初始条件和海气相互作用对延伸期可预报性的贡献研究

摘要

延伸期预报的可预报性主要来自初始条件的记忆和海气相互作用两个方面，因此研究两者对延伸期预报可预报性的贡献十分重要。数值模式是延伸期预报的重要工具，鉴于目前初始条件和海气相互作用对延伸期预报的贡献认识不充分，大气环流模式与海气耦合模式对于延伸期预报的性能优劣也尚无定论。国家气候中心（NCC/CMA, National Climate Center of China Meteorological Administration）动力延伸期预报基于大气环流模式（BCC_AGCM，Beijing Climate Center atmospheric general circulation model）和基于同样大气分量模式的气候系统模式（BCC_CSM，Beijing Climate Center climate system Model）开展，因此，利用国家气候中心业务第二代大气环流模式和气候系统模式，综合评估大气环流模式和海气耦合模式开展延伸期预报的优缺点，认识亚澳季风区（AAM, Asian-Australian monsoon region）的延伸期可预报源，这方面的探索为实际预测业务提供一定的指示意义和参考价值。
　　本文首先评估了海气耦合模式对海温与大气环流的预报技巧，考察了模式的海洋分量和大气分量的预测性能；其次通过数值实验一方面评估了大气环流模式的预报能力，另一方面分析了初始条件的记忆与海温异常强迫对延伸期预报的相对作用；再次通过对比评估两套历史回报数据，分析了北半球大气环流对海气相互作用的响应时间，研究了海气相互作用对延伸期可预报性的贡献及其作用机制；最后对亚澳季风区的可预报模态进行了分析，并探讨了海气相互作用对亚澳季风区可预报模态及可预报性的影响，揭示了北半球关键地区尤其是亚澳季风区的主要可预报性来源，为延伸期预报的发展和改进奠定了基础。本文主要结论如下：
　　（1）利用国家气候中心气候系统模式的汛期历史回报数据集，评估了模式夏季中低纬度海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）的预测能力。结果表明：该模式对夏季中低纬海温具有一定的预测能力,且在低纬地区的预测技巧尤为出色。对太平洋、热带印度洋和北大西洋三个关键区进一步分析发现，该模式对不同海区海温的预测能力有所不同，预测技巧与前冬的 ENSO状态密切相关。此外，该模式对夏季海温的预测技巧依赖于超前时间，预测技巧在大部分情形下超前1个月的预测技巧相对更高。
　　（2）分析了夏季长江中下游地区大气水汽含量以及水汽输送特征，对该地区水汽输送与长江中下游降水及夏季风之间的配置关系进行了研究。在对模式海温评估的基础上，进一步对模式的水汽输送预测能力进行了评估，并对造成模式误差的可能原因进行了分析。模式对于长江中下游水汽输送的预测偏差与夏季风的预测偏差有关，且模式对于弱季风年的预测能力要强于季风强年。
　　（3）研究了（大气）初值与（海温）边值对全球不同区域延伸期预报的相对作用。模式预测技巧在3周以内强烈依赖于初值。在相同的边值条件强迫下，不同初值在月内尺度上的预测技巧差异非常明显，且在更长的时间尺度上，初值仍然能够提供一定的预测信息。从全球来看，边值强迫对预测技巧的影响从一周左右开始。在延伸期尺度上，边值强迫主要作用的区域为低纬度区域，且对500 hPa高度场的影响更为稳定，在该区域第5候以后有较为明显的改进。
　　（4）分析了海气相互作用对北半球热带外地区可预报性的贡献。利用国家气候中心的大气模式和耦合模式回报数据。在完美模式的假定下，评估了海气相互作用对北半球热带外地区可预报性的影响。结果表明，包含海气相互作用的耦合模式相对于大气模式可预报性更高。在7月海气相互作用对可预报性的贡献更大。耦合模式逐日的可预报性达到16-18天，而大气模式在1月、4月和7月为10-11天，10月为7-8天，表明海气相互作用能将大气模式的可预报性延长1周左右。耦合模式和大气模式均在20天左右误差达到饱和，暗示逐日可预报性仍不超过三周。
　　（5）探讨了海气相互作用对亚澳季风区的可预报模态以及可预报性的贡献。结果表明，海气相互作用可以显著减小亚澳季风区的预报误差，暖池区域海温是该区域重要的可预报性来源，在该地区海温异常显著时，使得模式误差减小。使用MSN EOF（Maximum signal-to-noise empirical orthogonal function）方法提取两个模式的最可预报模态，前两个主要模态都在西北太平洋区域存在显著的异常中心。模式中第一模态受到中太平洋海温显著影响与观测不符，导致模式模拟的模态解释方差明显大于观测；第二模态与暖池区域的海气相互作用存在显著相关，耦合模式的模拟能力要明显高于大气模式。耦合模式第二模态的模拟能力也显著优于第一模态。
　　综上所述，对于国家气候中心大气环流模式来说，在不考虑海气相互作用的情况下，延伸期可预报性在3周以内主要来自于大气初始条件的记忆，而在一周左右开始受到海温异常的影响；在加入海气相互作用之后，对比大气环流模式，国家气候中心海气耦合模式的可预报性明显高于前者，海气相互作用能将大气模式的可预报性延长1周左右。说明包含海气相互作用的海气耦合模式在延伸期尺度具有更高可预报性，是延伸期预报未来发展的方向。

目录

声明

第一章绪论

1.1 数值天气预报研究进展

1.2 延伸期预报发展与现状

1.3 可预报性研究进展

1.4 国家气候中心动力模式发展与现状

1.5 本文研究问题的提出及研究内容

1.6 本文的主要创新点

第二章模式、资料与方法

2.1 BCC_CSM模式

2.2 BCC_AGCM模式

2.3 数据

2.4 方法

第三章BCC_CSM模式海温预测技巧评估

3.1 引言

3.2 关键海区海温预测技巧评估

3.3 前冬ENSO位相对于模式对夏季海温预测技巧的影响

3.4 本章小结

第四章BCC_CSM模式夏季长江中下游水汽输送评估

4.1 引言

4.2 夏季东亚地区水汽输送及大气水汽含量特征

4.3 夏季长江中下游边界水汽收支特征

4.4 模式夏季风预测对水汽输送预测的影响

4.5 本章小结

第五章延伸期预报中的大气初值与海温边值相对作用

5.1 引言

5.2 试验方案设计

5.3 500 hPa高度场逐日预测技巧

5.4 不同层次高度场候平均预测技巧

5.5 海温异常强迫对预测误差影响的时空特征

5.6 本章小结

第六章海气相互作用对北半球热带外地区可预报性的影响

6.1 引言

6.2 海气相互作用对实际预报误差的影响

6.3 海气相互作用对可预报性年际变化的影响

6.4 海气相互作用对可预报性逐日变化的影响

6.5 本章小结

第七章海气相互作用对亚澳季风区可预报模态的影响

7.1 引言

7.2 AAM区域气候态模拟特征

7.3 模式AAM区域850hPa高度场预报技巧

7.4 模式AAM区域最可预报模态

7.5 本章小结

第八章总结与展望

8.1 全文总结

8.2 未来工作展望

参考文献

个人在学期间的研究成果

致谢