印度洋海温初始误差对厄尔尼诺可预报性的影响

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本论文使用CESM模式(Community Earth System Model),从初始误差增长的角度研究了印度洋海温初始误差对厄尔尼诺(El Ni(n)o)可预报性的影响,研究确立了El Ni(n)o预报的印度洋海温初值敏感区,并考察了该初值敏感区在减弱El Ni(n)o“春季预报障碍”(Spring Predictability Barrier,简记为SPB)的影响、进而提高El Ni(n)o预报技巧中的作用。  本文首先评估了CESM模式对于热带印度洋IOD事件通过热带大气桥以及热带海洋通道印尼贯穿流(Indonesian Throughflow,简记为ITF)影响热带太平洋的模拟能力。对于CESM长期积分资料,通过滞后相关分析发现,CESM模式能够模拟热带印度洋IOD事件通过ITF影响次年热带太平洋的过程,并且该物理过程独立于ENSO事件,但是CESM模式高估了该过程中大气桥的作用。另外,使用CESM模式的海洋模块POP2,通过关闭大气桥的敏感性试验,从动力学角度,考察了热带印度洋强迫通过ITF影响次年热带太平洋的物理过程。结果表明,当正IOD事件发生时,热带东印度洋出现冷海水上翻异常,该异常通过热带印度洋和热带太平洋之间唯一的海洋通道传播至热带西太平洋,引起海温冷异常,该海温异常不断向东传播并发展,使得次年热带太平洋呈现类La Ni(n)a状态。对于负IOD事件强迫,也可以通过ITF影响次年热带太平洋。简而言之,从统计学以及动力学角度的分析表明,CESM模式能较好地模拟热带印度洋IOD事件通过大气桥和海洋通道ITF影响次年热带太平洋的物理过程。因此,用CESM模式探讨印度洋海温初始误差对El Ni(n)o可预报性的影响是可行的。  其次,使用CESM模式,通过在热带印度洋叠加海温初始误差的理想回报试验,考察了热带印度洋海温初始误差对El Ni(n)o可预报性的影响。结果表明,当从El Ni(n)o的增长位相,即Jan(0)和Oct(-1)起报时,热带印度洋地区叠加的海温初始误差常常导致El Ni(n)o预报发生SPB现象。进一步研究发现,SPB的发生依赖于El Ni(n)o事件本身以及所叠加的海温初始误差,且最易导致El Ni(n)o预报发生SPB的印度洋海温初始误差可以分为两类:其中第一类印度洋海温初始误差呈现为西正东负的类似于正IOD事件的海温结构,而第二类海温初始误差则表现为西负东正的类似于负IOD事件的海温结构。两类海温初始误差在热带印度洋和热带太平洋具有不同的误差发展特征和物理机制。对于第一类海温初始误差,误差在热带印度洋的发展类似于正IOD事件衰减并转相为负IOD事件,而在热带太平洋地区,冷海温误差出现在西太平洋并不断发展东传,最终导致预报时刻热带太平洋地区出现冷海温预报误差,对于该类误差,印度洋海温初始误差主要是通过ITF影响热带太平洋的SSTA预报。而对于第二类海温初始误差,其在热带印度洋地区的发展类似于负IOD事件不断发展成熟,在热带太平洋,冷海温误差主要在热带东太平洋地区局地发展,在该类海温误差影响热带太平洋El Ni(n)o预报的过程中,大气桥起了主导作用。  最后,研究了印度洋海温初值敏感性在减弱El Ni(n)o事件预报SPB的影响,以及提高跨春季预报技巧中的作用。基于已得到的最易导致El Ni(n)o预报发生SPB的印度洋海温初始误差,研究确立了热带印度洋地区海温目标观测敏感区。理想的观测系统模拟试验表明,当海温初始误差仅存在于热带印度洋时,优先在热带印度洋敏感区内增加目标观测,相比在其他区域增加观测,能够更加显著地改善El Ni(n)o跨春季的预报技巧。特别的,作为更接近实际El Ni(n)o预报的情形,即热带印度洋和热带太平洋地区同时存在海温初始误差,优先改善热带太平洋海温目标观测敏感区内初始场,El Ni(n)o事件预报改善程度约为20.3%,进一步在热带印度洋目标观测敏感区内增加观测,El Ni(n)o预报结果的改善程度可以达到25.2%。虽然热带印度洋目标观测敏感区的体积只有太平洋目标观测敏感区体积的1/3,但是其目标观测平均收益与热带太平洋目标观测敏感区的平均收益相当,因此,对于El Ni(n)o事件预报,除了太平洋目标观测敏感区,热带印度洋海温目标观测敏感区也是一个非常有效的优先增加观测的敏感区。
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