大气科学卷 0 我国江淮流域的汛期降水关系密切王会军等的实时回报试验表明春季大气初始异常对北半球夏季高纬特别是亚洲地区大气环流走势有重要影响赵彦等利用两层模式通过跨季度敏感性试验研究了大气初始异常对东亚 - 高度场和降水距平场的影响发现初始场异常的作用与 && 异常相比虽说是局地的

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月狄
5 years ago
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1 第卷第期年月大气科学!"# $ %&% % ' 大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究郎咸梅王会军姜大膀中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京 + 摘要针对大气初始异常在跨季度短期气候预测中的可能作用利用中国科学院大气物理研究所 + 层大气环流格点模式简称,!-+.!/ 对全球夏季气候进行了年年集合回报试验系统地考察了基于大气初始异常条件下模式对跨季度短期气候异常的可预测性结果表明在热带副热带及高纬都存在气候异常的可预测性区域说明大气初始场异常本身对跨季度短期气候预测有很重要的影响相对于全球来说大气初始异常对跨季度短期气候预测的影响在东亚地区更为显著其作用不可忽略通过对典型年份的个例分析发现在某些气候异常剧烈的特殊年份春季大气初始异常在我国夏季气候形成中扮演着尤为重要的角色关键词跨季度短期气候预测大气初始异常集合回报可预测性文章编号 1 ++ 中图分类号 -10 文献标识码! 引言短期气候预测包括季节至年际时间尺度的气候预测和 & 指出季节尺度季风的可预测性部分缘于热带大尺度大气环流的发展对大气初始条件的敏感性比边界条件主要是海表温度 && 的要弱同时 & 指出季节尺度气候预测的物理基础是缓慢变化的下边界强迫对大气运动有显著的影响热带地区的这种影 1 响非常显著从而具有较大的可预测性然而在热带以外地区下边界对大气的强迫作用同大气内部自身不稳定以及由非线性动力所引起的混沌效应的作用相当气候变化的不确定性增大从而使单独基于海温强迫下的模式对气候异常的可预测性大大降低这就提示我们是否有必要将大气初始异常的作用考虑在短期气候预测当中国 0+ 外同行在进行短期气候预测时普遍把注意力集中在海洋首先是 && 其次是海冰的作用和初始积分的日期上而对大气初始场的影响他们只通过理论推测和简单的敏感性数值试验进行了初步的考察工作并指出大气初始异常在短期气候预测中对区域降水或大气环流的部分气象要素有一定程度的影响曾庆存等在深入探讨海洋和大气相互作用的基础上首次提出了跨季度气候距平 1 预测方法并指出了初始时刻资料同化的重要作用孙淑清等发现东亚季风异常与收到收到修改稿国家杰出青年基金项目中国科学院知识创新工程重要方向性项目 ()* 和国家自然科学基金资助项目共同资助

2 大气科学卷 0 我国江淮流域的汛期降水关系密切王会军等的实时回报试验表明春季大气初始异常对北半球夏季高纬特别是亚洲地区大气环流走势有重要影响赵彦等利用两层模式通过跨季度敏感性试验研究了大气初始异常对东亚 - 高度场和降水距平场的影响发现初始场异常的作用与 && 异常相比虽说是局地的但却是重要的对中高纬地区的大气环流形势影响较大一些上述工作均表明大气初始异常在短期气候变化中对大气环流演变具有相当程度的影响中国科学院大气物理研究所在进行实时跨季度短期气候预测时均考虑了大气初始 + 异常的影响其中,!-.!/ 已取得了很大的成功,!-+.!/ 对跨季度短期气候异常的预测能力已得到系统评价取得了一些令人鼓舞的研究成果并首次对年我国夏季气候进行了实时预报其成绩也已得到初步认可以此为基础本文着眼于大气初始异常在短期气候预测中的作用问题通过利用,!-+.!/ 进行年跨季度短期气候集合回报试验对其进行系统的考察和评估以期为未来利用此模式开展实时跨季度短期气候预测提供参考模式资料和试验设计 1,!-+.!/ 是曾庆存等张学洪等和梁信忠等在,!-.!/ 的基础上发展建立起来的全球大气环流格点模式它的水平分辨率为垂直有 + 0 层模式层顶为 - 毕训强通过模式对模式模拟结果与实测资料间的比较完成了模式效能的检验工作证实该模式有较强的气候模拟能力及其动力框架和物理过程参数化的合理性王会军等利用该模式模拟了年际气候变率以及东亚季风的季节和年际变化发现以实测海温为边界条件下的模式的可预测性更大模式可以合理地模拟出西太平洋副热带高压的季节变化中纬度大气环流指数以及全球环流在东亚强弱季风年的差异薛峰等的研究显示此模式可以成功地模拟对流层中低层季风的季节变化 + 等指出该模式对于非洲地区气候变化亦有非常好的描述王会军和姜大膀等还利用该模式开展了古气候模拟研究得到了合理的模拟结果李崇银等则证明了该模式对大气环流的年代际变化有相当好的模拟能力郎咸梅等近期系统地考察了该模式对跨季度短期气候异常的预测能力发现它对某些气象要素场在热带及热带以外部分地区都具有较高的可预测性基于,!-+.!/ 的良好模拟能力本文选取它作为研究工具旨在评价大气初始异常在跨季度短期气候变化预测中的地位本文年年集合回报试验所采用的实时大气初始场为美国国家环境预测中心 - 的再分析资料它包括高空 0 层位势高度场风场相对湿度温度场以及近地面的位势高度气压风温度和相对湿度场海表温度场采用回报时段内的多年气候态海温回报方法是利用,!-+.!/ 每年从月日的 0 个实时大气初始场分别出发积分至当年的月日得到 0 个当年夏季回报结果将其集合预报产品 0 个单个回报结果的算术平均值与模式气候态间的距平作为当年最终预报结果如此得到年的回报结果其中的模式气候态为回报时段内,!-

!!期郎咸梅等)大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究!%% CF =3G&< 的%#年控制试验积分结果的夏季平均% #!回报试验结果分析本文着重分析了初始大气异常单独强迫下的 %# 年集合回报试验结果与同期 ;&OE 再分析资料在回报时段内的时间" 空间相关系数的分布状况! 进而清晰地展示出大气初始异常在跨季度短期气候预测中的作用%计算时间"空间相关系数的计算公式如下) #!

3 !!期郎咸梅等)大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究!%% CF =3G&< 的%#年控制试验积分结果的夏季平均% #!回报试验结果分析本文着重分析了初始大气异常单独强迫下的 %# 年集合回报试验结果与同期 ;&OE 再分析资料在回报时段内的时间" 空间相关系数的分布状况! 进而清晰地展示出大气初始异常在跨季度短期气候预测中的作用%计算时间"空间相关系数的计算公式如下) #!" $$# %$ %$ &% '$ &' ## $"> # ( # #$ $$ 槡# % &% 槡# ' &' $"> # >$ #$ %$!! $"> $ 和' % 分别表示回 >$时间相关系数!$表示年份!在本文中为 >CH#!>CCC 年&%!! # 报试验和 ;&OE 再分析资料在各网格点上的%#年平均% $ 和' % 分别表示某年回报试验 #!$空间相关系数!$表示研究区域内的网格点数&% 和 ;&OE 再分析资料在该区域内的平均% 如图>所示!热带"副热带及高纬地区的?##'E0位势高度场和海平面气压场都存在一定的可预测性区域% 热带北太平洋以及副热带北大西洋的?##'E0位势高度场和图>!%#年 # >CH#!>CCC年$夏季回报试验结果与 ;&OE 再分析资料间相关系数分布阴影区)通过了C#P信度检验!# 0$?##'E0位势高度场&# Q$海平面气压场

大!!气!!科!!学!%$!!!"卷! 海平面气压场都存在明显的可预测性区域! 考虑到这两个地区在全球气候系统! 特别是北半球遥相关型 #如 E;3"北大西洋涛动$ 中的重要地位! 我们有理由推断大气初始异常在跨季度短期气候变化中扮演着十分重要的角色! 至少在上述地区其作用不可忽视%另外!图>的结果还显示! 大气初始异常对南半球形势场的预报也有相当大的作用!

4 大!!气!!科!!学!%$!!!"卷! 海平面气压场都存在明显的可预测性区域! 考虑到这两个地区在全球气候系统! 特别是北半球遥相关型 #如 E;3"北大西洋涛动$ 中的重要地位! 我们有理由推断大气初始异常在跨季度短期气候变化中扮演着十分重要的角色! 至少在上述地区其作用不可忽视%另外!图>的结果还显示! 大气初始异常对南半球形势场的预报也有相当大的作用!如澳大利亚的西北部"西南太平洋"南美和南极洲部分地区的?##'E0位势高度场以及澳大利亚以东的热带中太平洋和秘鲁附近的热带东太平洋的海平面气压场% 需要指出的是!?##'E0位势高度场在我国东南沿海一带至日本南部存在一块明显的可预测区域!同时!在菲律宾"南海至华南一带的海平面气压也有一块明显的可预测性区域!而上述区域恰恰是影响西太平洋副热带高压和东亚夏季风走势的关键区域% 但同时注意到!东亚地区的这些可预测性区域在高度场和海平面气压场中存在不一致性! 我们认为这与大气初始异常在不同层次的记忆时效及其对预报的贡献不同有关! 其结果还是具有一定参考价值的% 大气初始场对对流层高层大气环流的跨季度短期变化同样具有预测价值% 图!0表明!基于大气初始异常的D3ECF =3G&< 对索马里上空"澳大利亚中南部及其同纬度图!!同图>!但 # 0$!##'E0位势高度场&# Q$!##'E0纬向风场

5 期郎咸梅等大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究大范围地区的 - 位势高度场具有明显的预测能力同样的情况出现在图 3 所示的澳大利亚南部及其以东大范围地区的 - 纬向风场上东亚夏季气候主要体现为西太平洋副热带高压与澳大利亚季风相连的南海跨赤道流与索马里急流相连的西南季风南亚高压以及中高纬度大气环流的共同作用是全球最复杂的季风区之一对流层高层气象要素场的分析显示大气初始异常至少对我国夏季西南季风南海跨赤道流的走势预测有一定的作用此外对对流层中低层与高层气象要素场的进一步对比分析表明大气初始异常对跨季度短期气候变化的影响在高层要强于低层而其中原因还有待深入探究为了深入了解在大气初始异常本身的作用下全球和区域气候异常的可预测性程度及可预测性的逐年变化情况我们从空间相关系数的年际变化入手进行了进一步分析从图所示的回报结果与观测间距平相关系数的年际变化情况由于实测资料有限其中降水的统计时段为年看一个非常重要的结果是东亚地区气候异常可预测性的年际变化幅度要比全球大得多而且总体上看大气初始场异常对东亚气候预测的影响要远远大于全球平均的情况这同时也反映出东亚地区大气环流的高度复杂性全球平均的相关系数很小说明初始场异常对全球大气环流场和降水场的作用相对不大而对东亚地区来说 +01 年以后几乎每年的海平面气压及绝大多数年份的位势高度场都是正相关最大相关可达到或以上降水的相关系图年夏季回报试验与观测间海平面气压空间相关系数的年际变化图同图但为 - 位势高度场图同图但为降水由于观测资料局限仅为年

6 大!!气!!科!!学!%I!!!"卷! 数在个别年份甚至达到了 # :$ 以上! 换句话说! 大气初始异常对跨季度短期气候的影响在一些典型年份更为突出% $!典型年份的个例分析结果本文选取了过去 %# 年中气候异常相对剧烈的年份! 即)>C"!*>C"%">C"H*>C""" >CC>*>CC!">CCH*>CC"的强 O 1;( )-年和 >C"$*>C"?">C""*>C"C 的强 F0;( )0年! 并 & & 针对初始大气异常在短期气候预测中的作用对这些气候异常年份的回报结果进行了合成分析%结果显示!回报结果中要素场与实测间的相关增大%需要特别指出的是!!## 'E0位势高度场在东亚出现一个明显的正相关区!同时!东亚至北太平洋一带的相关有所增大%降水在青藏高原东部出现一大块明显的正相关区域! 中心位于 # %% M;!C? MO$% 此外!在黄河和长江之间的下游及东海地区存在一块明显的可预测性区域 #如图 I"H 所示$%由此可见!在气候变化剧烈的年份里!大气初始异常本身对我国跨季度短期气候异常具有非常重要的预测价值% 图I!回报时段内气候变化剧烈年份的试验结果与观测资料间的距平相关系数分布阴影区)通过了C#P信度检验!# 0$?##'E0位势高度场&# Q$!##'E0位势高度场

7 期郎咸梅等大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究 0 图 0 同图 1 但为降水此外利用回报结果的纬向平均剖面图可以反映出在大气初始异常本身的强迫下模式对大气环流年际差异的模拟性能以及大气环流变化的可预测程度我们选取有明显冷暖事件相继出现的 +0 和 + 年作为考察对象如图所示 +0 年与 + 图回报结果中 +0 减 + 年的纬向风纬向平均剖面图单位 # 4 - 再分析资料 3 回报结果

8 大气科学卷年纬向风场的差值在赤道附近的平流层为东风异常 +0 年减 + 年的差值为负值并沿靠近赤道的方向向对流层顶延伸热带地区对流层的差值显示为西风异常并在赤道两侧的低纬度地区有两个极大值中心将回报试验结果与再分析资料进行对比后发现就气候变化剧烈的 +0 和 + 年来说模式基本真实地再现了热带地区对流层和平流层风向的年变化情况以及南半球对流层西风差异极大值中心的位置这就在一定程度上有力地证实了前面的分析结果即在气候变化相对剧烈的典型年份考虑大气初始异常的作用对提高模式预测短期气候的能力具有实质性的意义不足的是模式结果比实测的要小然而模拟幅度的偏弱是目前世界各国气候预测组普遍存在尚未解决的课题结论充分了解短期气候预测中大气初始异常在不同年份不同地区以及对不同气象要素的作用程度对开展实时跨季度短期气候业务预报具有重要意义本文通过年集合回报试验系统地考察了大气初始异常本身对短期气候变化的影响从空间和时间上利用 - 再分析资料对回报结果进行可预测性分析并具体考察了典型年份里大气初始异常的重要性研究发现大气初始异常对跨季度短期气候变化具有一定的预测价值尤其是在气候变化异常较大的典型年份我国某些地区如长江和黄河下游间东海部分地区及青藏高原以东地区的降水异常明显受春季大气初始异常的影响对有冷暖极端事件交替出现的 +0 + 年的初步分析发现热带地区对流层和平流层夏季纬向风的年变化在很大程度上包含有早期初始大气场的信息这一结果突出强调了在气候变化剧烈的年份里大气初始异常对短期气候变化的影响尤为重要对,!-+.!/ 的跨季度短期气候的可预测性分析中发现模式模拟的夏季气候异常幅度普遍较实测的偏低这也是现有开展此类研究的气候模式普遍存在的问题需要靠改进模式效能预测方法及订正方案来解决此外本文逐年回报试验的起始积分日期体现大气初始信息的影响时效集合积分个数月日 0 个初始场以及模式自身固存的系统性误差对所得结果的影响程度也还有待进一步评价然而本研究结论即大气初始异常对跨季度短期气候变化的预测价值在东亚地区是不可忽略的为未来利用,!-+.!/ 开展实时跨季度短期气候预测时考虑早期大气初始场信息的必要性作了坚实的铺垫致谢真诚感谢两位审稿人对初稿提出的宝贵修改意见参考文献 5/56 5& - 6%"3" # "685 - % #3 67 9: " $$5 & 5; #%$ 6%"3" # " #! * 76 * 7 " : 3" 6$ 6%"3" 7 3%#" # 6 "#!

9 期郎咸梅等大气初始异常在跨季度短期气候预测中作用的研究 + 王会军短期气候预测的不确定性气候与环境研究 < ;5-5! 7$ " " $ 6%"3" <" #3 # "6 %6/ # " $% & 赵彦郭裕福袁重光等短期气候数值预测可预报性问题应用气象学报增刊 # 5 55 :%-5'" 3 "5 6 7" : " ## # $%' & =!5685&6," : && % 6"# $ %: 3" # " 63 "# $ %7 % % " # 6 $% & & *5&5 6 (# "! # & #&# " " ++ " ## # 3 " &8, &!/ &&! " 5 :," ' 3" 6 %#" $ 6%"3"! :%5 5 5-# 6.5 "- 6%"3" "# $ %: " $% & )< 5 5," : 3" 6$ 6%"3" #3!,-%#" # " % 6 %" 6 <"" / $% & !5( # " # $ " % %" $" 6 7 >" # $ " = # % % " $% & :% # & 6$ 6%"3" -8?'?.& #3 & ' %& ++ 5 曾庆存袁重光王万秋等跨季度气候距平数值预测试验大气科学孙淑清孙柏民东亚季风环流异常与我国江淮流域夏季旱涝天气的关系灾害性气候的过程及诊断二北京气象出版社 " 6@5( #3 6% " >$ # " " 6$ 6 : ++3 " &8, &"# $ %7 % % " # 6 &&! 01 5 赵彦郭裕福短期气候数值预测中海温和初始场作用的敏感性试验应用气象学报增刊 5 + 袁重光杨芳林李旭等汛期预测的集合预告模拟研究大气科学 ) 77 7.* "5& 6 >" $ 6%" ## # $ %$"" 3 /%# "#! 林朝晖李旭赵彦等中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统的改进及其对 ++ 年全国汛期旱涝形势的预测气候与环境研究 ++ 5 林朝晖赵彦周广庆等 +++ 年中国夏季气候的预测及检验气候与环境研究 +0 5 郎咸梅王会军姜大膀应用九层全球大气格点模式进行的跨季度短期气候预测系统性试验地球物理学报 +5 ) 77 7)7* 7 "5! $ "7 % % " # 6 %" $$ $ " 6""?,9// -& #$ # &$ %: # &&! ' 4! 7 " +0 5 )7* 7; #% # <,!- 4 : "# $ %7 % % " # 6 "#! *= 7; % $" 4 : 7 6$ ""# $ %7 % % " # 6 "#! 毕训强,!- 九层大气环流模式及气候数值模拟中国科学院大气物理研究所博士学位论文 ++5 * 7 * 76.@ 6 7" 7 3# " #3,!-+.!/ "#! 5 5

10 大气科学卷 + 55 * 7 7 "5! %%#" $ 6%" 63 ",!-7 6 $ " "# $ %7 % % " # 6,!- +.!/ "#! % %#" # " $ "!/ % $ 6<" # # 6 "#! 5 5 姜大膀王会军郎咸梅末次盛冰期气候模拟及青藏高原冰盖的可能影响第四纪研究 5 李崇银穆明权毕训强大气环流的年代际变化,5/ 数值模拟研究大气科学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

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布