponding individual models(range:0.39-0.51) for the period 1969-2001;this result indicates the advantage of the super-ensemble approach.This study also showed that the ensemble models can reasonably reproduce the major modes and their interannual variabilities for sea level pressure,geopotential height,surface air temperature,and wind fields in Eurasia.Therefore,the prediction of EAWM interannual variability is feasible using multimodel ensemble systems and that they may also reveal the associated mechanisms of the EAWM interannual variability.     

东亚冬季风强度的统计预测方法研究

利用1961～2008年NCEP再分析和NOAA延长重构的月平均海温资料, 基于海气系统关键区的前期信号分析, 建立了一个东亚冬季风强度的统计预测方法。东亚冬季风强度与前期 (9～10月) 黑潮及其延伸区和热带西印度洋海温异常 (SSTA) 密切相关。强东亚冬季风活动与黑潮及其延伸区正SSTA和热带西印度洋负SSTA相对应。东亚冬季风强度还和一个前期 (10月) 北半球环流型存在显著相关, 其中环流型的活动中心分别位于北太平洋中部、 太平洋东北部、 北美和北大西洋。文中探讨了这三个预测因子对东亚冬季风强度的预测意义, 并揭示了其影响东亚冬季风活动的可能物理过程。该预测方法的历史拟合率和试报准确率较高, 可用于东亚冬季风强度的定性预测。     

An East Asian Monsoon in the Mid-Pliocene

In this study, the authors simulate the East Asian climate changes in the mid-Pliocene (～3.3 to 3.0 Ma BP) with the Community Atmosphere Model version 3.1 (CAM3.1) and compare the simulated East Asian monsoon with paleoclimate data. The simulations show an obvious warming pattern in East Asia in the mid-Pliocene compared with the pre-industrial climate, with surface air temperature increasing by 0.5 4.0°C. In the warm mid-Pliocene simulation, the East Asian Summer Monsoon (EASM) becomes stronger, while the East Asian Winter Monsoon (EAWM) is similar relative to the pre-industrial climate. Compared with the paleoclimate data, our simulations depict the intensified EASM well but cannot reproduce the weakened EAWM. This model-data discrepancy may be attributed to the uncertainty in the reconstructed mid-Pliocene sea surface temperature.