北半球夏季次季节到季节多尺度气候可预测性对海温初值记忆频率和海气耦合过程的敏感性研究

A strategy for unified weather-climate prediction is proposed in numerical forecast field in recent years, and it pays especially more attention to the forecast of sub-seasonal scale, which is between the synoptic scale and the seasonal scale. To address the sub-seasonal prediction problem, a complete understanding on the roles of underlying ocean initials and sea-air interaction is necessary. Given that previous researches did not attached much importance to the dependence of sea temperature initial condition and its frequency on forecast time scale, this project, using lots of numerical experiments by climate models in Beijing Climate Center, will explore the impact of sea temperature memory frequency on predictability of multi scales (i.e., 10-20 days, 20-90 days, beyond 90 days), as well as the differences of impact among these time scales. Also, a key scientific question for unified weather-climate prediction is that whether the coupled one-tier method is completely qualified for the subseasonal to seasonal seamless prediction and is able to replace the uncoupled two-tier method for forecast of short time scale. To focus on this subject, several groups of coupled and uncoupled forecast experiments are conducted to objectively reveal the influences of sea-air coupling process on subseasonal to seasonal climate predictability and the influences’ differences among various scales and regions.

近年来国际数值预报领域提出“天气气候一体化预测”的发展思路，对介于天气尺度和季节尺度之间的次季节尺度预测尤为关注，而针对该尺度预测问题的研究亟需加深对下垫面海洋初值及海气相互反馈过程作用的全面认识。鉴于以往研究并没有详细探讨海温初值及其频率的重要程度是否会明显依赖于预测时间尺度，本项目拟利用国家气候中心气候模式开展大量数值试验，探讨海温初值记忆频率对次季节到季节多时间尺度（包括10-20天尺度、20-90天尺度、90天以上尺度）气候可预测性的影响，以及这种影响在不同预测尺度间的差异；同时，针对一体化预测需要解答的重要科学问题（耦合“一步法”是否能够完全胜任次季节到季节尺度的无缝隙气候预测？是否能够在短时间尺度预测中取代非耦合“两步法”？），本项目拟设计多组耦合和非耦合预测试验，客观揭示海气耦合过程本身对次季节到季节多尺度气候可预测性的作用，以及这种作用在不同预测尺度及区域间的差异。

次季节-季节尺度气候预测是数值预报领域的热点问题，针对该尺度预测问题的研究亟需加深对下垫面海洋初值及海气耦合过程作用的全面认识。本项目利用国家气候中心单独大气模式和耦合气候系统模式开展了大量数值预测试验，研究了海表温度（SST）初值记忆频率和海气耦合过程对次季节–季节气候可预测性的影响，得到主要结果如下：（1）气候预测模式尤其是耦合预测模式SST初值频率的增加会在一定程度上改进亚洲夏季风区的季节尺度气候预测，同时改善夏季季节内振荡（BSISO）的预测，其中对30-90天尺度的BSISO1的预测改进程度高于10-30天尺度的BSISO2预测。（2）耦合预报相比非耦合预报对热带印度洋到西北太平洋地区的季节尺度环流有更高预测技巧，二者的预报SST差异是重要的影响因素；同时，耦合和非耦合预报SST的差异会在一定程度上影响BSISO1预报技巧的差异，但对BSISO2预报的影响较小。（3）增加海温初值频率可以改善西北太平洋地区的大气辐合辐散和下垫面蒸发过程，进而改进与BSISO活动相关的湿静能变化特征，提高BSISO的预测技巧；耦合预报相比非耦合预报能更好地刻画亚洲夏季风区的海温和环流关系，所以海气耦合过程的合理刻画对改善亚洲夏季风区环流季节预测非常重要。（4）采用高频率海温初值的耦合“一步法”预报可以把中国气象局气候业务模式对次季节气候关键指标的预测能力提升至国际先进水平。本项目研究强调了高频率海温初值对气候模式预测的重要性，指出耦合模式“一步法”预报相比单独大气模式“两步法”预报的优势以及SST差异在其中所起的作用，为数值气候预测研究或业务采用“一步法”预报模式和高频率海温初值条件提供了详实的科学依据，对改善次季节-季节气候业务预测效果有重要应用价值。