ENSO预测的目标观测敏感区及其在减小春季预报障碍影响中的作用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chance_abc
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“春季预报障碍”(Spring Predictability Barrier,简记为SPB)现象是引起ENSO预报产生较大不确定性的主要原因之一。本文利用CESM模式(CommunityEarth System Model),依据条件非线性最优扰动(CNOP)方法的基本思想,从初始误差增长的角度,考察了易导致ENSO事件发生SPB的初始误差及其增长机制,研究确定了ENSO预测的目标观测敏感区,并进一步探讨了该敏感区在减小SPB影响、提高ENSO预报技巧中的作用。本论文的主要内容和结论如下:  (1)揭示了易导致El Ni(n)o事件发生显著SPB现象的初始误差及其增长机制。在热带太平洋叠加海温初始误差,对El Ni(n)o事件进行理想回报试验。结果表明,易导致El Ni(n)o发生显著SPB现象的初始误差主要呈现两类特定的空间结构:第一类误差的海表温度距平(SSTA)在赤道中东太平洋为负异常,次表层海温异常为东负西正的偶极子结构,其中赤道东太平洋上层为冷异常,西太平洋次表层为暖异常,称为type-1初始误差;第二类误差的SSTA在赤道东南太平洋为正异常,次表层海温异常为东正西负的偶极子结构,称为type-2初始误差。虽然两类初始误差结构不同,但是它们均形成类似La Ni(n)a事件的成熟模态,导致负的预报误差,低估El Ni(n)o的强度。其中,type-1类似一次La Ni(n)a事件的发展,而type-2的演变类似一次El Ni(n)o衰减后随之La Ni(n)a事件的发生发展过程。  (2)研究确定了ENSO预测的目标观测敏感区并验证了其在减小SPB影响中的作用。综合考虑初始误差大值区的局地性特征和预报误差的来源,分别依据type-1和type-2初始误差,将ENSO预测的目标观测敏感区确定为赤道东太平洋上层和赤道西太平洋次表层区域,各敏感区的体积约占整个热带太平洋体积的12%。敏感试验表明,与全场叠加初始误差相比,分别去除敏感区内和敏感区外的初始误差时,都可以减小El Ni(n)o的预报误差。但是,去除敏感区内的初始误差可以使El Ni(n)o预报结果的改善程度更高。并且,由于敏感区的体积远小于敏感区之外区域的体积,因此在敏感区内进行目标观测所得的平均收益远远大于非敏感区。进一步考察误差的季节增长发现,去除敏感区的初始误差也可以有效的减小预报误差在春季的增长倾向,减弱误差增长的季节依赖性,进而有助于减弱甚至消除SPB现象。因此,ENSO预测的目标观测敏感区指导我们,应当优先考虑在赤道东太平洋上层和赤道西太平洋次表层实施目标观测,以期较大程度的减弱SPB现象的影响,提高ENSO预报技巧。  (3)考察了El Ni(n)o和La Ni(n)a事件的“最优”前期征兆,并探讨了它们与上述两类初始误差的关系及其在目标观测中的应用。以“正常年份”作为参考态,在热带太平洋叠加海温初始扰动,结果表明,El Ni(n)o事件的“最优”前期征兆表现为赤道中东太平洋的SSTA负异常,次表层海温异常为东负西正的偶极子结构,其中位于赤道西太平洋次表层的海温暖异常较强;La Ni(n)a事件的“最优”前期征兆结构与El Ni(n)o几乎相反。分析前期征兆的演变过程发现,El Ni(n)o和La Ni(n)a的发生均源自于赤道西太平洋次表层的海温异常信号及其东传至赤道东太平洋后的不断发展,即赤道西太平洋次表层和赤道东太平洋表层是预测ElNi(n)o和La Ni(n)a发生的两个关键区域。计算相似指数发现,El Ni(n)o和La Ni(n)a的“最优”前期征兆结构均与type-2初始误差具有较高的相似性,尤其预测ENSO事件发生的关键区域与我们已确定的目标观测敏感区一致。这意味着,在敏感区内实施目标观测,提高初始场精度,不仅能够减小SPB对ENSO预报结果的影响,而且有助于捕获ENSO发生的前期信号,进而提高ENSO的预报技巧。  (4)比较分析了El Ni(n)o和La Ni(n)a事件的SPB现象。分析观测发现,El Ni(n)o和La Ni(n)a的增长位相都存在春季持续性障碍现象。然而,基于前期征兆发展的El Ni(n)o和La Ni(n)a事件,从初始误差增长的角度分析表明,El Ni(n)o预报误差增长的季节依赖性更强,预报误差更大,因而其SPB现象比La Ni(n)a事件更显著。此外,对La Ni(n)a事件通过理想回报试验也得到了两类易导致SPB的初始误差模态:第一类误差表现为赤道东太平洋的SSTA暖异常和东正西负的赤道次表层海温异常,其空间结构和演变特征与El Ni(n)o的type-1初始误差近似相反;第二类误差也表现为赤道东南太平洋的SSTA正异常,但次表层海温异常为东负西正的偶极子结构。与El Ni(n)o type-2初始误差不同,La Ni(n)a的第二类误差包含了赤道外10°N附近区域误差的影响。这种差异意味着,为了提高La nina事件的预报技巧,除了在敏感区内增加观测,还需要在赤道外10°N附近增加观测。
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