CMIP6年代际气候预测计划(DCPP)概况与评述

年代际气候预测计划(DCPP)是第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的子计划之一,其目标是利用多模式开展气候系统年代际预测、可预测性和变率机制研究。DCPP设计了3组试验,即年代际回报试验、预报试验以及理解年代际变率机制和可预测性的敏感性试验。目前有21个模式拟参与DCPP计划,其中包括5个来自中国的模式。DCPP将推动解决气候系统从年际到年代际尺度预测相关的多项科学问题,评估当前气候预测系统预报技巧,挖掘潜在可预报性,研究长时间尺度气候变率形成机制,提供对科学和社会有用的预测产品。

基于循环神经网络的欧亚中高纬夏季极端高温年代际预测模型研究

近几十年来频繁发生的极端高温事件严重威胁着自然生态系统、社会经济发展和人类生命安全。针对生态环境脆弱的欧亚中高纬地区,首先评估了当前主流动力模式(CMIP6 DCPP)对于该地区夏季极端高温的年代际预测水平,并构建了基于循环神经网络(Recurrent Neural Networks,RNN)的年代际预测模型。多模式集合平均(Multi-Model Ensemble,MME)的评估结果显示,得益于大样本和初始化的贡献,当前动力模式对于60°N以南区域(South Eurasia,SEA)展现了预测技巧,准确预测出了其线性增长趋势和1968—2008年间主要的年代际变率,然而模式对于60°N以北区域(North Eurasia,NEA)极端高温的年代际变率几乎没有任何预测技巧,仅预测出比观测低的线性增长趋势。基于86个初始场的动力模式大样本预测结果,RNN将2008—2020年间NEA和SEA极端高温的年代际变率预测技巧显著提高,距平相关系数技巧从MME中的-0.61和-0.03,提升至0.86和0.83,均方差技巧评分从MME中的-1.10和-0.94,提升至0.37和0.52。RNN的实时预测结果表明,在2021—2026年,SEA区域的极端高温将持续增加,2026年很可能发生突破历史极值的极端高温事件,NEA区域在2022年异常偏低,而后将呈现波动上升。

川渝地区主汛期降水的年代际变化与短期气候预测模型的建立

利用1951—2007年川渝地区20个代表站主汛期的降雨量资料、太平洋逐月海温资料和NCAR/NCEP逐月再分析资料,通过EOF等方法,研究了川渝地区主汛期降水的年代际变化,并建立了短期气候预测模型。结果表明,川渝地区主汛期降水主要模态存在明显的年代际变化,不同时段降水异常最主要的模态存在差异,从20世纪90年代初开始,全盆地降水异常一致型是最主要的模态。用前期赤道中东太平洋的海表温度、北大西洋地区的西风强度、西北太平洋极涡强度和东亚大槽强度作为预测因子,建立的降水预测模型对近年川渝地区汛期降水有较强的预测能力。降水主要模态的年代际变化及其所对应的前期预测因子的变化是影响模型预测能力的关键因素。

IAP-DecPreS年代际气候预测系统及其预报技巧

针对未来1~10 a气候状态的近期气候预测(年代际预测)是当前国际气候领域的研究热点。本文综述了中国科学院大气物理研究所发展的基于耦合气候系统模式的年代际气候预测系统IAP-DecPreS相关的研究进展。IAP-DecPreS系统的核心部分是耦合模式海洋分量初始化方案,“集合最优插值-分析增量更新”(EnOI-IAU)方案,该方案将集合最优插值(EnOI)和增量分析更新(IAU)结合起来,能够同化原始的海洋次表层温度廓线观测资料,对耦合模式进行初始化。系统的年代际回报试验表明,IAP-DecPreS对太平洋年代际振荡和大西洋多年代际变率的预测技巧与耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)技巧较高的模式相当。IAP-DecPreS系统被广泛应用于气候预测相关研究,包括火山气溶胶对年代际预测技巧的影响,全场同化和异常场同化两种不同的初始化方法对ENSO、印度洋偶极子模态和印度洋洋盆模态等的预测技巧的影响。最后,结合国际发展态势,对未来IAP-DecPreS的发展进行了讨论。

季节-年代际气候预测国际研讨会简介

1概况 世界气候研究计划（WCRP）于2013年5月13—16日在法国气象局召开“季节-年代际气候预测国际研讨会（S2d2013）”。此次研讨会由WCRP的季节-年代际预测工作组（WGSIP）和气候模式工作组（WGCM）联合举办。会议旨在讨论和总结当前国际上季节-年代际时间尺度的气候预测技术进展，

美国第23届气候诊断与预测年会

介绍１９９８ 年１０ 月于佛罗里达州召开的第２３ 届气候诊断与预测年会，着重讨论了如下７ 个问题：１９９７／１９９８ 年厄尔尼诺、１９９７／１９９８ 年 Ｅ Ｎ Ｓ Ｏ 的预测、 Ｅ Ｎ Ｓ Ｏ 影响的研究、 Ｅ Ｎ Ｓ Ｏ 的年代际变率、年代际气候变率、气候预测业务及气候可预报性研究。

年代际气候变化的研究进展

年代际气候变化是月、季、年际气候变化及预测的背景。20世纪90年代以来,年代际气候变化的研究引起了国内外学者的极大关注,开展了大量富有成效的研究工作。本文从大气环流、中国气温和降水、海洋以及海气系统等4个方面对年代际气候变化的研究进展进行了总结,提出了年代际气候变化,尤其是东亚地区的年代际气候变化研究需要进一步解决的科学问题。

美国第25届气候诊断与预测年会

文章介绍了 2 0 0 0年美国第 2 5届气候诊断与预测年会。着重讨论了如下 8个问题 :最近的ENSO特征 ,气候异常的诊断 ,季风降水 ,ENSO预测 ,ENSO影响的模拟 ,陆面过程 ,模式预测与可预报性 。

美国第22届气候诊断与预测年会

文章介绍了1997年第22届气候诊断年会，着重讨论了如下5个问题：1997年的厄尔尼诺预报、年代际气候变率、美洲季风与亚洲季风、季度气候预测、气候可预报性研究。

CMIP6年代际试验对中国气温预测能力的初步评估

利用参加第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)年代际气候预测计划(DCPP)的加拿大CanESM5模式和日本MIROC6模式的结果,评估了模式对中国近地面气温的预测能力。在年代际尺度上,两个模式年代际试验对近地面气温的回报技巧均高于历史试验的模拟能力,采用海温初始化可以提高模式对中国近地面气温的年代际预报技巧。对年代际回报试验的进一步分析表明,两个模式均能较好地预测年平均气温的变化;对季节平均气温,模式在秋季的回报技巧最高,在冬季较低。就区域平均气温而言,两个模式对中国各个地区年平均和季节平均气温都有较高的回报技巧,其中我国南方和西部地区的气温回报技巧比北方高。年平均以及春季、冬季的气温年代际回报技巧总体随提前时间的增加而降低,夏季和秋季的气温回报技巧随提前时间的增加提高。各区域内年代际预测技巧随提前时间的变化特征与全国整体基本一致。

中国气候预测研究与业务发展的回顾

天气预报是指一周内至两周时间尺度的气象预报,而月季及以上时间尺度的预报则属于气候预测范畴。中国的气候预测起步很早,无论在研究工作中还是在业务应用上都取得了显著成就。文中扼要回顾了这些研究和业务发展成就,重点包括:对于季风和梅雨、寒潮的早期认知和后期研究发现、早期气候预测业务发展概况、动力气候预测的早期探索、动力-统计气候预测方法的研制和应用、气候预测模式的发展以及初始化和多模式集合预测、东亚气候系统变异的全方位探索、气候预测范畴的不断拓展和气候预测研究的不断创新。也对未来气候预测研究和业务发展提出了几个重大挑战性课题,涉及不同时间尺度气候变异过程之间的相互作用、季节内至年代际气候预测、气候系统模式及初始化、动力-统计相结合的气候预测方法等方面。

BCC_CSM1.1对10年尺度全球及区域温度的预测研究

近期10～30年时间尺度的年代际预测是第五次耦合模式国际比较计划(CMIP5)重要内容之一。按照CMIP5试验要求,国家气候中心利用气候系统模式BCC_CSM1.1完成并提交了年代际试验结果。本文评估了该模式年代际试验对10年尺度全球及区域地表温度的预测能力,并通过与20世纪历史气候模拟试验的对比分析,研究模式模拟对海洋初始观测状态的依赖程度。分析结果表明:(1)在有、无海洋初始化条件下,模式均能模拟出1960～2005年间全球10年平均实测地表温度的变暖趋势,但在有海洋初始化条件下,可以明显减小BCC_CSM1.1模式模拟的全球升温趋势,使得年代际试验比历史试验的结果更接近观测值。这一特点在观测资料相对丰富的南北纬50°以内地区更为显著。(2)在年代际试验预测前期,通过Nudging方法,利用SODA再分析海洋温度资料对模式进行初始化,经过前期8～12月的协调后,模式预测的第1年南北纬50°范围海洋、陆面的平均地表气温接近于观测值(CRUTEM3,HadSST2)。由于模式初值SODA再分析SST资料与HadSST2观测值存在明显的全球大洋系统暖偏差以及模式本身系统偏差的影响,年代际试验模拟的地表气温在2～7年之内,从观测SST状态逐渐恢复到模式系统本身状态。在同组Decadal试验中,陆面和海洋恢复调整的时间长度几乎一致。(3)从10年平均气候异常在区域尺度上的预报技巧来看,有、无海洋初始同化对预测结果影响不大,高预测技巧区主要分布在南半球印度洋中高纬度、热带西太平洋以及热带大西洋区域。(4)SST变化与下垫面热通量密切相关,在热带和副热带海洋区域,长波辐射和感热通量是影响10年时间尺度SST变化较大的物理量,在中高纬度海洋,洋面温度变化主要受潜热通量的影响相对较大。

南涝北旱的年代气候特点和形成条件

通过研究最近 5 0年我国夏季降水分布的年代际及年际气候变化特征 ,以及对 2 0世纪90年代至今夏季旱涝趋势的对比分析 ,讨论了夏季主要雨带位置南移的气候趋势 ,以及亚洲大陆高压、ENSO事件对夏季降水的影响关系。结果表明 ,2 0世纪 90年代后期开始我国夏季旱涝分布气候态发生较大的变化 ,这可能预示夏季进入南涝北旱的年代气候时期。这些结果对于降水的年代气候预测和短期气候预测都具有重要意义。

系统误差订正方法在热带海温年代际试验中的应用研究

国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1参与了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)的年代际试验,研究中采用了一种系统误差的订正方法对该模式年代际试验的回报数据进行订正,检验了该方法能否提高模式对热带SST的回报效果。对1960-1990年每5年开展一组的年代际回报试验分析表明,未订正前,年代际试验尽管使用了观测海温资料进行初始化,但对随后海温的实际演变预测能力很低。不同组起报时间的回报试验对逐月海温的预测与对应时段的观测资料,仅在西太平洋及热带北大西洋海域存在一致的正相关关系。经订正后,考虑了模式回报与观测之间误差的统计信息,对全球海温的回报技巧明显提高,尤其是在热带太平洋和南半球印度洋。在热带太平洋海域,订正的模式结果与对应观测的空间相关系数在起报后120个月基本保持在0.8以上,经订正的模式结果对太平洋海温的模态分布更接近观测事实。表明这一误差订正的方法有助于减小模式误差,对预测热带SST有重要的科学参考。

亚洲区域海—陆—气相互作用对全球和亚洲气候变化的作用研究进展

围绕全球变化研究国家重大研究计划项目"亚洲区域海—陆—气相互作用机理及其在全球变化中的作用"预定的总体研究内容和科学目标,项目执行两年多以来,取得了一系列阶段性科研成果。关于气候动力学方面,项目揭示了热带印度洋—西太平洋暖池的海温变化是全球热带气候年代际变化的重要驱动力,是全球尺度副热带干旱的重要调控器;发现热带东太平洋海温存在冷舌模态,它是一个海气耦合模态,阐明在全球变暖背景下其对ENSO型态变异的作用及影响东亚气候的机理;揭示了青藏高原热力强迫的异常特征及其气候效应;提出了水平非均匀基流中行星波传播的理论,研究了其在不同东亚夏季风背景下的传播特征。关于气候预测方法方面,提出了若干有物理基础的气候预测方法,如尺度分离的降尺度预测新方法、基于北大西洋涛动(NAO)—ENSO的东亚夏季风预测模型、基于南半球环状模的东亚气候预测模型等,为业务部门提供了重要参考。关于观测方面,项目在亚洲区域海气补充观测和海洋资料同化方面也取得突出进展,成功进行了南海18°N断面海洋综合观测,为形成我国第一条南海断面长期海气观测打下了基础。在国际合作方面,项目还继续推动和领导了"亚洲季风年"(AMY2007-2012)与"东亚气候模拟"国际计划,提升了我国在该领域的国际地位。

IAP/LASG气候系统模式FGOALS_gl预测的海表面温度年代际尺度的演变

利用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(LASG)发展的耦合气候系统模式FGOALS_gl,进行了年代际气候回报和预测试验.首先,采用"Incremental Analysis Updates"(IAU)方案同化海洋客观分析资料的三维温度和盐度场,完成对耦合模式海洋分量的初始化.然后,用国际耦合模式比较计划的"20世纪气候模拟试验"20C3M给定的太阳常数、温室气体和硫酸盐气溶胶强迫耦合模式,进行年代际回报试验;在回报试验的基础上,再继续进行对A1B排放情景下的21世纪初20年的预测试验.把回报试验的结果与单纯的20C3M试验的结果进行比较,发现回报试验对热带中东太平洋和中纬度东北太平洋等区域海表面温度(SST)的年代际变率的模拟技巧远高于20C3M试验的结果.这表明,海洋初始化过程能够有效地提高耦合模式对年代际变率较大区域的预测技巧.预测试验表明,目前热带中东太平洋SST已经达到年代际振荡负位相的谷值,之后10～15年将逐渐增暖.同时,预测试验预测的2000～2010年全球平均表面温度的增暖速度显著落后于A1B情景试验的结果,之后则超过A1B试验.

几个方兴未艾的气候学问题

气候学是大气科学中发展最快的一个分支．文中重点总结了几个有关气候诊断与气候预测问题的研究进展，包括大气环流基本模态、夏季风与ＥＮＳＯ、ＥＮＳＯ预测。

Decadal prediction skill for Eurasian surface air temperature in CMIP6 models

评估CMIP6年代际预测试验对季节平均SAT的预测技巧的结果表明:模式不能有效预测冬季和秋季SAT的年代际变率.IPSL-CM6A-LR和多模式集合平均对于春季SAT展现了预测技巧,其中对于变率的预测技巧好于振幅的结果.基于蒙古和我国华北地区的显著预测技巧,模式对于夏季SAT表现出最佳的预测水平.与外部强迫相比,模式对于SAT的预测技巧可能来自初始化.模式中的一个明显系统性误差值得注意,即模式中冬季SAT的变率可以持续到其他季节,而在观测中其他季节的SAT变化与冬季SAT相对独立.

第8章 认识大气/海洋变率耦合动力学100年进步

大气和上层海洋状态的实地观测网和再分析产品,显示了明确的从季节到年代际耦合气候变率的大尺度特征。我们通过观测分析、用各种复杂程度的非耦合和耦合大气和海洋模式进行试验及从理论发展视角,总结了这些现象及其物理含义。我们从讨论赤道热带太平洋和大西洋季节循环开始,它无疑受到了大气和海洋之间耦合的影响。之后,我们讨论仅仅因为大气和海洋之间耦合而存在的热带现象:太平洋和大西洋经向模态,太平洋上的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO),以及大西洋类似ENSO的现象。对于ENSO,我们进一步讨论ENSO冷暖阶段之间的不规则和不对称的来源,以及ENSO对强迫的响应。北半球中纬度所有尺度变率的基础,首先是不依赖于海洋、陆地或海冰分布状态的任何变化而存在的非耦合大气变率。这些特征包括北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)和太平样北美/阿留申低压(PNA)分布;它们大多在冬季最活跃,时间谱近似于白噪声。NPO、PNA和NAO的随机变率通过湍流交换和Ekman传输在从天到年际时间尺度上驱动海洋,在年代际和更长时间尺度上通过风应力驱动。PNA是导致太平洋年代际涛动的部分原因;NAO是北大西洋类似副极地海洋涡旋现象的成因。模式方面,NAO的随机强迫还使得大西洋经向翻转环流(AMOC)的强度变率增加,它是被称为大西洋多年代涛动(AMO)的北大西洋气候多年代际距平的部分原因;充分确定AMO物理机制的观测尚不存在。我们评述过去50年里我们在认识这些现象中取得的每一个进步,以及惠及的短期(季节到年际)气候预测。最后,简要讨论将要实现的进展暂时性措施和期盼中的进展。

海洋模式初始化同化方案对IAP近期气候预测系统回报试验技巧的影响

基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所(IAP)近期气候预测系统(以下简称IAP Dec Pre S系统)发展了2种初始化方法:第一种采用Incremental Analysis Update(IAU)方案同化格点化的海洋温度和盐度客观分析资料EN3;第二种采用集合最优差值(EnOI)结合IAU(EnOI-IAU)的方案同化原始海洋温度和盐度观测廓线资料EN4。主要目的是比较基于2种初始化方案开展的年代际预测试验的技巧。时间相关系数、均方根技巧评分等指标均表明,基于EnOI-IAU方案的回报试验对与太平洋年代际振荡(PDO)有关的北太平洋海表面温度(SST)的回报技巧显著高于基于IAU方案的回报试验。而对于大西洋多年代际振荡(AMO),EnOI-IAU方案回报试验的技巧低于IAU方案回报试验。AMO存在副极地和热带北大西洋2个活动中心,EnOIIAU方案在热带中心的技巧仅略低于IAU方案,但是它在热带外区域模拟出了虚假的降温趋势,因此技巧远低于后者。