外强迫对Lorenz系统初值可预报性的影响

利用强迫Lorenz模型, 研究了外强迫对Lorenz系统混沌性质、 映射结构及初值可预报性的影响, 并以海表温度为大气运动的外强迫, 用实际大气海洋资料分析了外强迫对大气可预报性的影响. 结果发现, 系统混沌现象的出现与外强迫有关, 外强迫改变了Lorenz系统的运动规律, 使围绕两奇怪吸引子运动的随机性减少. 考虑外强迫后, 系统运动轨迹的概率密度函数呈不对称的双峰结构, 且Lorenz映射由无外强迫时的一个尖点分离为两个尖点, 尖点的偏离方向和偏离位置分别与外强迫的正负和大小有关. 外强迫可减小Lorenz系统对初值的敏感性, 提高系统的初值可预报性, 尤其是外强迫越大, 可预报性提高的幅度也越大. 这些结果在不同强度海表温度强迫下的实际大气可预报性分析中得到了证实, 即海温异常越大, 实际大气变量的可预报性也越大.     

汛期降水相似动力预报——模式误差主分量相似预报方法

针对相似动力预报中模式预报误差的估计问题,提出将模式误差的直接相似订正问题转化成模式误差主分量的相似预报问题.客观上将模式误差主分量分成可预报和不可预报两部分, 对于可预报主分量采用最优多因子动态配置方案进行相似预报, 而对于不可预报部分则用系统平均代替.基于国家气候中心季节预报业务模式、 美国气候预报中心组合降雨分析资料及国家气候中心气候系统诊断预报室74项环流指数和美国国家海洋和大气管理局的40个气候指数,对东北区域汛期降水进行了预报试验. 2005—2010年6年独立样本检验预报平均距平相关系数为0.29,较系统误差订正预报的0.04有较大提高, 证实该方案能提高国家气候中心季节预报业务模式汛期降水预报水平.     

长江中下游汛期降水模式预测误差相似性及其可预报度

对数值模式预测误差进行相似预报进而订正模式预报结果,是提高模式预报水平的有效手段之一.本文从数值模式预测误差场存在相似性的角度出发,研究了长江中下游汛期降水逐年模式误差场间的相似性及其可预报性,探讨了数值模式预测误差在历史资料中的相似信息量,发现利用相似误差订正可以明显提高模式预报水平.进一步对历史模式预测误差场进行经验正交函数(EOF)分解,着重研究了误差场前三个特征向量的空间分布及其时间系数演化规律,发现对各分量分别进行相似预报可以简化预报对象,并且针对性更强,可以提高其潜在预报水平.在研究数值模式预测误差场相似性的基础上,定义了数值模式预测误差的相似可预报度,用以衡量逐年模式预测误差的可预测性,发现模式预测误差场前三个分量的相似可预报度明显高于原始模式误差场,揭示出有针对性地分别预报模式预测误差各分量的潜在应用价值.     

基于奇异值分解对中国夏季降水模式误差订正的研究

利用奇异值分解(SVD)方法对国家气候中心气候业务模式CGCM的预报结果进行订正, 进而得到改进后的预报结果. 通过对1983–2011年中国夏季降水的模式预报和实际降水值各年份之间的耦合场进行SVD分解, 选取模式预报和实况降水相关性最好的前3–7个模态, 对这5种不同模态个数的订正结果加以对比, 选出对中国区域订正效果最好的模态个数, 得到模式预报的订正结果. 对2004–2009年6年进行交叉回报试验, 以距平相关系数和均方根误差作为评判标准来检验回报结果, 得出2004–2009大部分年份取前5个模态作为当年订正的模态个数时,订正效果最好. 利用已有的2004–2009年的模式和实际降水资料进行检验, 证实在大部分年份5个模态订正效果最好, 并将结果与系统误差订正法的结果相比较, 表明SVD法对2004–2009年 6年的订正结果中, 有4年比系统误差法的订正效果好. 以2010年作为预测年, 以1983–2009年27年交叉回报检验的结果确定模态个数, 对预测结果加以分析, 显示该方法具有潜在的业务应用价值. 关键词： 奇异值分解 模式预报订正 汛期降水     

全球气候变化中的物理问题

全球气候变化是一个复杂的科学问题,它涉及到气候系统或地球系统的变化,不但需要考虑它们所包含的这些系统内各部分本身的变化,以及它们之间复杂的相互作用,而且还需考虑物理与地球生物化学等许多过程,文章主要讨论全球气候变化中的物理问题,主要有三个方面:(1)辐射传输和全球辐射平衡:不论是由于自然的原因或人类活动(如太阳活动与火山爆发以及温室气体排放增加导致的温室效应加强)一旦破坏全球的辐射平衡,则会引起气候变化,这是气候变化的主要原因与驱动力;(2)大气波动和气候变化的内部变率:除上述外强迫的作用外,气候变化还可由气候系统内部的变率引起,这包括大气内部变率和耦合气候变率,它们主要是通过产生各种大气的波动而实现的,其中最重要的是罗斯贝(Rossby)波.它们的传播和不稳定发展是造成气候变化的另一个原因;(3)气候系统的混沌性质和可预报性:数值预报模式的预报结果对初始场很敏感,即初始场的微小误差可导致完全不同的预报结果,同时模式中物理过程描述的真实程度也影响预报的结果,大气的这种混沌性质限制了天气的可预报性在2周以内,但气候预测由于明显受外强迫的作用,可使大气的混沌时效延长到月、季、年、几十年甚至上百年,为了减少由初始场误差和模式不完善而造成的预报误差,目前气候预报足采用多初值和多模式的集合预报方法,因而气候预测实际上是一种概率预报.     

基于模式误差分布特征的中国夏季旱涝预测可信度研究

基于美国气候预报中心组合降雨分析资料对国家气候中心海气耦合模式多年夏季降水预报误差进行统计分析,以揭示模式预报误差的分布规律及特征.研究发现,模式预报误差分布特征满足正态分布,基于误差分布特征分析模式对中国夏季降水的预测能力,通过误差分布的高斯拟合曲线特征对比模式预报与动力统计方法的预测技巧,进而得到动力统计方法改进误差分布特征的两种类型:1)变幅型改进;2)均值型改进.在此基础上,根据模式误差的统计特征提出了一种新的旱涝预测可信度计算方法,用于定量化地评估动力统计方法在不同地区的预测可信度大小,并应用于实际预测.最后以2012和2013年夏季降水为例,给出了实况、预测以及可信度检验.结果显示该方法能较好地反映出预测的不确定性,较其他检验方法更具针对性,对异常降水的预测可信度反映更为准确,验证了方法的有效性,可进一步提高动力统计方法的预测服务水平.     

动态最优多因子组合的华北汛期降水模式误差估计及预报

利用国家气候中心季节预报1983—2009年27年模式预报结果,结合74项环流指数及美国国家海洋局和大气管理局提供的40个气候指数和美国气候预报中心实际降水分析资料,采用资料诊断分析和数值模拟实验相结合的方法,通过多因子的历史相似信息提取预报相似年,获得预报场的误差订正项.在这一订正思路的基础上,考虑前期关键影响因子的选取、多因子组合的优化配置,构建适用于不同预报年的区域动力-统计模式预报误差订正方案.以华北为例,探索多因子最优组合的多元客观相似判据,发展基于多因子动力-统计模式预报误差的动态订正新技术,改善华北夏季降水预报效果,提高预报技巧.通过2005—2009年独立样本回报结果表明,动态最优多因子组合相似订正方法距平相关系数评分相对于系统订正方法有着显著的提高,该订正方案对华北地区的夏季降水预测有着很好的业务前景,具有重要的应用价值,即将投入业务运行. 关键词： 关键因子集 模式误差估计 汛期降水 预测     

基于延伸期可预报性的集合预报方法和数值试验

集合预报是考虑初始条件和模式不确定性的有效途径. 结合延伸期可预报性特征,对具有不同特性的可预报分量和随机分量采用不同的集合预报方案和策略,发展了一种基于延伸期可预报性的集合预报新方法(PBEP).该方法以延伸期数值预报模式为平台,对可预报分量采用多个模式误差订正方案,从考虑模式不确定性的角度进行集合;而对随机分量则利用历史资料从气候概率的角度给出集合概率分布,避免模式误差对随机分量概率分布的影响.试验结果表明,相比于国家气候中心的业务动力延伸集合预报系统,该集合预报方法对全球各区域环流预报技巧均有提高,对不同空间尺度的波也有不同程度的改进,显示出潜在的业务应用前景.     

基于季节气候可预报分量的相似误差订正方法和数值实验

基于由历史相似信息对模式预报误差进行预报的思路,发展了一种针对季节气候可预报分量的相似误差订正新方法（FACEPC）,目的是识别模式预报结果中对初值相对不够敏感的可预报分量,将其作为对象进行历史相似选取和误差订正.该方法被应用到国家气候中心业务季节预报模式实验中,对不同区域给出有针对性的相似选取指标和预报方案.25年的交叉检验结果表明,夏季降水和环流的预报技巧评分相对于系统误差订正有明显提高,在发生中等及以上强度ENSO事件年和可预报分量贡献较大地区的预报技巧提高更为显著.特别是中国区域降水和关键区环流的 关键词： 短期气候预测 相似误差订正 可预报分量     

气候预报自忆模式及其初步应用

从非绝热大气热力学方程和水分平衡方程出发,运用大气自忆性原理,导出了一个用于短期气候预报的数学模式,它由含地表气温,降水和５００ｈＰａ高度三变量的差分－积分方程组成。     

欧亚中高纬阻塞高压关键区高度场动力-统计跨季度预测实验

本文主要利用实际业务模式的预报结果和丰富的历史资料对乌拉尔山、 贝加尔湖和鄂霍次克海三个阻塞高压活动关键区夏季平均的500 hPa高 度场进行动力-统计跨季度预测实验, 其结果显示该方法能在一定程度上减小模式预报误差, 提高预报技巧, 显示出了良好的业务应用前景. 此外, 敏感性实验显示, 相似指标和相似年选取个数都对预测结果有显著影响. 关键词： 阻塞高压 高度场 动力-统计 跨季度预测     

基于多个参考态更新的动力相似预报方法及应用

为了更有效地利用历史资料中的相似性信息提高数值模式预报水平,提出了一种新的动力相似预报方法——多参考态更新(MRSU) 法.该方法基于“更新”观点,通过引入相似更新周期(PAU)的概念,将整个预报时段按PAU分成若干小的子时段,在预报进行到PAU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,这样就形成了“选取-估计”的循环,不断重复这一过程直到完成整个时段的预报.进一步将简化的MRSU方法应用于T63全球谱模式.月预报试验结果表明,与控制试验相比,MRSU法对逐 关键词： 相似-动力模式 参考态 相似更新周期 月预报     

季风与极涡的异常配置下中国夏季大尺度旱涝分布

从冷暖系统配置的角度,选取东亚夏季风(EASM)和7月亚洲区极涡面积(APVA),分析了二者的气候特征与中国夏季降水分布之间的关系.在此基础上,将1951—2010年EASM和APVA的异常配置分为四种类型:A:季风强、极涡大;B:季风强、极涡小;C:季风弱、极涡大;D:季风弱、极涡小.研究发现,二者的异常配置下,中国夏季大尺度旱涝分布在季尺度上表现出多面性特征:A型年,夏季整体偏旱;B型年,夏季南涝北旱;C型年,夏季北涝南旱;D型年,夏季整体偏涝.由此可见,中国夏季旱涝总体分布除了与EASM有关外还与APVA密切相关,二者异常的不同配置下,夏季降水多寡和旱涝分布表现出了显著的差异和规律性,这对夏季降水总体趋势预测有一定的指示意义.此外,通过研究不同配置关系对应大气环流异常特征,并分析不同要素在夏季风和极涡关系变化中的作用,发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置,其中西太副高和中高纬阻塞形势起主导作用.     

黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际环流异常特征及与海温的多尺度相关性研究

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干 湿状况的年际和年代际变化特征十分明显. 但以往主要是针对夏季进行分析, 而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限. 本文基于中国589站最近50 a (1961–2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature, SST) 资料, 运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法, 在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上, 通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系, 以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理, 并确定影响该区域干湿状况的前兆信号. 小波功率谱分析表明, 黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期, 1970–1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显. 年际(周期≤ 8 a) 尺度上偏湿年的大气环流特征是, 欧亚大陆中高纬呈“双阻型”, 200 hPa西风急流显著北移, 日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制, 其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区. 年代际(周期 > 8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是, 东亚大陆为一致的低值系统; 200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移, 研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成. 整个序列上, Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系, 而孟加拉湾–中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系. 年际尺度上, 秋季Nino3I, BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a, 4–6 a), 而年代际尺度上, 只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a). 黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立, 不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理, 也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号. 关键词： 黄土高原中部 干湿特征 海表温度 小波分析     

A decomposition study of moisture transport divergence for inter-decadal change in East Asia summer rainfall during 1958-2001

In this paper,we report on the results of an investigation into inter-decadal changes in moisture transport and divergence in East Asia for the two periods 1980-2001 and 1958-1979.The aim is to explore the mechanism of summer rainfall change in the region after abrupt changes.The relevant changes are calculated using ERA-40 daily reanalysis datasets.The results show that both stationary and transient eddy moisture transports to the Chinese mainland have declined since the abrupt change in atmospheric general circulation in the late 1970s,leading to more rainfall in South China and less in the North.The anomalous rainfall pattern coincides well with anomalous large-scale moisture divergence in the troposphere,of which stationary-wave or monsoon transport is dominant,in comparison with the contribution of the transient eddies.Furthermore,their divergences are found to be in opposite phases.In addition,meridional divergence is more important than its zonal counterpart,with an opposite phase in East Asia.Abnormal zonal moisture convergences appear in northwestern and northeastern parts of China,and are related to the excess rainfalls in these regions.An increase in transient eddy activity is one of the major mechanisms for excess rainfall in northern Xinjiang.Consequently,the anomalous rainfall pattern in East Asia results from a decline of the East Asian monsoon after the abrupt change,while the rainfall increase in northwestern China involves anomalies of both stationary waves and transient eddies on boreal westerly over the midand high latitudes.     

20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探

基于1983—2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化.研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折.此外,东亚地区夏季的500 h Pa高度场、850 h Pa风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征.进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整.与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.     

浅海涌浪对表面声道声传播的影响

受海面强风和海-气相互作用影响,表面声道普遍存在于冬季海洋环境中,是一种天然有利于声传播的波导.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面,会严重破坏这种优良性能.本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据,研究表面声道声传播特性.研究表明,海底底质对表面声道内声传播的影响较弱,当海面风较小时,涌浪造成的影响为主要原因.实验数据显示,考虑涌浪后的粗糙海面给70km远处带来了10dB的传播损失增长.因此在考察南海北部海区冬季声场特性时,不仅要考虑海面风浪的影响,更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响.研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.     

基于星载辐射计AMSR-E不同波段的北极海冰折射系数提取

海冰折射系数是一个重要的地球物理参数。利用Hong Approximation(HA)算法和星载辐射计AMSR-E数据,基于不同微波频段(6.9,10.7,23,37,89 GHz)实现北极地区不同季节海冰折射系数反演。首先对反演所用关键数据海冰密集度反演算法的系点进行优化,反演结果与验证数据平均偏差分别为3.00%和-0.50%,低于其它常用算法。结果表明：冬季一年冰和夏季海冰的折射系数反演结果在所有微波频段的平均值范围为(1.78~1.75)和(1.72~1.70),与前人研究结果基本一致,但冬季多年冰在较高频率的折射系数与前人结果偏差较大,高于10.7 GHz的微波频段不能用于冬季多年冰折射系数的提取;综合利用不同波段海冰折射系数反演结果能够有效识别沿岸冰间湖(比如冬季6.9 GHz),区分多年冰与一年冰(冬季89 GHz),并能确定多夏季海冰边缘融化范围(夏季6.9 GHz)。