ARGO资料同化与海气耦合过程研究

本项目拟利用ARGO浮标等资料进行海洋物理过程、海气交换过程、资料同化以及改进海气耦合模式参数化方案的研究，这对提高我国的短期气候预测水平具有重要的作用。2003年顺利完成年度研究计划，取得的主要成果包括如下几个方面：     

利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

动力气候模式预测系统业务化及其应用

动力气候模式是目前国际上开展气候预测的主要工具。经过 8年多的研制、发展和业务化过程 ,国家气候中心已建立起第一代动力气候模式预测业务系统 ,并以此为平台 ,形成了一套包括月、季节到年际时间尺度的动力模式预测业务。 2 0年历史回报试验和 1年多的试验性业务运行结果表明 ,该系统对东亚区域的季节预测具有较好的预测能力 ,其预测结果已经在实际业务中得到了应用 ,并成为我国短期气候预测业务的重要参考依据。该文是对该动力模式系统性能的介绍 ,也是对国家“九五”重中之重课题的加强课题“短期气候预测综合动力模式预测系统业务化”专题的总结汇报。     

初始场的同化对短期气候预测的影响

基于已建立的三维变分资料同化系统(3D-VAR),利用大气环流模式(IAP9L2°×2.5°-AGCM),对同化和未同化2种初始场分别进行了17a(1988—2004年)的集合回报试验,并对试验结果进行了相关分析.结果表明:在热带地区,2组初始场下的集合回报结果差别很小,除热带外的中高纬地区差别较大,尤其是东亚地区;另外,大部分物理量场的17a异常空间相关系数的均值在同化后的初始场下也得到了提高,可能是因为同化的初始场包含了一段时间的大气信息,动力模式更加协调.     

谐波分析在短期气候预测中的应用

为进一步提高短期气候预测业务能力，在对泰安51年气候资料统计分析基础上，使用谐波分析，制作了短期气候预测应用系统。本文简要说明了该系统的建立思路及预报模式的作用和使用方法效果。     

我国短期气候预测的物理基础及其预测思路

短期气候预测依据大气科学原理,运用气候动力学、统计学等手段,在研究气候异常成因的基础上对未来气候趋势进行预测。虽然目前我国短期气候预测的水平还不高,但短期气候预测是国家经济发展和防灾减灾的迫切需求,提高预测准确率是气象科研和业务人员的重要任务。该文从海洋、积雪等外强迫信号及大气环流大尺度变动等大气内部特性等角度概述了短期气候预测的物理基础,简要回顾了近60年来我国短期气候预测的发展历程,并介绍了作者近十几年来研制短期气候预测客观统计学及统计与动力学相结合预测模型的主要思路。     

地面观测资料同化在GRAPES模式中的应用研究

本文运用GRAPES_Meso业务模式(3.1版)通过四个同化地面不同观测要素方案及没有同化任何地面要素的控制试验对2012年7月初发生在四川的一次降水过程做了数值模拟,结果表明:五个模拟方案对不同区域不同量级的降水皆存在不同程度的空报和漏报现象,空报和漏报相对较严重的是控制试验和同化水平风场的同化方案,随着预报时效的增加各方案模拟可信度减小;四个同化方案的同化作用随着预报时效的增加表现出不稳定,相对较稳定的是同化所有地面观测要素的方案;在模式初期和后期,同化作用表现相对明显的是同化所有地面观测要素的方案,只同化水平风场的方案同化作用较小,同化中期各同化方案同化作用皆不稳定;随着预报时效的增加,几个模拟方案之间的差异程度越来越小,但同实况间的差异越来越大。     

卡尔曼滤波在短期气候预测中的应用

用PRESS准则和最优子集回归选取预测因子，建立河西走廓东部月平均气温的卡尔曼滤波预测模型，经实际使用发现，该预测方法的精度较高，稳定性较好，为短期气候提供了一种新的思路和方法。     

短期气候预测的物理基础和诊断预测

介绍了在短期气候预测的物理基础上提出建立辽宁短期气候物理影响预测模型的方法，并对气候灾害年景进行了诊断预测。     

一个用于气候模式的三维变分资料同化系统——方案设计及检验

介绍了一种适合格点模式的三维变分同化方案,并应用于中国科学院大气物理研究所的9层大气环流格点模式（IAP9L2°×2.5°-AGCM）中。同化方案考虑质量场和风场的动力约束关系,并通过变量变换将模式变量转化为互不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡位势和比湿;同时采用共轭梯度法求解代价函数避免了直接计算背景误差协方差矩阵逆的困难。通过理想试验、模式连续同化积分试验以及对东亚地区特殊寒潮天气的同化试验,结果表明：该系统能够正确反应多变量之间的相互关系,并且长时间运行稳定,更重要的是同化不仅可以明显改善直接参与同化的物理量,而且经过模式的动力调整也改善了未参与同化的物理量（如海平面气压、近地面气温、降水等）,这为大气的持续性信息存储于陆面物理量提供了可能,从而可为IAP9L2°×2.5°-AGCM提供陆—气相协调的初始场。     

Intraseasonal Oscillation in Global Ocean Temperature Inferred from Argo

The intraseasonal oscillation(ISO;14-97-day periods) of temperature in the upper 2000 m of the global ocean was studied based on Argo observations from 2003-2008.It is shown that near the surface the ISO existed mainly in a band east of 60 E,between 10 S and 10 N,and the region around the Antarctic Circumpolar Current(ACC).At other levels analyzed,the ISOs also existed in the regions of the Kuroshio,the Gulf Stream,the Indonesian throughflow,the Somalia current,and the subtropical countercurrent(STCC) of the North Pacific.The intraseasonal signals can be seen even at depths of about 2000 m in some regions of the global ocean.The largest amplitude of ISO appeared at the thermocline of the equatorial Pacific,Atlantic and Indian Ocean,with maximum standard deviation(STD) exceeding 1.2 C.The ACC,the Kuroshio,and the Gulf Stream regions all exhibited large STD for all levels analyzed.Especially at 1000 m,the largest STD appeared in the south and southeast of South Africa-a part of the ACC,with a maximum value that reached 0.5 C.The ratios of the intraseasonal temperature variance to the total variance at 1000 m and at the equator indicated that,in a considerable part of the global deep ocean,the ISO was dominant in the variations of temperature,since such a ratio exceeded even 50% there.A case study also confirmed the existence of the ISO in the deep ocean.These results provide useful information for the design of field observations in the global ocean.Analysis and discussion are also given for the mechanism of the ISO.     

短期气候预测的出路在何方?

100年来短期天气预报成功地跨越了三大步：挪威学派、Rossby学派和Charney开创的数值天气预报。在“气候是天气的综合”这一错误思想的指导下,每一次短期天气预报的成功都引出了短期气候预测的热潮,相应地出现了大型天气学、超长波控制论和短期气候的数值模式预测方法。它们各自研究了几十年后,最终仍未见成效,使100年来短期气候预测的水平仍基本上是在原地踏步。作者认为短期气候预测出路在于：首先要坚决摒弃“气候是天气的综合”这一错误的指导思想,其次要将目前关于“气候系统”的抽象定义转化为具体的物质的定义,作者认为地热涡、地冷涡和形变锋等很可能就是具体的“气候系统”。描述这些“气候系统”演化的具体图像就是“地气图”。     

A New Global Four-Dimensional Variational Ocean Data Assimilation System and Its Application

A four-dimensional variational data assimilation （4DVar） system of the LASG/IAP Climate Ocean Model, version 1.0 （LICOM1.0）, named LICOM-3DVM, has been developed using the three-dimensional variational data assimilation of mapped observation （3DVM）, a 4DVar method newly proposed in the past two years. Two experiments with 12-year model integrations were designed to validate it. One is the assimilation run, called ASSM, which incorporated the analyzed weekly sea surface temperature （SST） fields from Reynolds and Smith （OISST） between 1990 and 2001 once a week by the LICOM-3DVM. The other is the control run without any assimilation, named CTL. ASSM shows that the simulated temperatures of the upper ocean （above 50 meters）, especially the SST of equatorial Pacific, coincide with the Tropic Atmosphere Ocean （TAO） mooring data, the World Ocean Atlas 2001 （WOA01） data and the Met Office Hadley Centre＇s sea ice and sea surface temperature （HadISST） data. It decreased the cold bias existing in CTL in the eastern Pacific and produced a Nifio index that agrees with observation well. The validation results suggest that the LICOM-3DVM is able to effectively adjust the model results of the ocean temperature, although it＇s hard to correct the subsurface results and it even makes them worse in some areas due to the incorporation of only surface data. Future development of the LICOM-3DVM is to include subsurface in situ observations and satellite observations to further improve model simulations.     

年代际气候预测系统IAP DecPreS的海洋同化试验在西北太平洋的海温偏差及其对亚洲夏季风的影响

本文分析了中国科学院大气物理研究所年代际气候预测系统IAP DecPreS的海洋同化试验（简称EnOI-IAU试验）在西北太平洋地区的海表面温度（SST）年循环的模拟技巧,并通过对比IAP DecPreS系统自由耦合历史气候模拟试验结果,在包含海气耦合过程的框架下讨论了耦合模式中西北太平洋夏季SST模拟差异,及其对亚洲季风区夏季季风降水模拟的影响。结果表明,EnOI-IAU试验较好地模拟出了西北太平洋各个季节的SST空间分布,并显著减小了原存在于历史气候模拟试验中持续全年的SST冷偏差。混合层热收支诊断分析表明,包含同化过程在内的海洋过程的模拟差异对西北太平洋海温的模拟提升有重要贡献。夏季,EnOI-IAU试验模拟的印度季风伴随的低层西风较观测偏东、偏强,且高估了赤道西太平洋区域的降水量值、低估了印度洋区域的降水量值。水汽收支分析显示,气旋式环流异常造成的水汽辐合异常是造成亚洲季风区降水模拟差异的主要原因。研究表明,较之历史模拟试验,EnOI-IAU试验中夏季西北太平洋地区SST增暖造成局地对流增强,进而使得局地产生异常上升运动,水汽辐合增强,造成西北太平洋地区降水模拟偏多,激发出低层西风异常及赤道外气旋式环流异常。该低层西风异常导致了北印度洋地区低层辐散异常,减小了原存在于历史试验中印度洋地区的正降水偏差。西北太平洋气旋式环流异常一方面增强了印度夏季风伴随的低层西风,使得更多的水汽从阿拉伯海输送到西太平洋暖池区域,增强了该区域的降水量;另一方面,该气旋式环流异常减小了历史模拟试验中中国南部区域偏强的低层风速,进而提升了模式对东亚低层西南风的模拟能力。     

中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统的改进及其对1998年全国汛期旱涝形势的预测

通过引入改善了地表反照率参数化方案的中国科学院大气物理研究所（ＩＡＰ）大气环流模式,我们对ＩＡＰ短期气候距平预测系统（ＩＡＰＰＳＳＣＡ）中的大气模式部分进行了改进。利用改进前后的ＩＡＰＰＳＳＣＡ,我们对１９８０～１９９４共１５年中国夏季降水异常进行了集合预报检验,与实测结果比较表明,改进后的ＩＡＰＰＳＳＣＡ对江淮和华南地区的预报技巧与原先的系统相比只是有略微的提高,但对我国东北、华北、河套区域以及整个中国东部的预报技巧则比原系统有较大程度的提高,从而表明气候模式中陆面过程的正确表述可以提高模式气候预测的能力。利用改进的ＩＡＰＰＳＳＣＡ和ＩＡＰＥＮＳＯ预测系统提供的预测海温距平,我们对１９９８年中国夏季降水异常进行了预报（该预测３月份提供给有关单位）。今与实际情况比较表明,改进了的ＩＡＰＰＳＳＣＡ和ＩＡＰＥＮＳＯ预测系统耦合,对１９９８我国夏季旱涝形势的预测与实测基本相符,但强度较小,说明有一定预报能力,但也还有许多问题。     

海洋模式对1995年5月南海AXBT海温资料的同化分析

利用美国普林斯顿大学海洋模式 (POM )对 1995年 5月南海AXBT海洋观测资料和MISST卫星观测的海面温度进行模式四维同化分析研究。POM模式同化处理使用最优插值分析与逼近方法 ,从模式积分到第 4年开始 ,使用COADS气候平均风应力场、净热通量场强迫海洋 ,从第 5年 5月开始加入 1995年 5月的MISST和AXBT资料同化积分 30d ,然后对同化结果进行分析。结果表明 ,资料同化可以改进模式对温度场的预报 ,也可改进模式对海流的模拟。分析结果还显示 ,1995年 5月南海浅层有暖涡和冷涡形成     

几年来我国气候年际变异和短期气候预测研究的一些新成果

为了热烈庆祝中国科学院大气物理研究所成立80周年(1928～2008年),作者谨就五年来中国科学院大气物理研究所的科学家们完成的关于我国气候变异和气候预测方面的研究工作若干新成果作一些非常概要性的介绍,个中也包含一点所外科学家的工作。不周和不当之处只有请读者海涵和批评指正了。本文介绍的主要进展有三个方面:关于我国气候年际变异的研究、ENSO预测研究和数值气候预测研究。     

我国近海和邻近海的海洋环境对最近全球气候变化的响应

鉴于全球气候变暖对海洋环境和海洋生态及对经济和社会可持续发展影响的严重性,作者首先利用ERA-40再分析的风场资料以及HadISST 和SODA等海洋高分辨率再分析资料,分析了近50年来全球气候变化对中国近海(包括渤海、黄海、东海和南海)和邻近海(主要是热带和副热带西太平洋)海面附近的风力、海表纬向和经向风应力和海表温度的影响.分析结果表明: 由于受全球气候变暖的影响,1976年之后中国近海和邻近海上空的冬、夏季风变弱,从而引起中国近海冬、夏季海表风应力减弱(尤其是经向风应力),而海表水温明显上升; 并且,冬、夏季海表风应力的减弱和海水温度的上升在中国东海反映尤其明显,这些为中国近海赤潮的频繁发生提供了有利的海洋环境.此外,从中国近海上空环流散度分布的变化可见,中国近海上空从1976年之后大气环流辐散增强,这不利于中国近海上升流的形成,从而会对沿岸水域营养盐的输送产生影响.     

AMDAR资料质量分析及对GRAPES系统同化和预报影响

为了研究AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料对GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统的影响,针对从国家气象信息中心实时库检索的业务AMDAR资料,分析了该资料的偏差和标准差等质量特性;利用GRAPES数值预报系统,做了两个月的同化预报循环试验。选取资料和试验的时间是2013年5月、6月,同化窗口6 h,预报时效7 d。结果表明,与背景场该资料的温度要素的平均偏差在0.2°C,标准差在2°C,风的平均偏差在0.2 m/s,标准差在3 m/s,偏差基本符合正态分布;AMDAR资料对同化和预报效果均有改善。     

极端天气气候事件监测与预测研究进展及其应用综述

极端天气气候事件(简称"极端事件")分为单站极端事件和区域性极端事件。本文回顾了极端事件的研究进展,首先回顾了单站极端温度、极端降水和干旱事件的观测研究及相关指数,进而对近年来不断增多的区域性极端事件研究做了简要回顾,最后还回顾了极端事件气候预测研究进展。同时,对国内外在极端事件气候监测和预测业务现状进行了初步总结,并指出:在极端事件气候监测方面中国的业务产品较丰富,并率先开展了针对区域性极端事件的监测业务,但在产品表现形式上缺乏统一组织,特别是英文产品表现力严重不足;在极端事件气候预测方面,国家气候中心发展了两种方法:一个是基于物理统计的BP-CCA和OSR的干旱预测方法,另一个基于国家气候中心月动力延伸预报模式(DERF)的高温预测方法。最后,对极端事件监测和预测业务发展及相关科学问题给出展望,指出应根据极端事件的业务需求继续加强相关研究和业务能力建设。