MEPM模型:基于深度学习的多变量厄尔尼诺-南方涛动预测模型

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋年际时间尺度的海-气相互作用的异常现象,并由Nino3.4指数表征其发生情况;除此之外,ENSO与众多极端气候事件密切相关。因此,有效的ENSO预测对于预防极端气候事件和深入研究全球气候变化具有重要意义。然而,目前基于深度学习的ENSO预测大多数是预测一个指数或者单一变量,对于模拟多气候要素下的ENSO预测研究较少。通过提出一种利用多气候变量的ENSO预测模型——MEPM模型,其中包括多变量信息提取模块(MIEM)和时空融合模块(STFM),捕获不同气候变量在时空上的相互依赖性,进而提高ENSO预测的准确性。选取了纬向风应力异常(τ_(x))、经向风应力异常(τ_(y))、海表温度异常(SSTA)和海表下150 m温度异常(SSTA150)4个变量的距平值进行ENSO预测。结果表明:MEPM模型在提前11个月的Nino3.4指数相关技巧上分别比北美多模型集合中的动力预报系统CanCM4、CCSM3和GFDL-aer04高10%、20%和14%。此外,MEPM模型在中期Nino3.4指数相关技巧上显著优于其他深度学习模型,并可提供长达17个月的有效预测。

厄尔尼诺事件的类型、强度对海南岛秋汛期降水的影响

利用1961—2018年逐月Ni?o关键区海温指数资料、NCEP/NCAR再分析资料及国家气象观测站降水量资料,在定义了厄尔尼诺事件的类型和强度的基础上,利用相关分析和合成分析方法,分析了近58年厄尔尼诺事件的不同类型和强度对海南岛秋汛期降水的影响及其相应的大气环流和水汽输送场的差异。结果表明,厄尔尼诺事件总体有利于海南岛秋汛期降水偏少,但存在类型和强度上的差别。其中轻度中部型厄尔尼诺事件年全岛平均降水量偏少32.5%,偏少概率较气候概率上升了25.0%,降水异常的空间分布表现为西南局部地区的偏多、其余地区的偏少;中等及以上强度东部型厄尔尼诺事件年降水量平均偏少21.7%,偏少概率上升了11.7%,轻度东部型厄尔尼诺事件年降水量平均偏少15.8%,偏少概率上升了7.5%,两者的降水异常空间分布为一致性偏少。海南岛秋汛期降水异常与大气环流和水汽输送密切相关。不同类型和强度的厄尔尼诺事件年可能主要通过影响沃克环流的位置、强度的不同程度变化,造成风场、位势高度场、海平面气压场、垂直速度场、水汽通量及其散度场响应程度上的差异,最终使海南岛秋汛期降水发生不同程度的减少。

2015/2016超强厄尔尼诺期间非线性水汽平流对中南半岛4月降水异常的影响

由厄尔尼诺事件引起的极端天气气候事件对社会经济与人民生命财产安全有着重要影响。2014-2016年发生的超强厄尔尼诺事件,使得全球许多地区极端天气和气候事件频发。本文关注了中南半岛区域,利用逐月海温、降水、风场、比湿等观测和再分析资料,从环流和水汽输送异常的角度出发,探讨了超强厄尔尼诺事件背景下2016年4月中南半岛降水异常偏少的可能原因。结果表明,2016年4月,在发展强盛的西北太平洋异常反气旋和副热带高压的控制下,中南半岛上空出现异常下沉气流,不利于水汽辐合产生降水。进一步通过动力诊断分析发现,Nino3.4指数与赤道东印度洋和赤道西太平洋之间纬向海温梯度(zonal gradient of SST anomalies, GSSTA)的乘积能很好地指示此次超强厄尔尼诺事件,且中南半岛上空非线性水汽平流的调制作用是造成此区域4月降水异常偏少的重要原因。2015/2016厄尔尼诺事件期间,西北太平洋异常反气旋的南侧东风与GSSTA“引导”的异常西风水汽输送相互“冲突”,削弱了太平洋和孟加拉湾对中南半岛的水汽输送。中南半岛上空大部分水汽呈现出南少北多,东高西低的模态,水汽辐散,不利于降水的形成。2016年4月,在孟加拉湾异常反气旋和西北太平洋异常反气旋的共同作用下,中南半岛对流受到抑制,暖湿气流在异常南风的引导下,向华南输送。

东盟国家应对厄尔尼诺现象的农业措施调整及启示

本文分析了超强厄尔尼诺引发的干旱对东盟国家农业生产的影响,考察了主要东盟国家的应对措施。研究发现,超强厄尔尼诺导致东盟大米和热带经济作物减产,东盟各国纷纷出台文件和战略计划以应对厄尔尼诺,为受灾农户提供灾害补偿或补贴,并积极利用国际援助。在俄乌冲突及贸易保护主义已经造成全球食物系统风险骤增的情况下,东盟主要国家的农业补贴措施逐渐向促生产、增库存、稳粮价等方向转变。面对国际不确定性风险的叠加,中国应进一步完善气象灾害预警和农业防灾减灾机制,强化农业科技投入,提升热带经济作物适应干旱的能力,持续加强全球气候治理合作,增强粮食国际供应链韧性。

北极海冰与CP型厄尔尼诺事件的遥相关

为了进一步认识高低纬度之间事件的遥相关机制,对北极海冰和中太平洋(central Pacific,CP)型厄尔尼诺现象的相互关系进行了深入研究。首先利用最新的观测和再分析数据,验证了北极冷季海冰损失可以引发次年的类CP型厄尔尼诺增暖现象及相应的副热带北太平洋海气耦合机制,阐明北极海冰异常引起春末夏初的北太平洋气压异常,进而导致热带太平洋海温增加和西风异常,最终在冬季发生类CP型厄尔尼诺现象的变暖。依据前人对CP型厄尔尼诺发展年夏季的研究思路,研究结果显示,在CP型厄尔尼诺发展年冷季,加拿大盆地海冰显著减少导致北极海冰范围总体出现异常低值,但在巴伦支海北部因风场作用海冰异常增加。同时揭示了在CP型厄尔尼诺衰退年,暖季北极海冰显著损失,海表面净热通量显著增加以及海表面风和海冰运动等动力效应有助于拉普捷夫海海冰的损失,北极海冰和CP型厄尔尼诺相互关系的理论得到了一定的完善。

厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化周期的影响

厄尔尼诺事件导致极端天气频发,中国沿海城市较多,分布有不同的气候类型。该文开展厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化以及变化是否存在空间差异的分析。基于CMONOC中国沿海地区的GNSS水汽时间序列,综合厄尔尼诺事件(I EP、I_(CP))指数,利用快速傅里叶变换和小波变换方法,从频域和时域开展GNSS水汽时序变化分析,分析东部型与中部型厄尔尼诺事件对中国沿海地区水汽变化的影响。研究发现:GNSS水汽异常值的出现与相应时段的厄尔尼诺事件存在对应。东部型厄尔尼诺(I_(EP))与大部分GNSS站点水汽的相关性为正相关;中部型指数(I_(CP))与GNSS站点水汽的相关性为负相关。厄尔尼诺事件对水汽变化周期的影响,日周期变化较小,在5 d和10 d周期,东部型厄尔尼诺与中部型厄尔尼诺事件影响下的水汽周期小于正常时段的水汽周期。

用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式综述:中间型和混合型模式

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)是地球气候系统中最强的年际变率信号,起源于热带太平洋海气相互作用过程,并对全球的天气和气候等产生显著的影响。过去几十年来,广泛、深入而细致的海气相互作用研究致力于发展和改进海气耦合模式以用于ENSO模拟和预测,各种类型的海气耦合模式应运而生。经过半个多世纪的努力,ENSO数值模式及其应用已经取得了巨大进展,包括已发展了一些高度理想化的概念(concept)模型来解释ENSO准周期性循环(包括正负反馈机制等);同时也已发展了几类复杂程度不同的海气耦合模式并用于对ENSO的真实模拟和实时预测等研究,尤其是已能提前6个月或更长时间对ENSO事件的发生和发展等进行有效的实时预测。其中最为复杂的模式是基于原始方程组的大气环流模式(Atmospheric General Circulation Models,AGCMs)与海洋环流模式(Oceanic General Circulation Models,OGCMs)等所组成的环流型耦合模式(Coupled General Circulation Models,CGCMs),这类模式变量取为完全变量的形式(如总的海表温度场,其可以分解为气候态部分和年际异常部分),还考虑了尽可能详尽的物理过程及其参数化方案。中间型耦合模式(Intermediate Coupled Models,ICMs)是一类介于高度理想化概念模型与复杂的环流型耦合模式之间的简化模式,其对应的控制方程组采用距平形式,直接取大气和海洋年际异常场作为预报变量(如海表温度年际异常),而相应的气候平均态部分则由对应的观测资料来给定;大气与海洋模式间的耦合采用异常耦合(anomaly coupling)。混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models,HCMs)是另一类简化的海气耦合模式,其中海洋或大气模式有一个分量模式采用了简化的距平类模式(类似于ICMs),而另一个分量模式则采用环流型模式(General Circulation Models,GCMs);如可采用统计的大气风应力年际异常模式与OGCM间的耦合而构建一种HCMOGCM,也可采用简化的海洋距平类模式(如ICM中的海洋分量模式)与AGCM间的耦合而构建另一种HCMAGCM。历史上,ICMs、HCMs和CGCMs等这几类耦合模式都在ENSO理论体系的发展、数值模拟和实时预测等方面都起到了重要作用。本文主要回顾作者与合作者所研发的ICMs和HCMs的构建、特点和应用例子等。

海气耦合动力学理论的系统整理——《海气耦合动力学:从厄尔尼诺到气候变化》评介

由谢尚平教授主编的《海气耦合动力学:从厄尔尼诺到气候变化》汇聚了海气耦合动力学的经典学术理论和最新研究成果,通过比较的观点呈现气候变率和气候可预报性的全新视角,能够为海气耦合动力学、气候变化教学和研究等提供非常有益的参考。

2023-2024年厄尔尼诺或使某些地区平均气温破纪录

从现在到2024年6月,全球多个地区——包括孟加拉湾、菲律宾、加勒比海——可能会因持续的厄尔尼诺现象出现破纪录的平均地表气温。厄尔尼诺-南方涛动集中在热带太平洋,是全球气候波动的主要驱动因素。无论是其中偏暖的厄尔尼诺阶段还是偏冷的拉尼娜阶段都会影响气象条件,厄尔尼诺期间从西太平洋释放的热浪会导致年全球平均地表温度(GMST)加速上升。

安徽春季连阴雨与不同类型厄尔尼诺/拉尼娜衰减年的关系

研究安徽省最近几十年春季连阴雨变化规律及其与厄尔尼诺/拉尼娜事件的关系,对提高春季连阴雨认识和防灾减灾具有重要意义。基于1961—2018年安徽省77站逐日降水量和日照时数、美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,采用EOF、合成等方法分析了安徽省春季连阴雨的变化特征,并探讨不同类型厄尔尼诺/拉尼娜衰减年对春季连阴雨的可能影响。结果表明:近58 a安徽春季连阴雨日数、频次和最长连阴雨过程天数均呈北少南多的分布特征,其中江南南部是大值中心。连阴雨日数具有明显的减少趋势,平均每10 a减少1.0 d。连阴雨日数变化主要为全省一致型和南北反向型。东部型厄尔尼诺(拉尼娜)衰减年对应安徽春季连阴雨日数偏多(少),中部型厄尔尼诺/拉尼娜衰减年均有利于连阴雨日数偏少。东部型厄尔尼诺(拉尼娜)衰减年对应春季西太平洋副热带高压明显偏强(弱)偏北(南),厄尔尼诺衰减年日本海高压偏强,欧亚中高纬500 hPa高度场为两脊一槽(一槽一脊)形势,乌拉尔山高压脊(低压槽)明显,贝加尔湖为宽广低槽(高压脊),槽底部(脊前)冷空气持续南下,与西北太平洋异常反气旋(气旋)西侧的西南暖湿(东北)气流在江淮上空不断汇合,有利于安徽春季连阴雨日数偏多(少)。中部型厄尔尼诺衰减年西太平洋副热带高压偏强偏西偏南、外兴安岭为低压槽,中部型拉尼娜衰减年贝加尔湖和西太平洋均为异常气旋性环流,江淮地区均受偏北风控制,对应春季连阴雨日数偏少。

全球变暖和厄尔尼诺事件

厄尔尼诺事件与全球冷暖和旱涝密切联系,因此一直是受到关注的问题[1]。本文综述在全球变暖背景下,观测到的厄尔尼诺变化和与人类活动的关系以及预估未来在全球变暖背景下的变化。

厄尔尼诺次年广西前汛期降水量差异成因分析

利用1981年以来广西前汛期降水量、NCEP/NCAR再分析资料、英国Hadley中心海表面温度资料以及国家气候中心的大气环流指数、海温指数和积雪指数等资料,采用合成、相关计算方法,分析了厄尔尼诺次年广西前汛期降水量差异的成因。结果表明,厄尔尼诺次年广西前汛期降水偏多时,500hPa副热带高压更强更大更偏西,乌拉尔山高压脊偏强但东亚槽偏弱,西西伯利亚分裂西风槽东移,引导冷空气主要从西路、中路南下影响广西。外强迫因子中,NINO3.4、IOBW、青藏高原积雪面积和西太副高强度、脊线和西伸脊点正相关,NAT则为反相关;IOBW、SIOD对东亚槽强度作用相反,IOBW正位相有利于东亚槽偏弱,SIOD正值则东亚槽偏强;TIOD、SIOD负值有利于贝湖至巴湖高度值低,不断分裂西风槽东移南下。因而不同的海温关键区分布形态和高原积雪面积配置引起500hPa影响系统的差异,从而造成厄尔尼诺次年广西前汛期降水量的差别。

两类厄尔尼诺背景下MJO对太平洋阻塞频率的调节作用

本文基于1979~2019年ERA-interim逐日再分析数据和二维阻塞指数,探究了冬季两类(中部型和东部型)厄尔尼诺背景下热带季节内振荡(MJO)对太平洋地区阻塞频率的调节作用。本研究选取出现频次较高且平均振幅较强的位相3和7进行研究。结果表明,在两类厄尔尼诺背景下MJO第3位相期间,MJO激发的遥相关位置相似,均对应极地地区(白令海地区)正(负)的位势高度异常,从而使高纬度太平洋地区均出现正的阻塞频率异常。在东部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(EP7)期间中高纬太平洋地区存在正的阻塞频率异常。但是在中部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(CP7)期间没有大范围显著的异常阻塞频率。这是因为EP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区的西北部,使得MJO的遥相关可以传至50°N以北,引起中高纬度地区有利于阻塞频率增加的位势高度异常。然而CP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区内部,使得对应的遥相关仅在副热带急流中传播,对高纬度地区的位势高度影响较小,导致该时期内没有大范围显著的阻塞频率异常。最后本文使用ECHAM4.6气候模式验证了上述结论。

冬季厄尔尼诺发生期日本海太平洋褶柔鱼耳石外形的生长特征

太平洋褶柔鱼是西北太平洋海域重要的头足类资源,深入了解其渔业生态学特性是充分开发该资源的基础。耳石是研究头足类年龄与生长、种群结构和生活史的重要材料。根据2018年厄尔尼诺发生期冬季(12月)我国鱿钓船在西北太平洋日本海海域生产调查期间采集的530尾太平洋褶柔鱼样本,首次对厄尔尼诺发生期太平洋褶柔鱼的耳石外形生长特征进行了报道。结果显示,日本海太平洋褶柔鱼的耳石具有较宽大的背区、侧区和翼区,以及较狭长的吻区。主成分分析表明,耳石总长(TSL)、侧区长(LDL)、翼区长(WL)和最大宽度(MW)可以作为描述日本海太平洋褶柔鱼耳石外形生长特征的表征参数。协方差分析表明,耳石各外形表征参数与胴长、体重间的生长关系不存在性别间显著性差异。赤池信息准则表明,TSL、LDL、MW与胴长、体重的生长关系适用幂函数生长模型表示,WL与胴长、体重的生长关系适用线性生长模型表示。研究表明,随着个体的生长,太平洋褶柔鱼耳石整体外形轮廓绝对尺寸的生长逐渐减缓,但耳石整体外部轮廓的相对尺寸基本维持原状。本实验为后续利用耳石研究太平洋褶柔鱼的生活史过程提供了参考,也为研究异常气候事件对头足类硬组织生长的影响提供了科学依据。

厄尔尼诺对中国东部季风区夏季不同持续性降水的影响

利用1961—2018年中国地面气象台站常规观测降水数据,探讨了不同分布型厄尔尼诺事件对中国东部地区降水持续性结构的影响,进一步分析了不同区域持续性降水变化的原因。东部型厄尔尼诺事件中北异常雨带(华北、内蒙古和东北南部)主要是由于短持续性降水频率和强度同步增大造成的,短持续性降水对该区域降水异常的贡献率超过80%;南异常雨带(长江流域)形成的原因则是长持续性降水频率和累计降水日数比例同步增多。中部型厄尔尼诺事件中的异常雨带(华北南部、东北南部、黄淮和江淮地区)形成最主要的原因是短持续性降水量异常增大,其贡献占比约为60%,其次是长持续性降水,占比约为24%;短持续性降水的增加主要表现为频率增加和强度增大,而长持续性降水增加主要发生在雨带南部,是频率和累计日数比例同时增大的结果。两类厄尔尼诺事件次年夏季,中国东部地区短持续性降水的变化对总降水量异常变化的贡献最大,在长江流域长持续性降水的增强对总降水量增加也有重要作用;异常雨带形成的最主要原因是短持续性和长持续性降水频率的明显增加。

厄尔尼诺-南方涛动影响下月尺度水文模型参数可移植性

以浙江省3个流域作为研究对象,采用两参数月水量平衡模型(XM模型)和四参数月水量平衡模型(ABCD模型),结合极大似然不确定性估计方法(GLUE)对水文模拟的不确定性区间进行估计,在此基础上,研究不同模型在ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)和不同流域地理情况下的参数移植能力。结果表明,厄尔尼诺时期的参数移植至拉尼娜时期,模型模拟效果要略好于拉尼娜时期的参数移植至厄尔尼诺时期;参数少的模型(XM模型)参数移植合格率要优于参数多的模型(ABCD模型);相邻流域间的参数移植效果要明显优于距离较远的流域;ABCD模型具有更好的空间可参数移植能力。

厄尔尼诺(ElNino)事件与东南沿海热带气旋活动的相关分析

统计分析了近50 a(1949～1998年)厄尔尼诺(ELNINO)事件以及我国东南沿海热带气旋历史资料,得出了厄尔尼诺(ELNINO)事件与我国东南沿海热带气旋的活动频数、移动路径、强度以及相关灾害的关系。

厄尔尼诺事件年际变化与我国华北夏季干旱的关系

厄尔尼诺(El Niño)事件对全球气候尤其区域旱涝有重大影响,是开展气候预测的重要信号来源。为认识厄尔尼诺对华北夏季旱涝的影响规律和改进预测技术,基于1961—2022年2400多测站月降水量、NOAA重构的月海表温度数据和NCEP/NCAR再分析环流数据等,采用季节演变经验正交函数分解(SEOF)、环流异常回归重构、环流合成分析等方法,综合分析厄尔尼诺事件年际变化与华北夏季旱涝的关系及其影响机制。结果表明:(1)华北夏季降水与当年夏季El Niño状态呈显著负相关,即当年春季El Niño开始出现,夏季发展且强度较强,则华北夏季降水显著偏少,易发生干旱。进一步分析发现,海表温度从上年春、夏、秋、冬La Niña型转为当年春、夏、秋、冬El Niño型时,华北地区夏季降水显著偏少,易发生干旱。(2)El Niño主要通过调节高、低空环流影响华北夏季降水,其诱发的当年夏季200、500、850 hPa环流型与华北夏季干旱年环流型一致。(3)当200 hPa华北地区及北侧西风急流偏弱时,由高空扰动造成的上升运动会明显偏弱;500 hPa西太平洋副热带高压位置偏南,华北处于“东低西高”环流型控制下,低槽系统东移速度快,不利于华北维持长时间降水过程;850 hPa热带印度夏季风、东亚副热带夏季风偏弱,华北缺乏有效的水汽输送。这种高、低空环流配置会造成华北夏季降水偏少,易发生干旱。

2015—2020年中国臭氧污染时空演化及其与厄尔尼诺-南方涛动的关系研究

为研究2015—2020年我国近地面臭氧(O_(3))污染时空演化特征以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对我国O_(3)污染的影响,本文基于2015—2020年我国近1500个监测站点的O_(3)浓度数据(不包括港澳台地区数据),综合运用空间自相关、热点分析、异常值分析及回归分析,研究2015—2020年我国O_(3)污染的时空演化、浓度异常特征及其与ENSO事件和气象因素的关系.结果表明:(1)2015—2019年我国O_(3)污染集聚效应不断增强,但2020年显著降低.(2)我国O_(3)浓度呈先升高(2015—2018年)后下降(2018—2020年)的特征,2017年、2018年O_(3)年均浓度分别较上一年升高8.72%、1.76%,2019年、2020年O_(3)年均浓度分别较上一年下降3.60%、3.66%.除2019年、2020年外,O_(3)浓度高值聚集区站点的O_(3)浓度峰值和高值天数(日均值大于120μg/m^(3)的天数)均大于O_(3)浓度低值聚集区站点.(3)O_(3)高浓度时期为每年的4—10月.O_(3)高浓度区域春、夏两季以华北为核心,秋季向华南和东南地区转移.(4)回归分析表明,我国O_(3)浓度正异常与ENSO负相拉尼娜相关,O_(3)浓度负异常与ENSO正相厄尔尼诺相关.我国东南部O_(3)浓度异常主要受ENSO期间太阳辐射异常和降水异常的影响,而西部和北部地区O_(3)浓度异常主要受ENSO期间风速异常的影响.研究显示,2015—2020年我国O_(3)平均浓度呈先升高后降低的变化趋势,O_(3)高浓度时期以春、夏两季为主,O_(3)高浓度区域随季节而发生变化,且不同区域O_(3)污染变化特征不同,ENSO对我国不同区域O_(3)污染的影响机制不同.

2023/2024年厄尔尼诺事件对巴拿马运河区域干旱的影响分析

ENSO(El Niño-Southern Oscillation)是短期气候年际变化中最强的信号,它对全球气候的短期变化有着重要影响。ENSO虽然发生在热带太平洋地区,但其影响却波及全球。例如,厄尔尼诺期间,巴拿马地区容易发生干旱,这将对巴拿马运河的航运产生重大影响。近期报道显示,自2023年春季以来,巴拿马运河地区一直受到干旱影响,造成运河水位异常偏低,出现近8 a来最严重的堵塞情况。针对这一极端现象,采用标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evaportranspiration Index,SPEI)分析巴拿马运河区域的干旱状况,探究干旱累积效应在不同时间尺度的显著性。进一步从ENSO(以Niño3指数为代表)事件对巴拿马运河区域降水及蒸发的物理影响角度出发,深入分析该区域干旱成因,并基于最新的ENSO预测结果,预判巴拿马运河区域干旱在未来半年内仍将会维持并进一步加剧,对该区域应对未来干旱状况具有重要意义。