基于时空综合分型的El Niňo事件对中国东部降水的影响差异

基于1961—2022年中国高分辨率降水格点资料、合成分析和经验正交函数分解方法,揭示了时空综合分型得到的生命史较长-异常中心位置偏东的低频-东部(LF-EP)型和生命史较短-异常中心位置偏西的准两年-中部(QB-CP)型El Niňo事件对中国东部降水的不同影响。结果表明,LF-EP型事件对降水的影响显著且稳定:自发展年秋季到衰减年夏季长达近4个季节,长江以南区域降水持续地显著偏多,且异常雨带中心自衰减年春季起逐步北抬。QB-CP型事件发生时降水异常特征变化更加复杂多变:发展年夏秋季其空间分布与LF-EP型事件中的特征大致相反,长江以南区域降水整体偏少,冬季开始长江以南逐渐有正异常降水出现,且春季以后异常雨带表现出逐渐南退特征,至衰减年夏季发展为华北-长江中下游-华南地区降水异常“正-负-正”分布。进一步通过比较不同类型事件中大尺度水汽输送的差异探讨了其影响不同的可能机制,发现由海温异常纬向位置差异导致的西太平洋区域大气环流直接响应以及衍生模态响应差异是造成中国东部降水异常空间分布特征差异的重要原因。同时,两类时空事件持续性和转相时间的差异也会使得对降水影响的时间尺度出现差别。

中国西北东部地区春季降水及其水汽输送特征

文中使用 1 96 2～ 2 0 0 2年逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料 ,考察了中国西北东部地区春季降水及其水汽输送的气候特征和异常变化。分析表明 ,该地区春季降水时段集中、变率较大 ,具有明显的年际和年代际变化特征 ;水汽主要来源于南部季风区 ,输送路径集中于青藏高原和偏南方向 ,偏东方向输送相对较弱 ,而且西太平洋副高和高原对输送路径具有显著影响 ;多雨年的异常水汽输送主要来源于偏东方向海洋上的异常向西输送和前期由菲律宾及其北部海区的向北输送 ;对异常水汽通量进行分解后发现 :由环流异常引起的平均水汽输送在多数年份的降水正异常过程中起主导作用 ,而平均环流对异常水汽的前期输送对于局地降水异常也有一定贡献 ;多雨年的环流异常集中表现为高度场上位于中国东北地区的正异常中心 ,这有利于偏东、偏南的异常水汽输送到西北东部。结果初步认为西北东部地区的空中水汽资源具有一定的补偿能力和利用潜力 。

国家气候中心新一代ENSO预测系统及其对2014/2016年超强厄尔尼诺事件的预测

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)作为其年际变率支配模态,对我国季节气候预测有着非常重要的指示意义。在过去30年里,ENSO自身属性、类型和气候影响发生了显著改变,为我国气候预测和防灾减灾带来了前所未有的挑战。2012年以来,国家气候中心组织研发了新一代ENSO监测、分析和预测业务系统(SEMAP2.0),目的是切实提升ENSO监测预测业务能力。SEMAP2.0综合集成了国内外多项ENSO研究新成果,并自主研发了多项ENSO诊断预测新技术。该系统包括实时监测、动力学诊断一归因分析、两类ENSO物理统计预报模型、气候模式集合预报解释应用、以及相似一动力预报订正等五个子系统。20年独立样本检验显示,集合平均Nino3.4海温指数提前6个月预报的时间距平相关系数达到0.8。该系统已于2015年底正式业务运行,每月实时提供业务产品。在业务应用方面,该系统2014年春季给出了基本反映实际的夏秋季厄尔尼诺演变趋势预测,较为准确地预报出了2014/2015年冬季弱中部型厄尔尼诺状态和2015年春季以后厄尔尼诺的持续发展趋势以及向东部型的转换过程,准确定位出2014/2016事件峰值时间和强度并预计此次事件在2016年春末结束。

超强厄尔尼诺事件海洋学特征分析与预测回顾

2015/2016年厄尔尼诺事件被认为是一次与1982/1983和1997/1998年相当的超强事件。基于多套再分析数据,比较了此次事件的海洋上层变量主要特征与历史上两次超强事件的异同,并利用热带太平洋混合层热收支方程对主要物理过程进行了定量分析。研究认为,2015/2016年事件前期为异常高海温东传特征,且前期形成了一次弱的中太平洋型暖事件;但后期表现为弱西传特征,在成熟位相转换成东太平洋型强厄尔尼诺。此次事件中伴随着多次西风爆发事件和开尔文波东传,但赤道开尔文波在盛期基本维持在中东太平洋而不继续东传,赤道外罗斯贝波西传特征亦不明显。相比之下,此次事件在发展—成熟期前后的赤道"热容量放电"过程更加明显些。此次事件异常暖中心位置偏西,其主要原因很可能与赤道东太平洋的强东风异常和冷海水上翻,以及纬向洋流异常和次表层温度异常分布偏西有关;东边界冷水入侵,削弱赤道东太平洋海温异常程度,可能是此次事件位置偏西的直接原因。在海洋上层热量收支中,此次事件中温跃层反馈是促进海温升高和位相转换的最关键过程,纬向平流反馈项亦发挥了重要作用,两种过程共同形成了超强的升温幅度和偏西的异常暖海温分布型。中国国家气候中心新一代ENSO预测系统(SEMAP2.0)每年两次的实际会商预测中给出了较为合理的预测,特别是考虑前期海洋变化预报因子信息的统计模型更好地预测出了海温异常的波动演变状况,成为多方法集合(MME)的重要成员。

MJO预报研究进展

热带大气季节内振荡（Madden-Julianoscillation,MJO）是次季节季节时间尺度气候变率的支配模态.它不仅对低纬度地区天气气候产生重要影响,还能够通过经向传播和激发大气遥相关波列对中高纬度地区产生影响,是延伸期尺度最重要的可预报性来源.因此,MJO 预报是次季节季节气候预测中极为重要的部分,近年来受到国际学术界广泛关注.该文回顾了MJO 预报发展历史,概述了当前国际上主要科研业务机构的MJO 预报发展现状.目前基于统计方法和气候模式的MJO 预报研究取得了较大进展,特别是多个耦合气候模式和一种基于时空投影方法的统计模型均能够显著提升MJO 预报技巧（有效预报可达20d以上）.该文还介绍了中国气象局国家气候中心在MJO 预报技术发展和业务系统研制方面的新进展,当前基于第2代大气环流模式的MJO 业务预报填补了国内空白,技巧为16～17d,而耦合气候模式试验的技巧已达到约20d.总体来看,利用耦合模式预报MJO 是未来发展的主要方向,其中,面向MJO 的模式初始化和集合预报新方法研究将是关注重点.

西北区东部春季降水及其水汽输送的低频振荡特征

使用1962-2002年逐日降水资料和NCEP／NCAR再分析资料，考察了西北地区东部春季降水及其水汽输送的低频振荡特征。通过定义并计算相对比例系数prpt，并结合统计检验，证实了春季西北地区东部、华北和长江下游地区30～60天周期的相对重要性和显著性。2002年个例分析表明，以银川站为代表的西北地区东部春季降水和水汽通量散度具有显著的20～60天振荡周期，并且在4，5月份季节转换时期显著增强；在降水处于正位相时，低频水汽主要来自东面海上的向西输送和南海北部沿高原东侧的向北输送，低频波表现为明显的向东传播。多年资料分析表明，多雨年季节内振荡较强、反之较弱；主要周期尺度有所不同，低频降水与水汽输送具有很好的对应关系，但也存在一定差异。年代际变化特征突出，表现在从20世纪70-80年代初季节内振荡特征不明显，低频降水与水汽输送之间的一致性相对较差，显示出气候异常对低频振荡的影响。

利用变分法计算西北典型干旱区地表通量的研究

利用 2 0 0 0年 5～ 6月在敦煌进行的陆面过程野外观测试验加强期的观测资料 ,采用变分法计算了西北干旱区荒漠戈壁的地表感热通量和潜热通量 ,并与Bowen比能量平衡方法 (简称BREB法 )的结果进行了对比。结果表明 :变分法由于同时应用了地表能量平衡方程和相似性廓线方程 ,充分利用了边界层观测资料的信息 ,避免了BREB法中出现在Bowen比接近于 - 1时产生的计算不稳定和虚假的峰值 ,使计算的通量结果更趋合理和稳定。同时也计算了动量和感热的总体输送系数 。

预报副高脊面变化的动力模型及其简化数值试验

发展了一个描述副热带高压脊面变化的动力模型。这一模型基于大气环流角动量的守恒原理 ,得到了作为东、西风交界面的副高脊面变化所满足的方程 ,由于副高脊面直接成为预报量 ,因此 ,该模型对这一特定的研究对象有明确的动力学意义 ,便于进行脊面变化的动力影响因素研究。进一步发展了模型的简化数值方案 ,在权重函数为常数的假设下进行了初步试验 ,结果显示 ,副高脊面形态的时空变化基本能够模拟出来 ,主要体现在脊面的进退和倾斜等特征 ,说明该模型具有一定的模拟能力 ,而且三维积分格式的采用使得模拟结果比较平稳 ,过滤掉了高频噪音。数值试验的结果表明 ,按照脊面动力模型 ,确实能够直接计算副高脊面变化 (移动和形变 ) ,并定量地考察影响脊面变化动力因子的贡献。

提高月预报业务水平的动力相似集合方法

针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。将这一集合新方法应用到中国国家气候中心业务大气环流模式(BCC AGCM1.0),一组10 a准业务环境下回报试验结果显示,相比于业务集合预报,动力相似集合预报方法能有效改进模式对于大气环流的纬向平均、超长波和长波预报,从而有效提高了月平均环流预报技巧(几乎达到业务可用标准)和逐日环流预报技巧,并显著降低了预报误差,合理增加集合离散度,使二者配置关系得以改善,有望在业务预报中应用。

数值模式的预报策略和方法研究进展

数值预报经历了半个多世纪的发展,已成为当前主要的客观预报工具。在模式和资料状况给定的情况下,预报效果的改善很大程度上依赖于所采用的预报策略和方法。为此,全面回顾了国内外基于数值模式的预报策略和方法研究进展,认为采取统计—动力相结合、从历史资料中提炼信息的预报策略是提高数值预报水平的可行之路。最后在总结前人工作基础上,着重介绍了动力相似预报策略和方法的相关研究,特别是实际预报中的试验情况。

统计-动力相结合的相似误差订正法

根据大气相似性原理,提出了利用历史资料的相似信息估计模式误差的反问题,并发展了一种相似误差订正(ACE)方法。该方法将统计和动力两种方法有机结合,在不改变现有数值预报模式的前提下,既充分利用了动力学发展的成就,又能够有效提取大量历史资料中的相似信息,达到减小模式误差、改进当前预报的目的。而且,ACE方法能够针对当前预报的特殊性来区分所利用过去资料的特殊性,提取历史相似信息间接求解反问题。定性分析表明,ACE方法与以往相似-动力模式原理是等价的,但无需重新建立复杂的相似离差预报模式,更具可行性和业务应用前景。在理想化的极限情形下,当数值模式或历史相似完全准确时,ACE方法的预报结果将分别蜕变为动力或统计学方法的预报结果。

相空间中划分大尺度异常雨型的初步研究

文中针对以往雨型研究中的不足 ,从动力学角度将相空间引入到大尺度异常雨型的划分 ,通过估计EOF相平面上的概率密度函数、并确定局部极大值区域来划分主要雨型。分析表明 ,新雨型不仅再现了传统的 3类雨型特征 ,还得到了其他分型 ,并且能够反映出异常降水分布的季节内低频变化 ;分别采用 10和 2 0d低通滤波数据划分的雨型形态比较接近 ,但其种类、持续性和季节内分布等特征存在一定差异 ;雨型的气候分布与季风雨带有一定对应关系 ,其形成与夏季风异常关系密切。通过对简单直观的二维相平面问题的探讨 ,不仅证实了在相空间中划分大尺度雨型的可行性 ,也为进一步在高维空间中讨论雨型问题提供了依据。

相空间中划分大尺度异常雨型的进一步研究

使用1962～2001年的逐日台站降水资料,考察中国夏季大尺度低频降水的时空特征.对于20 d以上的低频尺度降水异常,在前8个主要EOF模态支撑的相空间中,采用聚类分析方法划分了6种大尺度异常雨型:东北型、黄河型、秦岭淮河型、长江江南型、华南型和少雨型.分析表明,这些雨型的物理意义明确,具有较好的持续性,优于使用2维概率密度函数的划分结果,从而说明相空间中的聚类分型是整体性和区域性兼顾的划分方式,同时也证实了多维相空间的不均匀性.统计结果显示,新雨型在季节内交替出现,能够反映出大尺度异常降水的低频演变特征,并且具有不同于季风雨带变化的特点.通过分析新雨型在历史上的分布情况,并与以往分型相比较,进一步反映出新雨型划分的客观性和合理性.

论动力相似预报的物理基础问题

为了更好地发展动力相似预报的策略和方法,基于非线性动力学成果,综合探讨了动力相似预报的物理基础问题。分析表明,"相似预报—低频流型—可预报性"在物理上存在密切联系,这在统计相似预报和动力相似预报问题中均适用。通过类比集合预报,并对实际大气不同尺度模式预报的个例分析,初步证实了相似初值对应的动力预报结果及其预报误差行为具有相似性。在此基础上,进一步提出三类相似性问题,并归纳了动力相似预报的物理基础:在初始状态相似性持续的情况下,动力预报结果以及预报误差行为具有相似性。

在动力相似预报中引入多个参考态的更新

针对如何更有效地利用历史资料中的相似信息提高预报水平的问题,在已有相似-动力模式研究基础上,进一步探讨了相似误差订正方法(ACE)的若干理论和技术问题,分析表明,ACE是对以相似离差方程和相似误差订正方程为理论依据的方法的再发展。在此基础上,提出了相似的更新问题和多个参考态的引入,并进而发展出一种考虑多参考态更新的动力相似预报新方法(MRSU)。这一方法通过引入相似更新周期的新概念,在预报进行到相似更新周期时重新选取多个参考态,并采用超平面近似法将相似-动力模式产生的多个预报估计成最佳预报向量,这样的“选取-估计”过程循环往复,从而完成整个时段的预报。Lorenz模式试验显示,相比于以往的相似-动力模式预报,MRSU能更有效减小预报误差,提高预报技巧,并且,ACE的理论优势应用前景也被初步证实。综合诸多研究结果,给出了MRSU的概念流程,这里针对复杂数值模式采用了ACE,能够等价实现相似-动力模式预报过程,无需重建模式,更易于推广。

Lorenz系统混沌解序列可预报性的统计检验

利用 Lorenz简化热对流模式产生了吸引子区域内的混沌解序列 ,对截取的序列进行了平稳性和正态性检验 .按照 3种情形分别选取样本 ,并应用统计预报中的 ARMA模型、多元线性回归模型、多项式回归模型和均值生成函数模型等作出预报 .比较分析表明 :所选取方程组产生的混沌解序列 ,呈现非周期、非平稳、非正态特性等极不规则的分布 ,导致几种统计模型对于两个不稳定平衡状态间的不确定的突变情形基本失去了预报能力 ,系统行为几乎无法预测 ,其根本原因在于系统的混沌特性 .但在某一不稳定平衡状态内 ,序列段呈现振幅不断放大的准周期振荡 ,具有一定的规律性 ,几种统计模型预报的效果较好 ,说明在应用统计方法进行预报的前提下 ,系统行为存在着局部时段的有限的可预报性 .

动力季节预测中预报误差与物理因子的关系

为了在动力季节预测中更好地运用统计经验来改进预报,从研究气候系统物理因子影响模式预报误差的角度入手,探讨了与气候模式有关的统计经验获取问题,并利用国家气候中心海-气耦合模式的历史回报数据,考察了动力季节预测中夏季环流和降水的预报误差与主要物理因子,包括Nio3区海温指数、太平洋年代际振荡指数、南北半球环状模指数以及北大西洋涛动指数相关关系。分析结果显示:上述物理因子与模式预报的夏季环流和降水误差之间存在前期或同期的某种显著相关关系,并且显著关系分布随因子的不同而表现出明显不同的区域性特征,这为发展一种基于预报因子的误差订正新方法提供了新思路。

短期气候预测中基于预报因子的误差订正方法研究

依据动力-统计相结合进行短期气候预测的基本思想,为了将统计经验运用于动力预报中,提出了基于预报因子的误差订正新方法(PREC).分析表明,该方法能够有效利用预报因子与模式预报误差之间的显著相关关系,并通过建立统计预报模型对预报误差进行估算和订正.进一步利用国家气候中心CGCM的季节回报数据,并选用表征气候系统年际变率最主要模态ENSO循环的特征量(即Nio3区海温指数)作为物理预报因子,将PREC应用于动力季节预测试验.相比于传统的系统误差订正,利用前期预报因子信息的PREC对夏季平均环流和降水量预报结果均有不同程度改善,从而为利用统计经验改进短期气候预测提供了新途径.

MJO对我国天气气候影响的新事实

在次季节时间尺度上,热带大气季节内振荡(MJO)是全球气候变率的首要模态。MJO不仅对热带天气气候产生直接影响,还能够通过传播和激发大气遥相关等方式对热带外地区产生重要影响,成为目前次季节—季节气候预测最重要的可预报性来源。MJO对于我国天气气候影响的探索由来已久,在很多方面有了显著进展,但仍需深入研究。首先对MJO影响我国天气气候的过往研究进行了回顾,并进一步利用新的观测资料诊断分析,发现了MJO对我国气候影响的一些新事实。初步结论包括:MJO对我国冬季降水的影响主要局限在江南—华南区域,而夏季扩展到南方和青藏高原地区;对冬季气温的影响较大,其范围覆盖了东北、华北以及西部广大区域,而夏季解释方差有所减小,其区域位于除了黄河流域以外的广大地区;在去掉高频噪音后,纯粹MJO信号对我国主要区域气温和降水低频变化的解释方差可接近30%;MJO对我国冬夏季温度降水的影响存在明显滞后效应,应在使用MJO信号进行我国气象要素预报时加以考虑。

参加第27届国际大地测量学与地球物理学联合会会议总结

1概况2019年7月7-15日,国家气候中心任宏利、史学丽、李伟平、房永杰、谢冰、冯爱青赴加拿大蒙特利尔参加第27届国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG:the International Union of Geodesy and Geophysics)大会。