厄爾尼諾(El Ni?o)是熱帶中東太平洋海溫異常增暖的海氣耦合現(xiàn)象,它的發(fā)生往往造成全球性的自然氣候災(zāi)害,因而備受國際社會和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。近幾十年來的不斷深入研究加深了對其動力過程的理解以及數(shù)值模擬和預(yù)報,但El Ni?o實時預(yù)報仍然存在著很大的不確定性。通常,初始場誤差和模式誤差被認(rèn)為是導(dǎo)致El Ni?o預(yù)報不準(zhǔn)確的主要原因。本文基于IOCAS ICM(中國科學(xué)院海洋研究所簡化的海氣耦合模式),利用條件非線性最優(yōu)擾動(CNOP)方法,考察初始場誤差和參數(shù)誤差以及其聯(lián)合效應(yīng)對El Ni?o可預(yù)報性的影響,并進(jìn)一步考察去除CNOP相關(guān)的敏感區(qū)的初始場誤差對預(yù)報改進(jìn)的效果,最后給出改進(jìn)模式的一些建議。本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)考察了ICM對熱帶太平洋海表溫度(SST)的模擬和預(yù)報能力。表明ICM能夠準(zhǔn)確模擬出具有4年準(zhǔn)周期振蕩的ENSO現(xiàn)象,在冬季振幅達(dá)到極值。ICM在中太平洋海區(qū)具有較高的預(yù)報技巧,但同其他模式一樣,在跨春季預(yù)報時,其預(yù)報技巧迅速降低,具有較強(qiáng)的春季預(yù)報障礙(SPB)現(xiàn)象。(2)揭示了模式中造成對El Ni?o預(yù)報最大不確定性的最優(yōu)初始場誤差(CNOP-I)時空特征。指出SST和海表高度(SL)的CNOP-I空間結(jié)構(gòu)與預(yù)報初始時刻所在季節(jié)有關(guān),這些初始場誤差會產(chǎn)生類似Bjerknes正反饋機(jī)制以及溫躍層反饋機(jī)制,從而產(chǎn)生類似La Ni?a模態(tài)的誤差演變過程�？疾霤NOP-I引起的季節(jié)性誤差增長,表現(xiàn)出較強(qiáng)的SPB現(xiàn)象。針對CNOP-I誤差極值的局地性特征,揭示了ICM對ENSO預(yù)報的敏感區(qū)主要在中西太平洋表層以及東太平洋次表層,這些為目標(biāo)觀測提供了理論指導(dǎo)。特別地,考慮到隨季節(jié)變化的CNOPI,暗示ICM的敏感區(qū)也隨季節(jié)變化,從而建議采用隨季節(jié)而變的適應(yīng)性觀測來改善預(yù)報模式初始場,會更有效提高模式對El Ni?o的預(yù)報能力,并能夠減弱SPB現(xiàn)象。(3)考察了CNOP-I相關(guān)的目標(biāo)觀測對El Ni?o預(yù)測技巧的提高程度。通過理想觀測系統(tǒng)模擬試驗。發(fā)現(xiàn),相對于其他地區(qū),若在赤道中太平洋地區(qū)增加觀測,能夠更有效地提高ICM對ENSO的預(yù)報技巧,可以使預(yù)報誤差減小25%左右;其次較為有效的地區(qū)為東太平洋。此外,也指出,僅僅去除某一區(qū)域的初始場誤差,會使其與初始場不匹配,從而甚至?xí)诡A(yù)報技巧降低。進(jìn)一步,實施CNOP-I相關(guān)的觀測網(wǎng),考察去除這些敏感區(qū)的初始場誤差對預(yù)報改善的效果,發(fā)現(xiàn)隨季節(jié)變動的觀測網(wǎng)更有利于抑制預(yù)報誤差的發(fā)展:例如在中太平海區(qū)增加觀測基礎(chǔ)上,若在4-10月份補(bǔ)充赤道東太平洋的觀測,會進(jìn)一步提高預(yù)報技巧,改進(jìn)預(yù)報效果達(dá)到62%以上。同時,這種CNOP-I相關(guān)敏感區(qū)的觀測網(wǎng)能夠有效削弱ENSO預(yù)報的SPB現(xiàn)象,而去除非敏感區(qū)的誤差并不會削弱SPB現(xiàn)象甚至?xí)訌?qiáng)SPB。因而對于目標(biāo)觀測要充分考慮敏感區(qū)的季節(jié)性變化,才能最大化預(yù)報技巧的提高,進(jìn)一步證實了CNOP-I確定的敏感區(qū)對ENSO預(yù)報的重要意義。(4)用CNOP方法探討了模式誤差對El Ni?o預(yù)報的影響,如海氣耦合相對系數(shù)()和溫躍層反饋系數(shù)(0))的模式參數(shù)誤差以及其初始場誤差共同作用所造成的El Ni?o預(yù)報不確定性。揭示了最優(yōu)模式參數(shù)誤差(CNOP-P)空間結(jié)構(gòu)與El Ni?o事件本身有關(guān),同樣其所造成的誤差增長也有很大的不確定性,在某些情況產(chǎn)生類似La Ni?a模態(tài)的誤差增長,也會出現(xiàn)El Ni?o模態(tài)的誤差增長。但是,CNOP-P誤差分布也有一定的局地性:誤差集中在中太平洋,0)誤差則集中在東太平洋冷舌區(qū)。這種誤差分布會使模式產(chǎn)生較強(qiáng)的Bjerknes正反饋和次表層對表層的熱力強(qiáng)迫效應(yīng),從而使得ICM模擬結(jié)果偏離真實海洋熱力狀況。進(jìn)一步,考察了在模式誤差和初始場誤差同時存在(C-CNOPs)的情況下,其對預(yù)報誤差發(fā)展的上限。指出,預(yù)報誤差的發(fā)展主要取決于初始場誤差,季節(jié)性的C-CNOPs引起的誤差演變與CNOP-I相似,而模式參數(shù)誤差引發(fā)的增強(qiáng)的Bjerknes正反饋和溫躍層效應(yīng)會進(jìn)一步擴(kuò)大誤差的發(fā)展。值得注意的是,CCNOPs也能產(chǎn)生類似SPB現(xiàn)象,所引起的季節(jié)性誤差增長遠(yuǎn)大于CNOP-P和CNOP-I以及CNOP-P和CNOP-I的線性組合(CNOP-I+CNOP-P);這表明SPB一方面可能由于特定類型的初始場誤差造成,同時模式的不確定性也會對ENSO預(yù)報技巧的季節(jié)性變化產(chǎn)生影響,而且當(dāng)模式誤差和初始場誤差同時存在的情況下,ICM對El Ni?o的預(yù)報更容易出現(xiàn)SPB現(xiàn)象,從而造成預(yù)報技巧降低。(5)提出了基于IOCAS ICM改進(jìn)ENSO預(yù)報技巧的新思路。在考察CNOPP或者C-CNOPs參數(shù)誤差的空間特征時,表現(xiàn)出明顯的局地特性:海氣系統(tǒng)相對耦合系數(shù)()誤差集中在中太平洋,次表層夾卷溫度反饋系數(shù)(0))誤差則集中在東太平洋冷舌區(qū)。換句話說,El Ni?o模擬對中太平洋的海洋和大氣的耦合關(guān)系特別敏感;同時,東太平洋冷舌區(qū)的次表層對表層的熱力強(qiáng)迫過程也對用ICM模擬及預(yù)報ENSO有著重要的意義。因此為了提高ICM對El Ni?o的準(zhǔn)確模擬及預(yù)報,除了提供更為精確的初始場外,對于中太平洋海洋與大氣間相互作用以及東太平洋冷舌區(qū)域次表層對表層的熱力強(qiáng)迫作用必須給予很好的處理,尤其是它們在數(shù)值模式中的表征和參數(shù)化方面。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院海洋研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P732.4
【部分圖文】：

圖 1.1 美國哥倫比亞大學(xué)國際氣候研究所提供的關(guān)于 14 個動力模式對 ENSO 的預(yù)報情況，黑線為觀測的 Nino3.4 指數(shù)，彩色線分別代表不同的模式（注意本工作所用的 IOCASICM 也被收錄其中），圖形來自 http://iri.columbia.edu/our-expertise/climate/forecasts/enso/current/準(zhǔn)確采用同化方法對預(yù)報技巧提高有著不可忽視的作用；第二是預(yù)報模式本身，基于所采用的海氣耦合模式或者復(fù)雜的氣候模式，積分相應(yīng)時間得到預(yù)報的時間序列。因此，預(yù)報模式和初始條件不確定性對預(yù)報誤差的產(chǎn)生備受國際學(xué)者重視。1.2.2.1 初始場誤差引起的 ENSO 預(yù)報不確定性初始誤差隨預(yù)報時間的增長問題，也被稱為第一類可預(yù)報性問題，對于任何氣候事件其預(yù)報時效總會存在上限，隨著預(yù)報時間的增長，預(yù)報將超過這個上限，因誤差太大，預(yù)報將失效。

基于條件非線性最優(yōu)擾動方法和 IOCAS ICM 的 ENSO 可預(yù)報性研究式參數(shù)誤差同時存在時對 ENSO 預(yù)報最大不確定性的影響。第五章是對本文的主要創(chuàng)新點及結(jié)論作總結(jié)討論，并對未來工作進(jìn)行展望

圖 2.1 ICM 構(gòu)成框架示意圖及耦合過程強(qiáng)迫八個月，得到 ICM 的初始場，隨后模式以自身耦合系統(tǒng)運(yùn)行。由于模式中對海氣耦合以及溫躍層對海表溫度的反饋采用了經(jīng)驗參數(shù)化，所在一定程度上，ICM 對海表溫度的模擬取決于兩個參數(shù)化的準(zhǔn)確性，特別是關(guān) 以及 的確定（Zhang et al. 2013b；Gao and Zhang 2016），當(dāng) 和 過大，模式模擬的 SST 變率振幅非常強(qiáng)，而過小時熱帶太平洋 SST 異常的變率表為衰減模態(tài)，積分多年后將不會產(chǎn)生 ENSO 振蕩。通過一系列敏感性試驗，本取 =0.87 和 =1.0。這樣，ICM 能夠模擬出維持準(zhǔn) 4 年周期震蕩的 ENSO 循。2 ICM 數(shù)值模擬所需數(shù)據(jù)及分析過程為了構(gòu)造 ICM 中兩個統(tǒng)計模塊（τ和 ）并進(jìn)行驗證，需要用到不同的觀測

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 陳蔚;管兆勇;;2015/2016年超強(qiáng)El Nio在成熟/衰減階段對澳洲夏季風(fēng)環(huán)流與降水異常的影響[J];大氣科學(xué)學(xué)報;2016年06期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 高川;基于一個中間型海氣耦合模式和四維變分同化方法改進(jìn)ENSO的模擬和預(yù)報[D];中國科學(xué)院研究生院(海洋研究所);2016年

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3 段晚鎖;非線性優(yōu)化方法在ENSO可預(yù)報性研究中的應(yīng)用[D];中國科學(xué)院研究生院（大氣物理研究所）;2003年

本文編號：2830733