ENSO预测的目标观测敏感区在热带太平洋海温的多模式集合预报中的应用

本文将ENSO预测的目标观测敏感区与多模式集合预报方法相结合,提出了一种能够有效提高预报技巧且又具有较小计算成本的多模式集合预报方法.该方法在目标观测敏感区内采用模式不等权的多模式超级集合预报方法（SUP）,而在其他区域采用相对简单的等权的多模式消除偏差集合平均方法（BREM）.利用CMIP5中15个气候系统模式的工业革命前参照试验（pi-Control）数据,针对热带太平洋海温的长期演变开展了理想预报试验.将新集合预报方法与现有的多模式集合预报方法进行了比较.结果表明,在所考察的预报期内（即1～20年）,新集合预报方法与整个热带太平洋区域使用SUP方法具有相当的预报技巧,但前者的计算成本明显小于后者,计算时间仅为后者的1/4.可见,新方法是一个具有较高预报技巧且计算成本较小的多模式集合预报方法.同时,其较高的预报技巧强调了热带太平洋SST预测对ENSO目标观测敏感区内的模式误差也是极端敏感的,也正因如此,多模式集合预报方法才能够有效过滤模式误差的影响,具有较高的预报技巧.

印度洋偏暖对春末夏初西天山极端降水的影响研究

利用NOAA(美国国家海洋和大气管理局)气候预测中心的逐日格点降水资料分析了春末夏初(5、6月)天山极端降水时空变化以及印度洋海盆一致模(IOBM)影响极端降水的机制。结果表明:春末夏初天山极端降水变化具有明显的空间差异,西天山地区极端降水显著增加,其他区域极端降水变化不显著。诊断分析和数值模式模拟结果表明,春末夏初西天山地区极端降水增加与同期IOBM正异常促进冷暖气流在西天山地区交汇有关。IOBM正异常,一方面有利于东欧至中亚北部反气旋异常加强,促进冷空气向南输送。另一方面使得印度洋海温非均匀增暖,产生异常垂直环流,其下沉支使阿拉伯海和印度半岛产生反气旋异常,异常反气旋和偏南气流共同促进印度洋暖湿水汽向西天山输送,从而有利于西天山地区极端降水增加。

登陆热带风暴“Bilis”维持和暴雨增幅与低纬水汽输送的关系及其数值试验

采用WRF中尺度数值模式、NCEP／NCAR再分析资料、地面加密观测资料和JMA最佳路径数据集对0604号强热带风暴“Bilis”的水汽输送特征进行诊断分析与数值模拟。结果表明，“Bilis”登陆后，一直与低纬水汽通道相联结，索马里和80—100°E越赤道气流异常活跃，将大量水汽输送到“Bilis”环流中，有利于其在陆上长久维持并引发沿途暴雨增幅。对“Bilis”的维持过程进行数值模拟和水汽敏感性试验结果显示，低纬水汽输送的减弱不利于登陆热带风暴“Bilis”的维持和暴雨增幅，索马里和80～100°E越赤道气流的持续水汽补充有助于“Bilis”环流在陆上长久维持，减少外界水汽尤其是索马里越赤道气流的水汽输送后，TC暴雨强度和范围衰减十分剧烈。来自低纬水汽输送减弱不利于热带风暴中的强对流活动，不利于“Bilis”获得能量长久维持，雨量也随之相应减少。

青藏高原植被退化对高原及周边地区大气环流的影响

利用耦合了陆面模式的大气环流模式,结合青藏高原植被退化的范围和程度,通过在模式中修改高原地区(27°—40°N,75°—100°E)的叶面积指数的方法,探讨了植被退化以后对高原及其附近地区上空大气环流的影响。结果表明,该模式对高原地表温度场具有很强的模拟能力,并且能够很好地模拟出青藏高原及附近地区夏季位势高度场的平均特征及南亚高压的位置和强度,但南亚高压中心强度偏大且略微西退。在青藏高原植被出现退化以后,高原整体地表土壤温度和地表2 m空气温度升高,感热通量增加、潜热通量减小,进而改变了高原地区的波文比。地表感热增加导致高原及附近地区500 h Pa高度场降低和200 h Pa高度场升高,并在200 h Pa上存在强大的反气旋性环流异常,导致南亚高压增强和北扩东伸。植被退化造成的青藏高原感热增加导致了高原南部上升运动增强和北部上升运动减弱,同时又引起高原以北地区下沉气流的影响范围扩大,而下沉气流的强度减弱,其结果有助于高原以北的干旱范围扩大,而干旱程度却得到缓解。

青藏高原植被指数最新变化特征及其与气候因子的关系

利用GIMMS/NDVI(全球库存模拟和影像研究/归一化植被指数,Global Inventory Modeling and Mapping Studies,Normalized Difference Vegetation Index)和MODIS/NDVI遥感数据以及青藏高原6个气象代表站的站点数据,结合多种统计和计算方法,分析了青藏高原植被NDVI变化规律及其影响因子。结果表明:1982~2013年青藏高原多年平均植被NDVI的空间分布存在明显的区域差异,总体上呈从东南向西北递减的趋势,而且发现不同地区植被的时间变化规律也不尽相同。根据高原长势最好的6~9月植被NDVI进行经验正交分解,将青藏高原植被分为5个区,并进一步分析了不同分区内植被的变化规律,得出:青藏高原植被NDVI下降最明显的区域在二区的噶尔班公宽谷湖盆地地区和北羌塘高原地区,植被NDVI上升最明显的区域在四区的祁连山东部地区。为了探讨青藏高原不同分区内影响植被NDVI下降的因子,从青藏高原二区、四区、五区各选取NDVI处于下降趋势的两个代表站点。研究分析了各个站点植被NDVI与降水量、平均气温、平均最低气温、平均最高气温、日照百分率5个气象因子的关系,得出:在高原二区日照强度是其它分区的两倍左右,而降水量相对较少导致植被NDVI降低。高原四区由于降水量小、温度高、日照强,导致植被NDVI处于下降趋势;在青藏高原五区虽然降水充足,但日照较弱,限制了植被的正常成长导致NDVI处于下降趋势中;其结果为高原植被退化机制研究及高原植被对大气反馈等奠定了基础。

暴雨发生前AIRS卫星资料适用性检验研究

利用AIRS卫星产品中的气温和水汽资料,计算出K指数(IK)和沙氏指数(IS)这两种大气不稳定指数。对暴雨发生前6 h左右这两种大气不稳定指数进行统计分析。统计结果表明:在暴雨发生前6 h左右,80%左右的暴雨发生在IK>27.5℃或IS<3℃的情况下。由于IK的分布与暴雨发生的频率基本呈现出较为明显的递增变化,因此IK与IS相比能更好地反映暴雨天气的发生。为了更好地描述暴雨发生前的大气不稳定特征,将AIRS计算的IK和IS做了适当的结合,得到KS指数(IKS)并将其运用到一次暴雨个例进行验证,从验证效果来看:暴雨发生的区域在6 h前基本都处在了IKS较高的情况下,IKS对暴雨具有一定的指示意义。通过对暴雨区域像元中AIRS反演的气温和水汽误差分析中可以得出:AIRS计算的IK和IS误差主要由AIRS在有效云量较高时850h Pa高度上反演的气温以及700h Pa和850h Pa高度上反演的水汽的误差导致的。

20世纪90年代以后华北初春低温增强和北大西洋海温关系

本文利用ECMWF再分析资料及Hadley中心提供的海温数据分析了20世纪90年代以后华北地区初春低温增强的原因,并通过数值模拟结果予以验证。结果表明,北大西洋"马蹄型"海温模态与影响我国华北地区的欧亚波列存在显著的相关关系。同时该海温模态与1997年以后北大西洋关键区垂直波作用通量有着较密切的相关关系,1997年以后北大西洋地区的500 hPa环流模态,整体呈现出东移南撤的趋势。1997年以后格陵兰岛东侧表面温度受异常热力强迫导致正值区增多,同时此处西风急流加大,有利于Rossby波向下游传播,导致其下游欧洲大陆地区形成暖脊。通过局地多尺度能量涡度分析法(Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MS-EVA)证明格陵兰岛东侧关键区表面温度的异常热力强迫作用与气压梯度力在对流层整层做正功,导致高层动能的增加并向外辐散,使得脊加强向北伸展。通过欧亚波列致使下游华北地区上空气旋式异常加强,促使亚洲极涡加强和稳定维持,华北地区温度下降剧烈,极端低温事件增多。最后通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋"马蹄型"海温模态对大气环流异常及华北地区极端低温的影响。模拟结果很好地验证了观测结果,进一步表明该海温模态可以通过激发出欧亚波列,影响欧亚大陆大气环流异常,进而导致我国华北地区气旋性加强和经向环流加大,极端低温事件增多。

春季欧亚大陆积雪主模态及其与北大西洋海温的关系

本文利用日本第二次全球大气再分析项目(JRA-55)提供的逐日积雪深度数据、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的全球再分析数据及Hadley海温数据分析了春季欧亚大陆积雪异常模态及其与北大西洋海温的遥相关关系,并通过模式模拟分析验证。结果表明:春季欧亚大陆雪深前两种模态差异显著,分别表现为东、西区域同向变化及反向变化两种非对称形态。其中,同期北大西洋"三极子型"海温模态与"马鞍型"海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系,这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量分别呈丝绸之路(SRP)型和欧亚波列(EU)型两种传播特征,对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响,进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过局地多尺度能量涡度分析法(Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MSE-VA)表明,北大西洋源区有自下向上的动能传输,另外,西风急流出口的平均动能转化增加,使得高层动能累积并向外辐散,从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋"三极子型"和"马鞍型"两种海温模态下的波作用通量传播特征,结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播呈"SRP"型和"EU"型两种特征,对应的降雪分布表明两种模态下气候场要素的变化与对应雪深模态的分布特征一致。

青藏高原初春积雪的多尺度变化与北大西洋海温的关系

青藏高原冬、春季积雪变化影响东亚甚至全球春、夏季的环流及气候异常。利用中国西部环境与生态科学数据中心提供的中国雪深长时间序列数据集,美国大气海洋局提供的全球逐月扩展重建海表温度,以及欧洲中期天气预报中心提供的逐月再分析数据,对青藏高原初春(3、4月)积雪的多尺度变化与北大西洋海表温度的关系进行了研究。结果表明,初春青藏高原雪深异常与初春北大西洋关键区海温异常有显著的负相关关系。当初春关键区海温正(负)异常时,初春高原中部偏北腹地地区、东南部地区积雪深度减少(增加);初春北大西洋关键区海温异常通过激发下游青藏高原上空大气波列以及波作用通量异常来影响高原局地区域的温度和垂直运动,从而影响降雪的产生和积雪的累积。该结果为青藏高原初春积雪的多尺度变化及其影响提供了依据。

中亚地区冬季极端降雪增加与北大西洋两类海温模态增强的联系

利用气候预报中心(CPC)提供的1979-2018年日降水数据,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的全球再分析数据及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的海温数据分析了中亚地区极端降雪的时空演变特征及其与北大西洋海温的联系,并通过地球系统模式CESM1.0.4的CAM5.1模块进行敏感性试验验证.结果表明:中亚地区冬季极端降雪空间分布极不均匀,极端降雪主要发生在哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和北疆地区,乌兹别克斯坦、土库曼斯坦和南疆的沙漠地区极端降雪较少;四个极端降雪指数在中亚和各个气候区均表现为显著的增加趋势,其中,以天山山脉为代表的南部关键区年际变率最大.中亚南部关键区极端降雪频次增加对应沿着北大西洋急流和亚非急流的两支波列增强,其波源位于副热带北大西洋和热带北大西洋,并对应北大西洋"一致型"和"三极子型"两类海温模态.自2000年以来,增加的(副)热带海温及两类模态指数均有助于亚非急流入口西伸,并与北大西洋急流对接,加强了波源区能量沿两支急流向下游频散,并增强了两支波列,进而导致巴尔喀什湖一带的气旋异常和阿拉伯海北部的反气旋异常加强,二者增强了来自阿拉伯海的西南水汽输送以及中亚南部地区的辐合,有助于2000年以来的极端降雪增加.CESM模式结果较好地验证了北大西洋副热带和热带地区海温通过波列和涡旋异常对极端降雪的影响.

CMIP5模式中El Nino-EAWM关系的模拟对东亚冬季风模拟的影响

本文利用统计学的方法,评估了17个参加第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)的海气耦合模式对东亚冬季风(EAWM)年际变化的模拟。结果表明:多数模式对东亚冬季风的年际变化有一定的模拟能力,其中对东亚大槽年际变化的模拟最好;模式对东亚冬季主要系统的年际变化在空间上的模拟好于强度,对强度的模拟以偏弱为主;通过综合评估得到模拟能力好的模式有:bcc-csm1-1,CCSM4,HadCM3,NorESM1-M。针对模式间对冬季风年际变化模拟能力差别较大的现象,选取了4个模拟能力最好的模式和5个最差的进行讨论;通过评估El Ni?o对东亚冬季环流的影响,发现模式对El Ni?o与EAWM之间相互关系(El Ni?o-EAWM)的模拟能力是模式间对冬季风年际变化模拟偏差较大的原因之一,即对El Ni?o-EAWM模拟好的模式对东亚冬季风年际变化的模拟也好。