基于耦合气候系统模式的延伸期相似误差订正预报研究

Focusing on the extended range forecasting problem of utilizing dynamical model, predictive skill of the Atmospheric General Circulation Model (AGCM) and coupled Climate System Model (CSM) of Beijing Climate Center on the timescale of extended range was verified and compared. Investigating the model performance on extended range after introducing different underlying sea surface conditions and general circulation of atmosphere’s response to external forcing, such as sea surface temperature (SST), thus provide scientific basis for extended range forecast based on coupled CSM. Based on the spatial-temporal distribution of coupled CSM’s predictive skill and forecast errors on extended range in the background the different tropical SST, revealing the possible correlation and mechanism between model predictive skill, forecast errors and SST, general circulation of atmosphere, etc. Propose a new method of bias correction for extended range forecast based on evolving analogue of general circulation of atmosphere and different background of SST. In this way, the source of predictability of extended range would be extended from initial value alone to model initial conditions, external forcing, model hindcast and historical observational data, maximizing the potential for enhancing the predictive capability of extended range through exploring and utilizing useful predictive information contained in the model hindcast and real-time prediction.

针对利用动力模式开展延伸期时段气候要素预报这一关键科学技术问题，对仅依赖于初值信息的大气环流模式和耦合气候系统模式在延伸期时段的预报技巧进行回报检验和对比评估，考察模式环流对海温等外强迫信号的响应以及引入下垫面外强迫信息后，模式在延伸期时段预报技巧的改善情况，为利用耦合气候系统模式开展延伸期预报提供科学依据。基于不同海温背景下耦合气候系统模式的延伸期预报技巧和预报误差时空分布研究成果，通过对模式误差的诊断分析给出模式要素预报技巧和误差与海温、关键环流系统的可能联系和机理，建立基于不同海温背景和大气环流演化相似的延伸期预报误差订正流程。将延伸期时段模式可预报性来源由单一的初值信息扩大到模式初始场、外强迫信号以及模式回报和历史观测数据，充分挖掘利用模式回报和实时预报中的有效预报信息，提升延伸期时段的预报技巧。

延伸期预报是当今大气科学领域困难而又迫切需要解决的科学问题。延伸期时间尺度处于天气预报和短期气候预测之间，其可预报性来源既与初值，也和下垫面的异常密切相关。随着模式性能的不断改善，数值模式已经成为短期气候预测的主要工具。较之基于大气环流模式的动力延伸预报，耦合气候系统模式对延伸期时段的环流及气候要素的预测技巧是否有所提升？如何充分利用模式历史回报和实时预报数据，提取模式预报信息，有效提高延伸期时段的预报能力？针对上述科学问题，本项目利用国家气候中心耦合气候系统模式BCC_CSM1.2和大气模式BCC_AGCM2.2进行延伸期预报的检验评估的对比分析，给出模式在不同海温外强迫条件下的预报技巧检验信息。并在模式延伸期预报能力检验评估的基础上，充分利用模式历史回报及实时预报数据，建立了数值模式的误差概率订正预报系统，有效的提升了延伸期时段的预报能力。.系统评估了耦合气候系统模式对北半球阻塞高压发生频次、强度和区域阻塞高压事件空间形态等的模拟和预测能力，以及模式对延伸期时段阻塞高压过程的预报技巧。分析了北半球阻塞高压发生频次与ENSO和北大西洋涛动等气候因子的联系，以及数值模式对阻塞高压导致的大范围极端低温事件二者之间配置关系的模拟能力。对比分析了大气模式和耦合模式对延伸期时段西太副高的模拟和预测能力，结果表明耦合模式对西太副高的空间形态的模拟较之大气模式有一定改进，但对强度、面积以及脊线位置等的模拟与实况之间仍然存在较大的系统性偏差。去除季节尺度信号后耦合模式对西太副高面积和强度在未来第3、4周仍有一定的预报能力，但对脊线和西伸脊点位置的预报技巧相对较低。不同ENSO冷暖位相背景下模式对西太副高各特征指数预报技巧分析表明，赤道中东太平洋存在海温强信号时模式对西太副高的预报技巧要高于中性状态。