海溫強(qiáng)迫下的東亞夏季大氣環(huán)流潛在可預(yù)報(bào)性特征

李忠賢，陳海山，曾剛，倪東鴻

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044)

0 引言

大氣是一個(gè)多時(shí)空尺度的系統(tǒng)，這種特性決定了大氣的可預(yù)報(bào)性具有較強(qiáng)的時(shí)空依賴性。大氣運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為一個(gè)混沌系統(tǒng)，由于其內(nèi)部動(dòng)力不穩(wěn)定和非線性相互作用抑制了對(duì)大氣環(huán)流的確定性預(yù)報(bào)，隨之出現(xiàn)了可預(yù)報(bào)性極限，導(dǎo)致天氣預(yù)報(bào)時(shí)效只有兩周左右(Lorenz，1982)。李建平和丑紀(jì)范(2003)指出大氣的可預(yù)報(bào)性遵循單調(diào)性原則，即在相同的初始特征和外源強(qiáng)迫特征條件下，時(shí)空尺度較大的系統(tǒng)具有較大的可預(yù)報(bào)性。季節(jié)—年際時(shí)間尺度的大氣環(huán)流變化主要有兩個(gè)方面的原因:一是由大氣內(nèi)部的動(dòng)力不穩(wěn)定及其非線性相互作用所產(chǎn)生的影響，它在一定意義上也可歸結(jié)為初始場(chǎng)的影響;二是由氣候系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，如海溫、海冰、積雪、土壤濕度等異常下邊界條件的強(qiáng)迫作用。因此，氣候或大氣的可預(yù)報(bào)性是由大氣內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程和緩變的邊界強(qiáng)迫共同決定的。緩變的邊界強(qiáng)迫異常將產(chǎn)生潛在的可預(yù)報(bào)性，這構(gòu)成了短期氣候預(yù)測(cè)的科學(xué)基礎(chǔ)(李崇銀，2000;Collins and Allen，2002)。

中國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū)，受東亞季風(fēng)年際變化影響，氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生頻率較高，旱、澇災(zāi)害極大地影響中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，對(duì)月、季時(shí)間尺度旱、澇氣候，尤其是汛期旱、澇趨勢(shì)的預(yù)測(cè)是中國(guó)氣象學(xué)家的一項(xiàng)重要課題(丑紀(jì)范和徐明，2001)。氣候的可預(yù)報(bào)性一直是氣象學(xué)家研究的核心問(wèn)題。隨著人們對(duì)短期氣候預(yù)測(cè)需求的增強(qiáng)，關(guān)于短期氣候預(yù)測(cè)可預(yù)報(bào)性問(wèn)題的研究也在不斷深入，可預(yù)報(bào)性研究不僅可以提高對(duì)氣候和氣候變化特征的認(rèn)識(shí)，還有助于完善氣候模式，改進(jìn)氣候預(yù)測(cè)(王會(huì)軍等，2007)。

短期氣候預(yù)測(cè)的可預(yù)報(bào)性表示較長(zhǎng)時(shí)間尺度里大氣可預(yù)報(bào)的程度，即可預(yù)報(bào)的氣候信號(hào)超出不可預(yù)報(bào)的氣候噪音的程度。許多學(xué)者(Madden，1976;Shukla and Gutzler，1983;Trenberth，1984;樂(lè)群等，1999;柳艷菊等，2000)利用觀測(cè)資料(或者再分析資料)分析了實(shí)際大氣月、季平均的氣候可預(yù)報(bào)性問(wèn)題。但是，利用大氣實(shí)際資料所得到的較長(zhǎng)時(shí)間尺度可預(yù)報(bào)性實(shí)際上包含了依賴于初值條件的動(dòng)力學(xué)可預(yù)報(bào)性和外界強(qiáng)迫影響下的可預(yù)報(bào)性兩個(gè)方面(李建平和丁瑞強(qiáng)，2008)，將它們嚴(yán)格地分離開是不可能的，因此，迄今還沒(méi)有一種完全嚴(yán)格的方法可以用來(lái)估計(jì)實(shí)際大氣的氣候噪音和氣候信號(hào)(趙曉川等，2008)。

隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)需求的增長(zhǎng)，短期氣候數(shù)值預(yù)測(cè)越來(lái)越引起人們的關(guān)注(丑紀(jì)范和徐明，2001)，其中應(yīng)用氣候模式分析可預(yù)報(bào)性，已成為氣候研究非?；钴S的領(lǐng)域(趙彥等，2000;范曉青等，2003;Zhou et al.，2009;Zhou and Zou，2010)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者往往利用數(shù)值模擬的辦法進(jìn)行集合試驗(yàn)，分析模式大氣對(duì)給定的外強(qiáng)迫源的響應(yīng)(Zwiers，1996)。由于海溫通常被認(rèn)為是最主要的大氣下邊界強(qiáng)迫，因此許多學(xué)者(王會(huì)軍等，1997;Kusunoki et al.，2001;Quan et al.，2004;Lang and Wang，2005)利用觀測(cè)海溫資料強(qiáng)迫大氣環(huán)流模式(AGCM)來(lái)研究月、季平均的氣候可預(yù)報(bào)性，結(jié)果表明，短期氣候的可預(yù)報(bào)性隨地理位置和季節(jié)不同而不同，可預(yù)報(bào)性在熱帶地區(qū)高于熱帶外地區(qū)，冬半球的可預(yù)報(bào)性高于夏半球。施洪波等(2008)利用參加第2次季節(jié)預(yù)測(cè)模式比較計(jì)劃的5個(gè)大氣環(huán)流模式的輸出結(jié)果，討論了大氣環(huán)流模式在季節(jié)尺度上對(duì)亞洲夏季風(fēng)的可預(yù)報(bào)性，研究表明，多數(shù)模式可以大致再現(xiàn)東亞、南亞和西太平洋夏季降水異常EOF1模態(tài)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。趙彥等(2000)利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所兩層大氣環(huán)流模式IAP L2 AGCM 1-1進(jìn)行17 a(1980—1996年)、每年9個(gè)單個(gè)積分的集合后報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在中國(guó)區(qū)域，春季和夏季的降水場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)以及表面氣溫場(chǎng)的可預(yù)報(bào)性從中國(guó)南海向西北遞減。此外，研究指出模式大氣的短期氣候可預(yù)報(bào)性與ENSO事件存在密切聯(lián)系(Zhou et al.，2009)，與正常年份相比，模式在強(qiáng)El Ni～no年和強(qiáng)La Ni～na年表現(xiàn)出較高的可預(yù)報(bào)性(Brankovic and Palmer，1997;Yang et al.，1998;Hassan et al.，2004)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了短期氣候預(yù)測(cè)的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題，但針對(duì)夏季東亞地區(qū)大氣環(huán)流潛在可預(yù)報(bào)性的研究還較為缺乏。本文主要利用NCAR CAM3模式分析海溫強(qiáng)迫作用下東亞地區(qū)夏季大氣環(huán)流的潛在可預(yù)報(bào)性，并探討其與夏季海溫異常的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用大氣環(huán)流模式NCAR CAM3進(jìn)行多初值的集合試驗(yàn)，采用方差分析方法，研究觀測(cè)海溫(具有年際變化)強(qiáng)迫下的夏季東亞地區(qū)模式大氣的潛在可預(yù)報(bào)性。在1979—2000年的每年夏季(6—8月)的前1個(gè)月(5月)用8個(gè)初始場(chǎng)(即5月1日00時(shí)、2日00時(shí)、……、8日00時(shí))進(jìn)行積分(即積分時(shí)分別取5月1—8日00時(shí)NCEP/NCAR再分析的大氣資料作為初值，8個(gè)初值積分的結(jié)果作為一個(gè)集合)，積分時(shí)間為4個(gè)月，海溫資料為CAM3模式攜帶的1979—2000年逐月的觀測(cè)海溫資料，該資料是HadISST OI數(shù)據(jù)和Smith/Reynolds數(shù)據(jù)的結(jié)合。

1.2 方差分析方法

在模式大氣潛在可預(yù)報(bào)性分析中，廣泛采用了方差分析方法(Yang et al.，1998)。具體描述如下。

在某一格點(diǎn)上，假定φi，j是某一氣象要素第i個(gè)積分、第j年的月(或季)平均值，分別計(jì)算樣本總體平均值，以及第j年的集合平均值，其中＜φ＞j隨年份不同而變化。定義

為外部方差，即由海表溫度異常等外強(qiáng)迫變化引起的年際變率;定義

為內(nèi)部方差，即由大氣內(nèi)部動(dòng)力原因引起的自然變率，它反映了單個(gè)積分成員之間的離散度。二者之和被稱作總方差，

其中:M為初始場(chǎng)的個(gè)數(shù)(M=8);N為積分的年數(shù)(N=22)。外部方差與總方差之比被記作R，作為模式大氣潛在可預(yù)報(bào)性的指標(biāo)。它反映了外強(qiáng)迫引起的外部方差在變量總方差中所占的比例。R越大，說(shuō)明外強(qiáng)迫對(duì)氣候變量的影響越大，當(dāng)R＞0.5時(shí)，說(shuō)明外強(qiáng)迫的作用超過(guò)了大氣內(nèi)部動(dòng)力學(xué)原因的作用，外強(qiáng)迫對(duì)氣候變量具有較大的潛在可預(yù)報(bào)能力。

為了分析海溫強(qiáng)迫產(chǎn)生的模式大氣可預(yù)報(bào)性的年際變化，對(duì)特定年份(第j年)外部方差與內(nèi)部方差，可由下式(Shukla and Gutzler，1983;Quan et al.，2004)計(jì)算:

第j年的模式潛在可預(yù)報(bào)性可表示為:

2 夏季東亞大氣環(huán)流潛在可預(yù)報(bào)性分析

圖1給出了夏季東亞地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性(R)的空間分布。如圖1所示，東亞地區(qū)的潛在可預(yù)報(bào)性總體偏低，基本小于0.6。在中國(guó)區(qū)域，潛在可預(yù)報(bào)性呈現(xiàn)出東南高、西北低的分布特征，中國(guó)華南地區(qū)R大于0.5，表現(xiàn)出一定的可預(yù)報(bào)性，而西北地區(qū)的可預(yù)報(bào)性低，R小于0.3。

圖1 東亞地區(qū)夏季海平面氣壓場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性分布Fig.1 Spatial pattern of potential predictability for sea level pressure over East Asia in summer

圖2為夏季東亞850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性(R)的空間分布。如圖2所示，東亞地區(qū)850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性在低緯度地區(qū)明顯高于中高緯度地區(qū)，R大于0.5的區(qū)域主要分布在20°N以南，中國(guó)區(qū)域R基本為0.2～0.5，可預(yù)報(bào)性較低。

圖2 東亞地區(qū)夏季850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性分布Fig.2 Spatial pattern of potential predictability for summer zonal wind at 850 hPa over East Asia

用500～200 hPa平均的溫度場(chǎng)來(lái)代表對(duì)流層平均溫度。Zhou and Zou(2010)研究表明，夏季東亞地區(qū)對(duì)流層平均溫度變化具有較高的可預(yù)報(bào)性。如圖3所示，對(duì)流層平均溫度場(chǎng)的可預(yù)報(bào)性明顯高于海平面氣壓場(chǎng)和850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)。20～30°N對(duì)流層平均溫度場(chǎng)的可預(yù)報(bào)性基本呈緯向分布，30°N以南地區(qū)R基本為0.5～0.9，中國(guó)華南部分地區(qū)R大于0.7，表現(xiàn)出了較高的可預(yù)報(bào)性。

圖3 東亞地區(qū)夏季500～200 hPa平均溫度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性分布Fig.3 Distribution of potential predictability for the temperature averaged from 500 to 200 hPa over East Asia in summer

圖4給出了夏季東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性(R)的空間分布。如圖4所示，R在東亞地區(qū)基本上呈緯向分布特征，從中高緯度地區(qū)向低緯度地區(qū)不斷增大，35°N以南地區(qū)R基本為0.5～0.8，中國(guó)華南地區(qū)R大于0.7，表現(xiàn)出了較高的可預(yù)報(bào)性。總體而言，夏季東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性較高。

圖4 東亞地區(qū)夏季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性分布Fig.4 Spatial pattern of potential predictability for summer geopotential height at 500 hPa over East Asia

3 夏季東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化及其與海溫異常的聯(lián)系

圖5是夏季東亞地區(qū)(100～125°E，20～45°N)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化?？梢钥闯觯?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性具有較強(qiáng)的年際差異，如1998年R為0.91，而1996年R僅為0.10。

圖5 1979—2000年夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化Fig.5 Interannual variation of potential predictability for summer geopotential height at 500 hPa over East Asia from 1979 to 2000

為了分析影響東亞大氣環(huán)流潛在可預(yù)報(bào)性年際變化的夏季海溫關(guān)鍵區(qū)，計(jì)算了1979—2000年夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性與同期全球各點(diǎn)海溫距平的絕對(duì)值的相關(guān)系數(shù)(圖6)。圖6顯示，南海、西太平洋和北印度洋的相關(guān)系數(shù)較高，尤其是南海區(qū)域，相關(guān)系數(shù)值大于0.6，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。而在熱帶中東太平洋地區(qū)的相關(guān)系數(shù)值較小，為0.2左右。1979—2000年夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性與Nino3.4區(qū)海溫距平絕對(duì)值的相關(guān)系數(shù)僅為0.27，未通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)。可見(jiàn)，夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化與夏季南海海溫異常存在密切的聯(lián)系，而與夏季熱帶中東太平洋海溫的關(guān)系并不明顯。夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性與前期冬季和春季熱帶中東太平洋海溫存在較好的相關(guān)性(圖略)。

圖7給出了夏季南海區(qū)域(100～120°E，0°～20°N)海溫距平的年際變化。對(duì)比圖7和圖5可以看到，在南海區(qū)域海溫距平絕對(duì)值較大的年份，東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性也較大，而南海區(qū)域海溫距平絕對(duì)值較小的年份，東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性也較小。

圖6 夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)潛在可預(yù)報(bào)性與夏季海溫距平絕對(duì)值的相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)表示通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.6 Correlation coefficients of potential predictability of the summer 500 hPa geopotential height over East Asia and absolute value of summer SST anomalies(the shaded regions denote the CC exceeding the 0.01 significance level)

圖7 1979—2000年夏季南海區(qū)域海溫距平的年際變化(單位:℃)Fig.7 Interannual variation of summer SCS SST anomaly from 1979 to 2000(units:℃)

圖8為1979—2000年夏季南海區(qū)域海溫距平絕對(duì)值與東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的相關(guān)系數(shù)。如圖8所示，東亞地區(qū)的相關(guān)系數(shù)較高，基本大于0.4，30°N以南地區(qū)相關(guān)系數(shù)大于0.6，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)?？梢?jiàn)，夏季南海區(qū)域海溫異常的強(qiáng)度對(duì)東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性具有重要影響。

為了進(jìn)一步分析夏季南海區(qū)域海溫異常對(duì)同期東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的影響，分別選取了4個(gè)夏季南海海溫偏暖年(1987、1988、1995、1998年)、4個(gè)夏季南海海溫偏冷年(1982、1984、1985、1994年)和4個(gè)正常年份(1980、1981、1997、2000年)，以比較在不同的南海海溫狀況下，夏季東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的差異。

圖8 夏季南海海溫距平絕對(duì)值與東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)潛在可預(yù)報(bào)性的相關(guān)系數(shù)(帶點(diǎn)號(hào)區(qū)域表示通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.8 Correlation coefficients of the absolute value of summer SCS SST anomaly and potential predictability of the summer 500 hPa geopotential height over East Asia(areas with dots denote the CC exceeding the 0.01 significance level)

圖9a和9b表明，夏季南海海溫偏暖年和偏冷年，東亞地區(qū)的潛在可預(yù)報(bào)性在30°N以南地區(qū)基本為0.6，表現(xiàn)出了較高的潛在可預(yù)報(bào)性。而在夏季南海海溫正常年份，東亞地區(qū)潛在可預(yù)報(bào)性基本小于0.3，明顯偏低?？梢?jiàn)，夏季南海海溫異常對(duì)東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的可預(yù)報(bào)性具有非常重要的影響。

圖9 夏季南海海溫偏暖(a)、偏冷(b)與正常(c)年份的東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性Fig.9 Spatial patterns of potential predictability for summer geopotential height at 500 hPa over East Asia for(a)warmer，(b)colder and(c)normal SCS SST years

4 結(jié)論和討論

利用大氣環(huán)流模式NCAR CAM3，進(jìn)行了22 a(1979—2000年)、每年8個(gè)初值的集合試驗(yàn)，并采用方差分析方法，研究了觀測(cè)海溫強(qiáng)迫下東亞夏季大氣環(huán)流的潛在可預(yù)報(bào)性，結(jié)論如下:

1)夏季東亞地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性偏低，在中國(guó)區(qū)域基本呈現(xiàn)出東南高、西北低的分布特征，華南地區(qū)的可預(yù)報(bào)性明顯高于西北地區(qū)。850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)、對(duì)流層500～200 hPa平均溫度場(chǎng)和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性在低緯度地區(qū)高于中高緯度地區(qū)。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性較高，東亞大部分地區(qū)大于0.5，尤其中國(guó)華南地區(qū)大于0.7。

2)夏季東亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性具有明顯的年際變化特征，并與夏季南海區(qū)域的海溫異常具有密切的聯(lián)系。南海區(qū)域海溫為正常年份時(shí)，夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性較低，基本小于0.3;南海區(qū)域海溫為偏暖或偏冷年份時(shí)，夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性較高，尤其是30°N以南地區(qū)的潛在可預(yù)報(bào)性大于0.6。

基于NCAR CAM3模式多初值集合試驗(yàn)的模擬結(jié)果，分析了海溫對(duì)夏季東亞大氣環(huán)流可預(yù)報(bào)性的影響。分析發(fā)現(xiàn)，夏季東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化與夏季熱帶中東太平洋海溫的相關(guān)性并不高。這可能是由于ENSO的影響多在前冬至春季最顯著，隨著與ENSO相關(guān)的海溫異常的衰減，夏季熱帶中東太平洋海溫與東亞大氣環(huán)流異常的相關(guān)性減弱。此外，在集合試驗(yàn)中，每年只積分了5—8月的情況，如果從前期冬季開始積分，則有可能會(huì)提高ENSO與東亞夏季大氣環(huán)流可預(yù)報(bào)性的相關(guān)關(guān)系。另外，受計(jì)算條件限制，在集合試驗(yàn)中每年只選取了8個(gè)集合成員(集合成員的預(yù)報(bào)起始時(shí)間分別為5月1日00時(shí)、2日00時(shí)、……、8日00時(shí))，由于不同預(yù)報(bào)起始時(shí)間對(duì)潛在可預(yù)報(bào)性可能存在影響，因此，如果設(shè)置的預(yù)報(bào)起始時(shí)間間隔更短，則有可能提高東亞夏季大氣環(huán)流的潛在可預(yù)報(bào)性。對(duì)此有必要設(shè)計(jì)更多的具有不同預(yù)報(bào)起始時(shí)間的多初值集合試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證本文的結(jié)果。

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