2015年超級(jí)厄爾尼諾事件的成功預(yù)報(bào)*

鄭　飛　朱　江**　張榮華　彭京備　中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所　北京　0009　中國(guó)科學(xué)院海洋研究所　青島　6607

2015年超級(jí)厄爾尼諾事件的成功預(yù)報(bào)*

鄭飛1朱江1**張榮華2彭京備1
1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所北京100029
2中國(guó)科學(xué)院海洋研究所青島266071

2015 年初，熱帶太平洋明顯出現(xiàn)了厄爾尼諾事件爆發(fā)的一些前期物理信號(hào)，這些大氣和海洋中呈現(xiàn)的前兆信號(hào)與上次爆發(fā)超級(jí)厄爾尼諾事件的 1997 年同期非常相似。伴隨著赤道西風(fēng)的增強(qiáng)和暖水的東傳，赤道中東太平洋次表層（即洋面以下）暖水不斷積聚，赤道東太平洋海溫增溫也更加顯著。到 10 月份以后，赤道中東太平洋海溫已經(jīng)比常年同期偏高 2.0oC—3.0oC 以上，發(fā)展成為21世紀(jì)最強(qiáng)的一次厄爾尼諾事件。相比國(guó)際上眾多厄爾尼諾模型提前 6—9 個(gè)月未能給出正確預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀，在中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)海洋專項(xiàng)的支持下持續(xù)發(fā)展的厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)（中科院大氣所集合預(yù)報(bào)版本：IAP Leefs_CDA），則提前 9 個(gè)月以上對(duì)該超級(jí)厄爾尼諾事件的爆發(fā)、發(fā)展和強(qiáng)度給出了成功的預(yù)報(bào)，為我國(guó)的氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)提供了有力的支撐。同時(shí)，厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)的另一版本（中科院海洋所確定性預(yù)報(bào)版本：IOCAS ICM）也首次在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)網(wǎng)站上提供厄爾尼諾實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果。

超級(jí)厄爾尼諾，厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)，氣候預(yù)測(cè)，防災(zāi)減災(zāi)

厄爾尼諾是短期氣候年際變化中最強(qiáng)的事件，對(duì)世界上許多地區(qū)，包括我國(guó)大部分地區(qū)會(huì)造成嚴(yán)重的旱澇和高低溫災(zāi)害。國(guó)際上已廣泛開(kāi)展了厄爾尼諾預(yù)報(bào)研究，發(fā)展了一系列具有較高預(yù)報(bào)技巧的預(yù)報(bào)模式［1，2］。由于對(duì)影響厄爾尼諾事件的物理機(jī)制的認(rèn)知程度有限，以及觀測(cè)資料的不足，造成目前大部分模式只能夠提前 6 個(gè)月給出較為可信的預(yù)報(bào)［3，4］，同時(shí)對(duì)極端事件的強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏弱，導(dǎo)致目前厄爾尼諾預(yù)報(bào)水平無(wú)法滿足防災(zāi)減災(zāi)的需求［5-7］。因此，如何進(jìn)一步提高厄爾尼諾預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，并延長(zhǎng)厄爾尼諾預(yù)報(bào)時(shí)效，是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)和極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。比如對(duì)于 2015年 21 世紀(jì)以來(lái)最強(qiáng)的一次厄爾尼諾事件，國(guó)際上大多數(shù)模式提前 6—9 個(gè)月仍未能夠預(yù)報(bào)出這次事件，有的模式甚至給出了錯(cuò)誤的預(yù)報(bào)（即預(yù)報(bào)成偏冷事件）。在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)海洋專項(xiàng)的支持下，厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到了持續(xù)的改進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)化的厄爾尼諾預(yù)報(bào)。文章詳細(xì)闡述了該預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì) 2015 年厄爾尼諾進(jìn)行成功預(yù)報(bào)的情況。

1　2015 年厄爾尼諾事件的爆發(fā)和發(fā)展過(guò)程

2015 年 3 月，美國(guó)國(guó)家大氣與海洋管理局（NOAA）和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）先后發(fā)布報(bào)告正式認(rèn)定厄爾尼諾事件已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)實(shí)時(shí)的厄爾尼諾監(jiān)測(cè)表明，該厄爾尼諾事件在 2015 年冬季達(dá)到峰值，發(fā)展成了一次超強(qiáng)的厄爾尼諾事件（厄爾尼諾指數(shù)在 2015 年年底達(dá)到 2.5oC 左右）。2015 年年初以來(lái)，伴隨著赤道西風(fēng)的增強(qiáng)和暖水的東傳，赤道中東太平洋表層暖水不斷增強(qiáng)，次表層（即洋面以下）暖水強(qiáng)度也在不斷增強(qiáng)，赤道東太平洋海溫增溫更加顯著；赤道中東太平洋海溫已經(jīng)比常年同期偏高2.0oC 以上，是本次厄爾尼諾事件形成以來(lái)最高值。從表層海溫的空間分布看，暖海溫中心主要位于赤道東太平洋，局部海溫已偏高超過(guò) 3.0oC（圖 1）。

圖 1　2015 年超強(qiáng)厄爾尼諾事件的發(fā)展過(guò)程。圖（a）為赤道太平洋緯向風(fēng)場(chǎng)、圖（b）海表溫度和圖（c）溫躍層深度（表征次表層暖水強(qiáng)度）在整個(gè) 2015 年的演變過(guò)程

同時(shí)，從過(guò)去 12 個(gè)月厄爾尼諾事件的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，此次厄爾尼諾事件與 1982/83 年和 1997/98 年出現(xiàn)的兩次超強(qiáng)厄爾尼諾事件很類似，最終發(fā)展到年底的強(qiáng)度都接近2.5oC 左右，也表明此次事件是 21 世紀(jì)以來(lái)最強(qiáng)的一次厄爾尼諾事件。但是需要指出的是，即使 2015 年厄爾尼諾事件強(qiáng)度達(dá)到歷史新高，也不能保證它對(duì)全球氣候的影響與 1997/98 年相一致。就像雪花結(jié)構(gòu)一樣，每一次厄爾尼諾事件都是不一樣的（圖 2）。

圖2　1950 年以來(lái)發(fā)生的所有厄爾尼諾事件的演變過(guò)程（以厄爾尼諾指數(shù)表征）。其中黑線為 2015 年厄爾尼諾事件，藍(lán)線（1997 年）和綠線（1982 年）是 1950 年以來(lái)另外兩次超強(qiáng)厄爾尼諾事件，灰線為其余的厄爾尼諾事件

2　對(duì) 2015 年超強(qiáng)厄爾尼諾事件提前預(yù)報(bào)的情況

2.1國(guó)際上的多模式預(yù)報(bào)結(jié)果

目前，國(guó)際上有接近 20 個(gè)厄爾尼諾模式在（每個(gè)月）實(shí)時(shí)地預(yù)報(bào)厄爾尼諾事件的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，具體的預(yù)報(bào)結(jié)果更新于美國(guó)哥倫比亞大學(xué)網(wǎng)站（http：//iri.columbia.edu/our-expertise/ c limate/forecasts/enso/current）。國(guó)際上大多數(shù)厄爾尼諾預(yù)報(bào)模式從 3 月份起始，僅有一個(gè)模式（N A S A GMAO）預(yù)報(bào)出 2015 年年底厄爾尼諾事件強(qiáng)度將超過(guò)2.0oC（圖 3a），大部分模式預(yù)報(bào)結(jié)果均處在 1.0oC 以下，甚至有模式預(yù)報(bào)將出現(xiàn)拉尼娜事件（厄爾尼諾事件的反位相）。直到 2015 年 6 月份起始時(shí)，大部分模式才預(yù)報(bào)出年底可能出現(xiàn)厄爾尼諾事件（圖 3b），而對(duì)其強(qiáng)度的預(yù)報(bào)仍存在著較大的差別，也僅 4 個(gè)模式預(yù)報(bào)出年底厄爾尼諾事件強(qiáng)度將超過(guò) 2.0oC 。

2.2我國(guó)的厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)海洋專項(xiàng)的支持下，我國(guó)的厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。該厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)抓住了大氣-海洋間主要的物理過(guò)程（比如 Bjerknes 正反饋機(jī)制和延遲負(fù)反饋機(jī)制）［8，9］，同時(shí)利用國(guó)際上先進(jìn)的資料同化方法通過(guò)同化多種大氣/海洋觀測(cè)資料為其提供預(yù)報(bào)初值［10-12］，并且在預(yù)報(bào)過(guò)程中最大限度地抑制模式誤差對(duì)預(yù)報(bào)水平的影響［13，14］。因此能夠較為完善地模擬和預(yù)測(cè)整個(gè)厄爾尼諾事件的爆發(fā)、發(fā)展和演變過(guò)程?，F(xiàn)已發(fā)展成為兩個(gè)版本：（1）中科院大氣所集合預(yù)報(bào)版本（IAP Leefs_CDA）［10-14］和（2）中科院海洋所確定性預(yù)報(bào)版本（IOCAS ICM）［8，9］。

2.2.1大氣所厄爾尼諾集合預(yù)報(bào)版本

當(dāng)前 IAP Leefs_CDA 的每個(gè)月實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果已在國(guó)家氣候中心監(jiān)測(cè)網(wǎng)（http：//cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_ enso.php？product=cn_enso_iap ）公開(kāi)發(fā)布。IAP Leefs_ CDA 從 2015 年 3月就提前預(yù)報(bào)出此次厄爾尼諾強(qiáng)度將接近 2.3oC（圖4）。而過(guò)去幾個(gè)月的實(shí)際觀測(cè)演變（圖 4 中綠色星號(hào)）與預(yù)報(bào)結(jié)果幾乎完全吻合。而該預(yù)測(cè)結(jié)果也被 2015 年春季國(guó)家氣候中心氣候會(huì)商所采納。

圖 4　大氣所厄爾尼諾集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAP Leefs_CDA）2015 年 3 月起對(duì) 2015 年超強(qiáng)厄爾尼諾的預(yù)報(bào)情況。其中綠色星號(hào)是歷史觀測(cè)的厄爾尼諾演變

需要指出的是，IAP Leefs_CDA 對(duì) 2015 年厄爾尼諾事件的滾動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果保持穩(wěn)定，從 2015 年 3 月份至2016 年 1 月份的預(yù)測(cè)結(jié)果一直維持“2015 年底厄爾尼諾事件強(qiáng)度將超過(guò) 2.0oC”這一結(jié)論。其預(yù)測(cè)結(jié)果均表明，2015 年冬季赤道中東太平洋將有 90% 以上的概率發(fā)生一次強(qiáng)厄爾尼諾事件，預(yù)測(cè)峰值強(qiáng)度接近 2.5oC（圖 5）。

圖 5　大氣所厄爾尼諾集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAP Leefs_CDA）從 2015年 3 月—2016 年 1 月起始對(duì) 2015 年超強(qiáng)厄爾尼諾的預(yù)報(bào)情況。黑線為觀測(cè)的厄爾尼諾指數(shù)，彩色線為各月起始的 12 個(gè)月預(yù)報(bào)結(jié)果

2.2.2海洋所厄爾尼諾確定性預(yù)報(bào)版本

與此同時(shí)，厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)的另一個(gè)版本 IOCAS ICM 于 2015 年 8 月首次在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)網(wǎng)站上提供厄爾尼諾實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果以做進(jìn)一步集成分析和應(yīng)用（圖 6，詳見(jiàn) http：//iri.colum bia.edu/our-expertise/ climate/forecasts/enso/current），這是首次以我國(guó)國(guó)內(nèi)單位命名的海氣耦合模式為國(guó)際學(xué)術(shù)界提供厄爾尼諾實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果。

從圖 6 可以看出，IOCAS ICM 在 2015 年 8 月預(yù)報(bào)時(shí)就指出此次厄爾尼諾事件的強(qiáng)度偏強(qiáng)，中東太平洋海溫將超過(guò) 2oC ，隨后的預(yù)報(bào)指出此次事件成熟期時(shí)，中東太平洋海溫達(dá)到 2.5oC 以上，基本與觀測(cè)一致。與其他模式相比，IOCAS ICM 預(yù)報(bào)結(jié)果與所有動(dòng)力模式集合平均的結(jié)果最為接近，預(yù)報(bào)效果較好。

圖 6　海洋所確定性預(yù)報(bào)模式（IOCAS ICM）在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)網(wǎng)站上提供厄爾尼諾實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果的情況。2015 年 8 月起實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的 2015—2016 年厄爾尼諾指數(shù)隨時(shí)間的演變情況，其中各色曲線為不同模式的預(yù)報(bào)結(jié)果

2.3我國(guó) 2015 年夏季氣候預(yù)測(cè)

進(jìn)一步地，利用 IAP Leefs_CDA 2015 年 3 月份的厄爾尼諾預(yù)測(cè)結(jié)果驅(qū)動(dòng)中科院大氣物理所大氣環(huán)流模式，可得到對(duì)于我國(guó)夏季氣候變化的預(yù)測(cè)情況（圖 7）。

圖 7?。╝）預(yù)測(cè)與（b）實(shí)測(cè)的我國(guó) 2015 年夏季降水的空間分布

2015 年 3 月，中科院大氣物理所的汛期預(yù)測(cè)意見(jiàn)以決策服務(wù)材料的形式上報(bào)中央辦公廳和國(guó)務(wù)院辦公廳，該決策服務(wù)材料獲得國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的重要批示。在參加國(guó)家氣候中心預(yù)測(cè)的 10 家單位中，中科院大氣物理所的預(yù)測(cè)評(píng)分為 78 分，排名第二。

3　2015/16 年超級(jí)厄爾尼諾事件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù) 2016 年 1 月 25 日 IAP Leefs_CDA 的最新結(jié)果顯示（圖 5），2015 年春季發(fā)生的厄爾尼諾事件已在 2015 年冬季（2015 年 12月—2016 年 1 月之間）達(dá)到峰值，是一次超強(qiáng)的厄爾尼諾事件（厄爾尼諾指數(shù)將在 2015 年年底接近 2.5oC 左右）。同時(shí)該事件有 90% 以上的概率將維持到 2016 年春季（4—5 月份之間，圖 8），春季中東太平洋大部分海域?qū)⒕S持一個(gè)暖水的狀態(tài)（圖 9）。同時(shí)，這次厄爾尼諾事件有可能在 2016 年 5—6 月份結(jié)束（圖 5，圖 8），到2016 年夏季后則有 70% 以上可能性轉(zhuǎn)變成一次拉尼娜事件（圖 8 和圖 9）。

圖 8　大氣所厄爾尼諾集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAP Leefs_CDA）2016 年 1 月起概率預(yù)報(bào)的厄爾尼諾事件發(fā)生的可能性。（紅色柱體代表厄爾尼諾事件的發(fā)生概率，超過(guò)歷史閾值則說(shuō)明發(fā)生可能性較大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果基于 100 個(gè)樣本的集合預(yù)報(bào)）

圖 9　大氣所厄爾尼諾集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAP Leefs_CDA）2016 年 1 月起預(yù)報(bào)的 2016 年春季和夏季的熱帶太平洋海溫狀況。（紅色區(qū)域代表海溫較常年偏高、藍(lán)色區(qū)域代表海溫較常年偏低）

4　結(jié)語(yǔ)

厄爾尼諾預(yù)測(cè)，是目前短期氣候預(yù)測(cè)中最重要的一環(huán)，這正是由于厄爾尼諾對(duì)全球氣候變化有著極大的影響。自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家廣泛地開(kāi)展厄爾尼諾預(yù)測(cè)研究，并在過(guò)去幾十年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前厄爾尼諾預(yù)測(cè)可以達(dá)到 6 個(gè)月左右的預(yù)報(bào)可信度，并有一些模式已開(kāi)始了例行的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。但是由于模式間的顯著差別和一些模式的系統(tǒng)偏差依然嚴(yán)重，厄爾尼諾的預(yù)報(bào)能力有著很強(qiáng)的模式依賴，并且各個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)之間仍存在巨大的分歧。在我國(guó)，厄爾尼諾預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)研究也倍受關(guān)注。近年在中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)海洋專項(xiàng)的支持下，中科院大氣所和海洋所均持續(xù)不斷地發(fā)展改進(jìn)厄爾尼諾預(yù)報(bào)系統(tǒng)。例如對(duì) 2015 年超極厄爾尼諾事件，中科院發(fā)展的厄爾尼諾預(yù)測(cè)模式提前 9 個(gè)月以上對(duì)該事件進(jìn)行了成功預(yù)報(bào)，有力地支撐了我國(guó) 2015 年夏季的氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作。

為能更準(zhǔn)確地提供未來(lái)中東太平洋海溫的演變趨勢(shì)和發(fā)展強(qiáng)度，中科院海洋專項(xiàng)的研究人員將每月至少進(jìn)行一次滾動(dòng)預(yù)報(bào)，及時(shí)更新預(yù)報(bào)結(jié)果，為我國(guó)的氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供有價(jià)值的參考和決策。

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鄭飛中科院大氣物理所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心副主任，研究員，國(guó)家首批“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才支持計(jì)劃入選者。主要研究領(lǐng)域?yàn)楹庀嗷プ饔?、短期氣候預(yù)測(cè)和資料同化方法研究。E-mail： zhengfei@mail.iap.ac.cn

Zheng FeiReceived B.S. and M.S. degrees from Lanzhou University， Lanzhou， China， and， Ph.D. degree from Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences （IAPCAS）， Beijing， China， in 2007. His current research interests include air-sea interaction， short-term climate prediction， and data assim ilation. Since 2016， he has been a full professor w ith the International Center for Climate and Environment Science （ICCES）， IAPCAS， Beijing， China. From 2010 to 2012， he， as a visiting professor， had visited the University of Maryland in the US，and the University of Bergen in Norway. He is currently the deputy director of ICCES. He won the award of the 11th Hundred Outstanding Doctors of China， Ministry of Education in 2009， and the “Lu Jia Xi” Excellent Young Scientist Award of Chinese Academy of Sciences in 2010. And he was selected in the National Program for Support of Top-notch Young Professionals in 2013. E-mail： zhengfei@mail.iap.ac.cn

朱江男，中科院大氣物理所所長(zhǎng)，研究員，全球海洋資料同化試驗(yàn)（GODAE）科學(xué)委員會(huì)成員。主要研究領(lǐng)域?yàn)橘Y料同化的方法研究以及在大氣、海洋和環(huán)境中的應(yīng)用。E-mail： jzhu@mail.iap.ac.cn

Zhu JiangMale， received B.S. degree from Anhui Normal University， Hefei， China， M.S. degree from Harbin Institute of Technology，Harbin， China， and， Ph.D. degree from Lancaster University， United Kingdom， in 1991 respectively. His current research interests include data assim ilation with variational and ensemble methods， El Nino forecasting using fully coupled and intermediate coupled models， development of operational marine forecasting system， and atmospheric chem istry data assim ilation. From 1991 to 1996， he was w ith Qingdao Ocean University， Qingdao， China， and w ith IAPCAS， Beijing， China， as a Postdoc Fellow. From 1998 to 2001， he was w ith IAPCAS， Beijing， China，where he worked on optimal control theory. Since 2001， he has been a full professor with IAPCAS， Beijing， China. From 1998 to 2001， he， as a visiting professor， visited M eteorological Research Institute， Japan Meteorological Agency. He is currently the director general of IAPCAS， and the Editor-in-Chief of Advances in Atmospheric Sciences. E-mail： jzhu@mail.iap.ac.cn

Successful Prediction for the Super El Ni?o Event in 2015

Zheng Fei1Zhu Jiang1Zhang Ronghua2Peng Jingbei1
（1 Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；2 Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao 266071， China）

In early 2015， the tropical Pacific Ocean appears to be primed for a potentially significant El Ni?o event， and some sim ilarities exist between the oceanic and atmospheric states compared to the observations shortly before the onset of the 1997 Super El Ni?o event. Associated w ith the enhanced westerly w inds and the eastbound m igration of the warm water over the equatorial Pacific， subsurface warm water tended to accumulate over the eastern equatorial Pacific， and the warm ing of ocean temperature in the eastern basin was getting more obvious. A fter October 2015， the sea surface tem perature over the eastern equatorial Pacific was 2.0-3.0oC warmer than the normal condition， developing to the strongest El Ni?o event in 21stcentury. Different from the status that most El Ni?o model from operational centers over the world didnot predict the event 6-9 months ahead， the developed El Ni?o forecasting system （i.e.， the ensemble prediction version developed in the Institute of A tmospheric Physics）， was supported by the “Western Pacific Ocean System： Structure， Dynam ics and Consequences” Project of the Chinese Academy of Sciences （CAS）， successfully predicted the onset， development， and amplitude of this El Ni?o event 9 months in advance. This successful forecasting result further significantly supported the climate prediction and the disaster prevention and m itigation in China. At the same time， the other version of the El Ni?o forecasting system （i.e.， a determ inistic system developed in the Institute of Oceanology， CAS）， for the first time， started to release the realistic El Ni?o forecasting result at the website of the University of Columbia in US.

super El Ni?o， El Ni?o forecasting system， climate prediction， disaster prevention and m itigation

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.012

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA100100 00），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41576019）

** 通訊作者

修改稿收到日期：2016年2月3日