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。

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。

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。

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.

厄尔尼诺/南方涛动事件对云南秋季气象干旱的不同影响分析

云南是我国干旱灾害高发区,为增进厄尔尼诺/南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)对云南干旱影响的认知,提升云南秋季气象干旱预测能力,采用1979—2022年云南125个气象站逐日降水资料、英国国家气象局哈德莱中心(Hadley Center)逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代再分析资料(the Fifth Generation of European Reanalysis,ERA5),揭示两类ENSO事件对导致云南秋季气象干旱的降水异常影响及相应的物理过程。结果表明:(1)中部(Central Pacific,CP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水以偏少为主;东部(Eastern Pacific,EP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水则以偏多为主,且EP型El Niño是云南秋季降水偏多的强信号。(2)EP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度场在欧亚大陆中低纬呈负距平,西太平洋副热带高压偏西,西南暖湿气流与冷空气在云南交汇,中低层以上升运动为主,有利于降水产生。CP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度在云南附近为正距平,加之向外长波辐射正异常,对流活动较弱,不利于云南地区的降水。(3)ENSO事件SST异常激发的赤道西北太平洋气旋(反气旋)环流的位置东西偏移是导致云南秋季降水异常的重要因素。

黑潮入侵南海的强弱与太平洋年代际变化及厄尔尼诺-南方涛动现象的关系

在黑潮入侵南海强弱的问题上,到底是太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)还是厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)现象在起关键作用,目前还存在着较大争议。本文先以高盐水作为黑潮入侵强弱的示踪物,用120°E断面的高盐水数据和北赤道流分叉点(North Equator Current Bifurcation,NEC-Y)的南北变动进行相关分析,接着,进一步用学者所用的黑潮入侵指数(KI指数,Kuroshio intrusion index和NEC指数,North Equatorial Current index)与北赤道流分叉点南北变动进行相关分析。最后,用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法和相关关系分析法分别分析了PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点南北变动的关系并用NECP风场数据探讨其影响机制。结果表明:(1)通过对120°E断面的高盐水的KI指数、NEC指数与NEC-Y的相关分析,表明了北赤道流分叉点的南北变动能够很好地指代黑潮入侵南海的强弱;(2)通过PDO指数和Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动的相关性分析,发现PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动都具有较好的相关性,都在0.5水平。这些良好的相关性表明了PDO和ENSO对黑潮入侵南海的强弱都具有重要的影响;(3)当处于厄尔尼诺年(拉尼娜)时,赤道太平洋发生西(东)风异常,使得北赤道流分叉点偏北(南),使吕宋岛东侧的黑潮流速减弱(加强),黑潮入侵南海增强(减弱);当PDO处于暖(冷)阶段时,会加强热带太平洋的西(东)风异常,使得黑潮入侵南海增强(减弱)。

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的战略部署与研究热点

厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)影响着全球气候,被认为与众多全球灾害性天气事件有关。为了更好地了解ENSO研究的发展趋势及其对全球海洋事务的影响,本文对WCRP、GOOS和TPOS 2020等与ENSO研究相关的国际研究计划和各国家地区的ENSO研究战略情况进行梳理,并结合VOSviewer文献计量学方法进行分析,探讨ENSO研究的国际发展趋势及研究热点,以便为我国ENSO相关研究与决策提供参考。

福建省1956-2013年降雨侵蚀力与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的关系

选取1956—2013年福建省57个主要气象站点日降雨量数据,采用日降雨侵蚀力模型计算降雨侵蚀力,分析厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对福建省降雨侵蚀力的影响。结果表明,虽ENSO对福建省不同区域的气象站点的影响存在差异,但总规律为:(1)福建省降雨侵蚀力年际变化和年内变化较大,总体呈现略微波动上升的趋势;(2)福建省降雨侵蚀力与赤道太平洋中东部海洋表面温度(SST)距平值呈现极显著相关。厄尔尼诺(El Nio)时期降雨侵蚀力较拉尼娜(La Nia)时期大,但均低于福建省平均降雨侵蚀力;(3)降雨侵蚀力与南方涛动指数(SOI)和多变量ENSO指数(MEI)存在极显著相关。通过分析ENSO对福建省降雨侵蚀力影响,为福建省土壤侵蚀的预测和土壤保持提供参考和依据。

厄尔尼诺-南方涛动现象对中西太平洋鲣鱼围网渔场的影响

厄尔尼诺-南方涛动现象(EL Ni o Southern Oscillation)是引起全球气候变化的最强烈的海-气相互作用现象,对世界渔业生产具有重要影响。本研究利用1982~2001年Ni o 3.4区海表温度与中西太平洋(20°N^20°S、120°E^150°W)鲣鱼围网单位捕捞努力量渔获量经度重心的关系,就厄尔尼诺-南方涛动现象对中西太平洋鲣鱼围网渔场变动的影响进行分析研究。结果表明,厄尔尼诺-南方涛动现象对中西太平洋鲣鱼围网渔场的空间分布有显著影响,厄尔尼诺发生时,鲣鱼围网单位捕捞努力量渔获量经度重心随着暖池的东扩而东移,拉尼娜发生时则随着暖池向西收缩而西移。同时,Ni o 3.4区海表温度与鲣鱼围网单位捕捞努力量渔获量经度重心有显著相关关系(Pearson相关系数r=0.186,P<0.01),因此,可将Ni o 3.4区海表温度作为预报、预测中西太平洋鲣鱼围网渔场位置的一个重要指标。

近57年厄尔尼诺-南方涛动事件对哈尔滨地区气候的影响

选取哈尔滨地区空间位置构成三角区域的哈尔滨站、尚志站、通河站三个台站日气象数据:利用统计分析方法研究了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件对1955—2011年的平均气温、降水量的影响。结果表明:近57年来哈尔滨地区气温以0.32℃?(10a)^(-1)的速率升高,超过全国平均升温值0.26℃?(10a)^(-1);降水量以^(-1)4.21 mm?(10a)^(-1)的速率减少,比全国平均水平减少的更快。小波分析表明:哈尔滨气温变化在30 a的时间尺度上存在4 a和7 a的周期;降水量变化存在24 a的主周期。ENSO暖事件年哈尔滨气温略有升高,降水量略有减少;ENSO冷事件年的气温、降水变化与华北、西北地区不同,气温明显升高,降水明显减少,ENSO冷事件对哈尔滨地区气候影响较大。哈尔滨地区在ENSO冷事件年发生旱灾的可能性更大。本文研究可为哈尔滨地区减少旱涝灾害损失提供指导。

粒子滤波同化在厄尔尼诺-南方涛动目标观测中的应用

针对粒子滤波—目标观测方法的局限性,提出了能够克服该局限性的新目标观测方法,并将其应用于厄尔尼诺—南方涛动可预报性研究,揭示了东太平洋型厄尔尼诺事件和中太平洋型厄尔尼诺事件的目标观测敏感区。通过同化该敏感区的目标观测,显著减小了两类厄尔尼诺事件的预报不确定性,验证了新方法揭示的目标观测敏感区在改进厄尔尼诺预报技巧中具有更加重要的作用。

厄尔尼诺-南方涛动海-气振子系统的同伦映射解（英文）

厄尔尼诺-南方涛动是一个涉及赤道太平洋海-气交互作用的年际现象.本文的目的是创建一个求解厄尔尼诺-南方涛动模型非线性系统的渐近方法.首先利用线性齐次常微分系统的特征值理论得到了对应初值问题的解,并以此解为原系统的零次近似解,然后利用同伦映射关系式依次构造原系统的各次迭代解,最后在这基础上借助同伦映射方法研究了厄尔尼诺南方涛动系统海-气振子对应问题的渐近解,并证明了得到的渐近解的一致有效性.从得到的结果看出,同伦映射方法能够用于分析厄尔尼诺-南方涛动系统在赤道东太平洋中的海表温度异常和海-气振子的温跃层深度异常.

具广义非线性阻尼项的11年周期太阳循环强迫厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)系统的周期解问题

本文讨论一类厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)系统的周期解问题.首先建立一类具广义非线性阻尼项的11年周期太阳循环强迫厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)系统;其次得到对应无阻尼系统的精确解,以及得到对应自治系统的周期解不存在性结果;再次运用Mawhin重合度理论,得到该模型的周期解存在性结果,推广了已有的结果;最后举例证明本文结果的正确性.

南海西沙海域温度异常对厄尔尼诺-南方涛动活动的响应

利用1958—2005年西沙永兴岛气象观测站逐月气温资料、美国国家海洋大气部(NOAA)提供的1866—2014年逐月海表温度(SST)资料、逐月ENSO指数(MEI)、南方涛动指数(SOI)分析了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件与南海西沙气温、海温异常的关系。1958—2005年西沙群岛永兴岛观测站气温与MEI指数比较分析显示:西沙群岛气温正距平百分率积累值阈值能较好地响应75.00%的中等及其以上强度厄尔尼诺事件;西沙气温负距平百分率积累值阈值能较好地响应100%的中等及其以上强度拉尼娜事件。1866—2014年西沙海域SST异常与同期SOI指数对比分析表明:西沙SST正距平百分率积累值阈值能对76.47%的中等及其以上强度的厄尔尼诺有较好的响应;西沙SST负距平百分率积累值阈值能对79.41%的中等及其以上强度的拉尼娜事件有较好的响应。该研究结果表明西沙气温、SST距平百分率积累值阈值法能够得到中等及其以上强度ENSO事件的良好记录,这为利用南海高分辨率珊瑚、砗磲重建所得到的古温度记录定量重建过去ENSO事件提供了可靠的科学依据。

厄尔尼诺及南方涛动对杉木生长影响的研究

通过对 2 0多年来 ENSO事件的发生与杉木人工林胸径生长关系的研究 ,探讨全球气候异常对林木生长动态的影响。结果表明 :厄尔尼诺及南方涛动对杉木人工林胸径生长存在显著影响 ( α=0 .1 0 )。以南方涛动为自变量 ,建立杉木人工林胸径生长模型 ,模拟精度达93.61 % ,为林木生长预测提供了新途径。

海-气振子厄尔尼诺-南方涛动模型的周期解

运用重合度理论探讨一类非线性问题的周期解的存在性,然后将其应用于一个厄尔尼-南方涛动(ENSO)的时滞耦合系统振荡模型周期解问题的研究,得知该模型存在周期解。

年代际尺度厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对东亚夏季风的调制作用

东亚夏季风变化规律和驱动机制的研究是气候研究的重要方向,对较长时间尺度上东亚夏季风的变化进行进一步分析能够提供重要线索。采用前人重建的过去2000年和尚洞高分辨率石笋氧同位素（δ^18 O）记录,通过奇异谱方法分解之后进行重建,发现前4个组分重建的序列反映了百年以上尺度东亚夏季风的演化,而组分5～16重建的序列则与年代际尺度上厄尔尼诺-南方涛动（El Nino Southern Oscillation-ENSO）的变化良好相关,反映了这一时间尺度上ENSO对东亚夏季风的调制作用。组分5～16重建的过去2000年序列中显著的77年和44年周期可能是ENSO传递的太阳活动信号。

赤道太平洋障碍层的年际演变及其与厄尔尼诺-南方涛动事件的关联

利用2004-2017年BOA_Argo网格数据集系统分析了赤道太平洋障碍层厚度的年际演变及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的关联.在年平均意义上,热带太平洋障碍层在暖池区存在明显的年际变动,其厚度变化幅度可达15m以上.多变量经验正交函数分解的主模态表明:西太平洋暖池区降水与障碍层的异常场分布型态吻合,都呈现明显的东(正)西(负)反相位分布,降水的正(负)异常造成了障碍层的正(负)异常;且与ENSO事件高度相关(相关系数0.87),存在显著的2~4年的年际变化主周期信号.针对赤道太平洋障碍层的纬向迁移分析表明:对应于厄尔尼诺(拉尼娜)年,赤道太平洋偏厚的障碍层位置显著东(西)移,且与暖池东部边缘和海表盐度(SSS)锋的纬向迁移大致处于同一位相.在大多数情况下,较厚的障碍层局限于暖池的东部边缘内(170°W以西),位于SSS锋附近或偏西;SSS锋附近的障碍层可能归因于水平平流、强降水及开尔文波.在2015年9月至2016年2月期间,赤道中太平洋的SSS锋消失,对应着厚障碍层的消失,表明厚障碍层的位置与西太平洋暖池东部边缘内SSS锋的纬向位置密切相关.

厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)对我国气候的影响

厄尔尼诺／南方涛动（ENSO）对我国气候有重要影响，本文通过查阅历史文献，获取我国气候异常的信息，并对气候资料进行详细统计分析，探讨ENSO与我国气候异常之间的相关联系，并得出ENSO影响下，夏季西太平洋副热带高压的强度和西伸变化是我国气候异常的主要大气环流特征。

在厄尔尼诺-南方涛动期间热带对流层环流的经验模式I建立经验模式的方法

文章根据美国国家气象中心的风场客观分析资料提出了建立厄尔尼诺－南方涛动（ＥＮ－ＳＯ）期间低纬度大气环流经验模式的一些基本原则。提供了划分ＥＮＳＯ演变位相的操作方法，方法基于对该现象发生过程的新观点并可对任何现象实施这种操作，而不必管其起始时间（季节）。研究了计算流函数和散度风速度势的方法。根据以后的１９９４～１９９５年的ＥＮＳＯ独立资料估计了所提供的方法的可靠性。