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行业专项成果综述-基于FGOALS-s、CMA和CESM气候系统模式的年代际集合预测系统的建立与研究

发布者:张洁   来源:   发布时间:2017/6/29 14:51:07   标签:   浏览次数:1502

项目编号GYHY201506012

研究周期20155—201812

国拨经费341万元

项目负责人】周天军

项目骨干成员】吴波、容新尧、韩振宇

项目承担单位】中国科学院大气物理研究所

项目协作单位】气象科学研究院、国家气候中心

主要研究成果

1. 发展基于EnOI-IAU方案的海洋初始化系统

我们采用集合最优插值(EnOI)Incremental Analysis Updates(IAU)相结合的同化方案,同化海洋表层及次表层的温度和盐度廓线资料EnOI可以看作集合卡门滤波(EnKF)的简化,其最大的优点是不需要进行集合模拟,因此可以大量节约计算资源,其背景误差协方差矩阵来自模式长时间积分控制试验的结果。IAU方案是一种结合了连续和间隔同化方法优点的同化技术,曾广泛应用于大气再分析同化系统的构建。与Nudging方案不同,IAU方案在一个同化循环过程中,预报方程中的分析增量保持不变,因而能够有效地减小同化过程中引入的短波噪音。项目使用EnOI方法得到分析增量,然后通过IAU方案将分析增量引入模式积分。我们将EnOI-IAU方案接入分别由大气物理研究所、气象科学研究院和美国大气研究中心(NCAR)开发的耦合气候系统模式FGOALS-s2CAMS-CSMCESM,并开展了同化试验。我们通过时间相关系数、均方根误差等指标检查了同化试验的技巧。对于FGOALS-s2同化试验得到的赤道中东太平洋(ENSO关键区)SST与观测的相关系数达到了0.91。同化试验得到的中纬度北太平洋(PDO关键区)和北大西洋(AMO关键区)10年滑动SST与对应观测的相关系数分别达到了0.730.9

2. 基于EnOI-IAU初始化系统开展的FGOLAS-S2模式年代际预测试验

我们以EnOI-IAU方案提供的初始场开展了3个成员的年代际回报和预报试验。回报和预报试验从每年的11月开始,自由积分10年,时间段覆盖1960-2015年。积分时间在2005年之前时,模式的外强迫场与历史气候模拟试验一致,而在2005年之后则与RCP4.5一致。相对于老版本的每隔5年起报一次,新版本的年代际预测试验每年起报,极大地增加了回报样本数。

我们通过与观测资料的相关分析检查了该年代际预测试验的回报技巧。对于SST,与CMIP5模式类似,FGOALS-s2年代际预测试验在印-太暖池区、南大洋和北太平洋具有较高的回报技巧。但是值得注意的是,对于大部分海区,特别是印-太暖池区,主要的预报技巧来自外强迫导致的全球变暖的趋势。因此,我们分析了去趋势的回报SST与对应观测的相关。FGOALS-s2年代际预测对中纬度北太平洋、热带大西洋和南印度洋等区域的年代际变化具有较高的预报技巧。年代际预测试验与历史气候模拟试验的区别在于,前者同化了海洋观测资料,因此我们期待年代际预测对于近期气候变化的回报技巧优于历史气候模拟试验。我们通过均方根误差技巧评分比较了初始化的年代际预测试验和未初始化的历史气候模拟试验对SST的回报技巧。年代际预测试验对北太平洋、南印度洋及热带北大西洋的预报技巧高于历史气候模拟试验。该结果与去趋势相关结果类似,表明年代际预测试验通过抓住海洋的初始状态,能够提高对这些海区的年代际变率的预报技巧。

3)基于EnOI-IAU初始化系统开展的CAMS-CSM模式年代际预测试验

基于气科院气候系统模式CAMS-CSM,建立了基于EnOI-IAU方案的同化系统,并开展了年代际回报试验。EnOI-IAU方案的初始化试验能较好地再现和观测一致的海温变化。在同化试验的基础上,开展了年代际回报试验。回报试验从19612005年每年起报,预报长度为10年。在2005年之前,辐射外强迫与历史气候模拟试验一致,之后与RCP4.5试验一致。回报试验的结果显示基于EnOI-IAU同化方案的预测系统的性能处于合理水平

 

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