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《兰州大学》 2011年
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10-30天延伸期稳定分量的提取及其可预报性研究

孙树鹏  
【摘要】:近年来,10-30天延伸期预报成为天气和气候业务预报发展的一个重要方向,它对于气象业务发展和国民经济服务具有重要的作用,但目前国内外关于10-30天延伸期的科学基础和业务应用都还在探索阶段。本文通对2009年2月中旬至3月上旬长江中下游地区的持续阴雨天气过程和2009年11月中上旬中国东部地区3次大范围强降温和冰冻雨雪天气过程进行分析,定义了10-30天延伸期稳定分量,并进一步将其分为10-30天延伸期气候态稳定分量和异常型稳定分量两类,分别给出了相应的提取方法,然后考察了稳定分量的配置和演变特征,最后利用非线性局部Lyapunov指数和模式集合预报结果对稳定分量的可预报性进行了检验,并基于数值模式对两类稳定分量不同的预报效果讨论了对10-30天延伸期数值预报的订正思路。 首先,基于稳定分量的时空依赖性,给出了稳定分量的定义和提取方法,并讨论了不同时间尺度滤波分量与10-30天延伸期稳定分量的关系,研究发现:1、60天以上低通滤波分量包含季节以上尺度的低频、甚低频变化等信息,其在10-30天延伸期内呈现近线性的缓慢变化,为10-30天延伸期天气变化提供一个稳定的背景形势;2、10-60天带通滤波分量包含了对延伸期有重要影响的准双周(10-20天)振荡和季节内(30-60天)振荡,并且体现了指数循环和超长波活动等与10-30天延伸期天气变化密切相关的大气环流特征,展现了10-30天延伸期的主要形势变化;3、10天以下高通滤波分量体现了快速变化的天气尺度及更小尺度的波动变化,其对于10-30天延伸期而言主要表现出混沌特征。故10-30天延伸期的稳定分量可能主要存在于60天以上低通滤波和10-60天带通滤波分量中,而混沌分量主要集中于10天以下高通滤波分量中,另外10-60天带通滤波分量也可能包含部分混沌分量的信息。 在此基础上,对上述两次个例过程的NCEP-DOE Reanalysis2位势高度场的距平场或10-60天带通滤波分量进行EOF分解,根据个例中各EOF分量的贡献率变化及其与多年平均贡献率的对比进一步定义了气候态稳定分量和异常型稳定分量。气候态稳定分量主要体现出气候平均信息对延伸期天气过程的影响,而异常型稳定分量则集中体现了个例过程的“异常”特征。 之后,基于两个个例对10-30天延伸期稳定分量的配置及其时空变化特征进行研究,发现稳定分量具有如下特征:(1)时间尺度较长,能维持较长时间(10天以上)的稳定或者表现为月尺度的低频变化及超长波活动;(2)空间活动范围较大,表现为行星尺度的超长波活动,且在垂直各层有稳定一致的配置关系;(3)能够较好地反映中高纬环流的变化特征,体现了指数循环特征和超长波的移动、调整活动;(4)与地面持续性天气过程有较好的对应关系。10-30天延伸期稳定分量应该是在延伸期过程中占主导变化地位的、具有较大时空尺度的大气活动中心或遥相关型的配置。它的活动变化受大气永久和半永久活动中心的影响,甚至也可能是大气活动中心在延伸期尺度上的低频变化分量。另一方面,它不同于天气尺度的长波活动,它更体现了超长波的移动和调整,与西风带的指数循环有较为密切的联系。 最后,利用非线性局部Lyapunov指数和模式集合预报结果对10-30天延伸期稳定分量的可预报性进行了分析,进一步验证了气候态稳定分量和异常型稳定分量具有较好的可预报性,但异常型稳定分量可能因个例不同表现出不同的可预报性,总体而言,气候态稳定分量和异常型稳定分量明显比混沌分量具有更好的可预报性,而异常型稳定分量因其在个例过程中演化的特殊性,其可预报性略差于气候态稳定分量,但优于混沌分量。然后基于异常型稳定分量和60天以上低通滤波分量在模式预报中的特殊性,提出了基于稳定分量的数值预报订正思路,为下一步开展10-30天延伸期预报奠定基础。
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