第二代短期气候预测模式应用评估和关键技术研究

第二代短期气候预测模式应用评估和关键技术研究【项目编号】GYHY201206016【研究周期】2012年1月— 2014年12月【项目负责人】闫宇平【项目骨干成员】任宏利、金飞飞、闫宇平、吴捷、刘颖、陆波、左金清等【项目承担单位】国家气候中心【项目协作单位】南京信息工程大学【主要研究成果】建立了专门针对ENSO、MJO和亚洲季风模拟的模式检验评估新技术和新指标，形成了较为成熟和完备的气候模式检验评估体系，为BCC后续开展标准化气候模式检验评估及模式改进奠定了基础。

同时，研发出能够有效改进BCC二代模式ENSO和MJO模拟性能的新技术，研究成果及时反馈到气候模式发展中，同时边研发，边应于于气候监测和预测业务服务中，取得了明显效果。

（1）发展了ENSO、MJO和亚洲季风模拟检验评估技术，为开展标准化气候模式检验评估及模式改进奠定了基础。

研究工作主要围绕BCC第二代短期气候预测模式的检验评估展开，利用国际上在上述三种主要气候现象特征分析和动力学机制方面的最新研究成果，也融合了以往传统评估技术和指标，发展了用于检验评估ENSO、MJO和亚洲季风模拟性能的技术指标体系。

在ENSO评估方面，形成了包括ENSO时空特征、强度、类型、周期性、传播性、增长率、衍生模态和气候影响以及预报技巧等的指标体系。

在MJO评估方面，形成了包括MJO空间型、强度、时间尺度、频谱、传播以及预报技巧等的技术指标体系。

在亚洲季风评估方面，形成了包括亚澳季风主模态、东亚夏季风指数以及预报技巧评分等技术指标体系。

这一技术指标体系的建立为后续开展标准化气候模式检验评估和模式改进奠定了基础。

（2）发展了面向两类ENSO型和ENSO-年循环合成模态的检验评估技术。

研发了能够刻画冷舌型和暖池型两类ENSO型形态特征的新评估指标，建立了用于刻画ENSO-年循环合成模态（C-mode）的指标，评估了BCC中等分辨率（BCC-CSM1.1m）和低分辨率（BCC-CSM1.1）两个耦合模式对ENSO和C-mode空间结构、时间变率和形成机制的模拟能力，并与国际上其它模式进行了比较。

总体而言，BCC-CSN1.1m对ENSO和C-mode的时空变率都具有较好的把握能力，但BCC-CSM1.1对这两个模态的模拟能力有限。

（3）提出了改进二代模式ENSO强度和周期模拟的技术方法。

依据对ENSO 各项指标的综合评估，特别是针对二代模式模拟的ENSO周期严重偏短问题，提出了优化积云对流参数的模式改进方案，积分三十年的敏感性数值试验结果表明，通过逐步增大积云对流参数化方案中的夹卷系数，显著改进了模式对ENSO振幅和周期的模拟。

（4）发展了基于BCC二代模式的相似-动力ENSO预报系统。

利用动力相似预报理论中的相似误差订正方法，系统地分析了二代模式海温预报误差的内在规律及其与初始状态的关系，运用历史资料中的相似性信息对模式预报的ENSO进行误差订正，发展了基于二代模式的相似－动力ENSO预报系统，独立样本检验结果显示，经过误差订正后的模式预报的ENSO指数有较大幅度提高，已经用于业务预报。

（5）发展了奇异值向量扰动方法在ENSO模式预报中的应用技术。

发展完善了ENSO奇异向量初值扰动计算方法，使主要扰动模态得到快速和充分增长，并通过降维和时空转换实现在全球范围大矩阵的计算。

在BCC第二代模式业务系统平台上计算得到了基于2、5、8、11月份气候态的奇异向量，完成了模式20年集合回算。

与滞后平均法相比较，奇异向量法对ENSO预报技巧（特别是RMSE）有明显改进，已经实现了模式的业务试运行。

（6）实现了对BCC二代DERF模式和耦合模式MJO预报性能的综合评估。

通过对热带地区的经向（15ºS-15ºN）平均的OLR场、850hPa和200hPa纬向风场进行多变量EOF分析，提取MJO主模态，评估了BCC二代模式对热带大气低频振荡（MJO）的模拟性能；开展了BCC二代月动力延伸（DERF）模式对MJO预报回报试验和预报性能评估以及实时预报技巧评估，定量确定了二代模式对MJO的预报能力和有效预报时间。

同时完成了ENSO和IOD对MJO影响调制作用的评估。

（7）提出了改进二代模式MJO模拟的技术方法。

通过采用滤波、频谱分析、超前-滞后相关和降水方程诊断等方法研究了二代模式对北半球夏季季节内振荡（BSISO）与季节平均态的正反馈机制，发现模式的平均态偏差与对流参数化方案可能是影响MJO/ISO模拟的主要因素，提出了通过修正平均态偏差与增强对流触发水汽条件来改进MJO模拟的方法，敏感性试验结果表明，该技术方法初步改进了模式对于MJO主周期的模拟效果。

（8）利用季节EOF（SEOF）方法完成了二代模式的亚洲季风模拟评估。

着眼于亚澳季风系统（AAM）主要模态的年际变化特征，运用季节SEOF方法评估了二代模式对AAM的模拟能力。

结果表明，该模式可以再现观测中AAM第一模态的三个主要特征，但对主要降水区的模拟存在不确定性。

相比之下，模式对AAM第二模态的季节演变捕捉能力较差，不能反映出观测中模拟的风场与ENSO的超前滞后关系。

模式模拟的各变量场与观测相比强度偏弱。

（9）发展了基于二代模式的组合统计降尺度预报系统。

综合利用热带太平洋海温、海冰等前期观测因子，以及气候预测模式预报的同期大气环流，发展了一种组合的统计降尺度预报模型。

运用该模型开展了面向我国冬季和夏季降水的历史回报检验。

将该模型应用于2014年我国汛期降水预测中，PS评分达到67分。

【成果应用情况】项目一直秉承边开发，变应用的理念，在针对ENSO、MJO和亚洲季风研发新的模式评估指标的基础上，发展了相应的监测指标并应用于业务实践中，同时重点针对国家气候中心气候预测业务模式在ENSO模拟和预测方面存在的不足之处，发展了适用于预测业务模式ENSO预报的相似误差订正方法和应用技术，并及时应用于国家气候中心业务监测和预测中，取得较好的服务效果。

MJO的监测预测技术还填补了国家气候中心的空白。

充分体现了模式在评估中应用，在应用中发展的良性循环机制。

应用国际上最新ENSO、MJO和亚洲季风等动力学机制研究成果，针对BCC第二代短期气候预测模式，研发了一套适用于ENSO、MJO和亚洲季风模拟性能的检验评估技术指标体系，应用该指标体系，系统评估了二代模式对ENSO、MJO和亚洲季风的模拟能力，该指标体系经国家气候中心业务处和中国气象局预报司认可，已经作为业务预报检验技术发展的重要参考。

其中MJO的检验评估指标已于2014年应用到了DERF2.0历史回报和实时业务预报的检验评估中。

针对国家气候中心气候预测业务模式在ENSO模拟和预测方面存在的不足之处，将我国学者提出的动力相似预报理论运用到ENSO模式预报中，发展了适用于业务模式ENSO预报的相似误差订正方法和应用技术。

建立了基于二代模式的相似-动力ENSO预报系统。

该系统从2013年春季开始在国家气候中心业务服务中应用，特别对2014年和今年以来的厄尔尼诺事件把握较好。

综合利用物理统计和气候模式预报信息，开发了基于BCC二代模式的组合统计降尺度预测模型，有效提升了模式对于季风区降水和温度的预报技巧。

在2013，2014年汛期会商中提供了有关预测意见。

气候模式对于ENSO、MJO和亚洲季风的模拟性能是国际上用于衡量模型性能的常用指标。

本项目所取得研究成果正是填补了国家级业务单位气候模式研发中存在的空白，通过吸纳国际上最新的动力学研究成果，提出多个模式评估新指标、发展了多项模式评估和模式改进的新技术和新方案。

更为重要的是，在研发新技术的同时，成果在国家气候中心业务服务中进行了应用试验，在ENSO、MJO 和季风区气候监测和预测方面取得了显著成效。

基于二代模式的组合统计降尺度预测模型，我们给出了2013，2014年夏季降水预测意见，两年中中国汛期降水预测PS评分分别为71和67分。

研究成果的转化受到计算机资源等的限制，始终不能进行全面的业务试验和检验，受此影响很多新技术方案只能是边试验、边检验，这就无法实现规范统一的试验-检验标准，从而影响到业务人员对于新技术方案性能和信度的把握；另一是ENSO、MJO和亚洲季风在现有气候预测的业务中所占的比重较小，由于其对气候影响的重要性，需要在进行预报时更多加以关注。

【成果代表图片】（1）构建了新的ENSO指数，并利用二代模式开展了ENSO各指数实时监测和预测，在2014-2015国家气候中心的ENSO实时监测预测中发挥了重要作用。

目前国际上评估ENSO模拟性能的定量指标（如Niño3，Niño3.4，Niño4指数等），几乎无法对两类ENSO现象，即冷舌型（CT）和暖池型（WP）ENSO进行分别评估。

基于传统的NINO3和NINO4指数，我们构建的CT和暖池WP指数能够较好刻画和区分两类ENSO演变特征（图1），为ENSO的定量模拟评估和监测奠定了基础。

图1 两类ENSO指数（Nino-CT和Nino-WP指数）实时更新的近两年演变（上图）和各自的多年演变图（中、下图）利用BCC二代模式，结合物理统计预报模型及相似-动力预报模型，能够给出ENSO各指数的近期演变监测（过去12个月）和不同预报方法综合集成预报（未来13个月）（图2）。

（2）定量确定了BCC二代月动力延伸预测模式业务系统DERF2.0对MJO的预报能力和有效预报时间，为MJO监测预测系统的建立提供了强有力的支撑。

如图3所示，由COR、RMSE和MSSS三种技巧评分方法得到DERF2.0对MJO 预报时长平均为14天，秋季模式预报技巧最高，可达19天，春季预报技巧最低，仅为12-13天。

当预报起始时MJO位于第2和第3位相时，模式预报技巧最高，可超过18天；当初始MJO位于第7位相时，模式预报技巧不足13天（图略）。

由此可见，当预报起始时刻MJO对流处于印度洋发展阶段时，预报技巧较高，而若此时对流处于中太平洋衰亡阶段时，预报技巧较低。