热带海洋海温变率预报及可预报性研究

【摘要】： 热带海洋是大尺度海气相互作用的关键区域,对全球气候变化有重要影响。厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)及热带大西洋变率(TAV)分别是热带太平洋及热带大西洋最显著的气候变率。对热带海洋海表温度(SST)的预报是预报ENSO和TAV的关键要素,对全球气候、生态环境及许多国家的防灾减灾、经济发展有非常重要的意义。 本文利用一个中等复杂程度的海-气耦合模式,对1980-2000年热带太平洋和大西洋SST变率进行回顾性预报,并研究分析其可预报性的影响因素。耦合模式的大气部分为全球大气环流模式CCM3,海洋部分为Zebiak-Cane类型的约化重力模式。并创新性地在耦合模式中加入大气噪声过滤器,检验天气噪声对预报的影响。初始时间设为四个不同季节,预报时长为12个月。 第一部分工作为ENSO预报。本文改进了初始化方案,并使用噪声过滤器减少天气噪声对耦合过程的影响。预报结果表明,改进的模式显著提高了ENSO预报技能。Nino3指数提前6个月的预报相关系数为0.71,提前12个月的预报相关系数为0.43;Nino3.4指数提前6个月的预报相关系数为0.75,提前12个月的预报相关系数为0.49,达到目前ENSO预报的先进水平。模式对ENSO冷、暖事件比正常事件有更高的可预报性,可以较好地预报El Ni?o和La Ni?a事件中赤道太平洋冷舌温度变化的结构和趋势。 根据本文的预报结果,进一步研究了初始条件、天气噪声、模式误差等因素对ENSO可预报性的影响,主要结论为: 1)初始条件对ENSO预报有重要影响。本文采用耦合同化的方式产生初始条件,避免了与模式不匹配而导致的“初始冲击”效应;并在初始化过程中使用大气噪声过滤器,减少天气噪声的影响,降低了预报的初始噪声。与模式相容性和准确性皆优的初始条件,对2个季节以内的ENSO预报技巧的提高起主要作用。 2)天气噪声对ENSO预报有不可忽略的影响。在适宜的初始条件下,过滤天气噪声可以减轻“春季可预报性障碍”导致的预报技巧的下降,对较长期(3-4季节)预报技巧的改进起主要作用。通过过滤风应力中的天气噪声,可以增强海-气耦合过程的信噪比,改善模式对风-温跃层-SST相互作用的Bjerknes反馈机制的正确响应,对提高ENSO预报技巧有重要作用。 3)大气模式的偏差对温跃层模拟有严重影响,进而限制了SST预报水平。耦合模式中通常存在着系统偏差,有必要进行偏差校正,避免模式误差对预报的影响。本文尝试用模式输出统计(MOS)方法校正大气模式中存在的风应力偏差,初步改进了1-2季节短期预报技巧,对克服“春季可预报性障碍”有潜在的良好效果。 第二部分进行了对热带大西洋SST变率的预报,并考察了天气噪声对SST可预报性的影响。预报结果显示,大气噪声过滤器的应用对热带大西洋的SST预报技巧有普遍的改进作用,尤其是在以往预报水平普遍较低的南热带大西洋(STA),2-3季节内的预报获得了相当高的预报技巧。SST预报技巧的提高也同时导致了降雨量预报效果的改进。进一步研究表明,过滤热通量中的天气噪声可以改进STA区域表面热通量与SST之间的热力学反馈,增强信噪比,从而导致SST可预报性的提高。上层海洋的Ekman过程对STA预报的改善也有重要影响,但Bjerknes反馈机制在STA预报中不起主要作用。 最后总结了大气噪声过滤器在热带海洋SST预报中的作用和效果,建议其作为一种简单有效的改进耦合模式预报性能的方法,可以广泛应用于气候预报及可预报性研究。并提出可进一步通过偏差校正和改进同化方法来提高ENSO预报水平。