基于历史资料提取稳定分量方法的改进研究及在模式中的应用

发布时间：2018-10-19 13:48

【摘要】：新世纪以来,全球变暖背景下频发的极端天气、气候事件呈现出爆发范围广且持续时间长的特点,使得目前的短期天气预报已不能满足社会的需求,所以继续深入的开展10-30天延伸期预报的相关研究仍然是十分有必要的,从而可以更好地消除或减少重大的灾难性天气、气候异常对人民生产生活造成的负面影响。本文基于将数值模式的状态变量,将其划分为可预报的稳定分量与不可预报的混沌分量两部分,主要对其可预报的稳定分量特别加以研究,并进一步将此方法延伸,提出以观测得到的历史资料为基础,从历史资料中提取能够很好表征10-30天延伸期尺度内天气系统主体信息的稳定分量,认为其可以解释大气系统运动的整体趋势特征,从而避免了提取数值模式状态变量的可预报分量时对于模式性能的依赖。同时具体的研究结论如下:1)对利用历史资料来提取稳定分量的方法进行了改进,提出在提取稳定分量方法的基础上,需要进一步考虑前期海洋外强迫对于气候背景选取的作用,通过对极端事件前期海洋关键因子的选取,重新定义了与事件联系更为紧密的气候背景场。新方法能够有效地提高异常型稳定分量在个例分析中所占的比重,有利于研究对于环流系统中不同于气候平均状态的异常特征的分析,从而更加凸显了异常型稳定分量在异常事件中的作用。2)通过对2013年8月我国南方地区的持续高温天气以及2014年5月我国北方地区由初期的寒冷天气向月末的高温天气转变过程两个个例的10-30天延伸期稳定分量演变特征的分析,发现个例中异常型稳定分量对应基底的贡献排序与气候态基底的贡献排序差别较大,而气候态稳定分量的对应基底则差别较小,这说明异常型稳定分量能够表征持续性异常过程中超过气候描述所给出的信息之外的补充信息,这将更加有利于研究对于环流系统中不同于气候平均状态的异常特征,而气候态稳定分量只是体现了中高纬地区大尺度环流系统的调整,这进一步说明改进方法的作用。3)利用改进后提取稳定分量的方法,基于不同ENSO位相的典型年个例,分析了不同季节所提取的延伸期稳定分量的方差贡献率(占总体方差的比重)在季节尺度内随时间的变化情况,证明稳定分量对大气的整体变化趋势存在较好的记忆性。即稳定分量能够很好地表征10-30天尺度内天气系统的主体信息,并且这部分信息在之后的时间段内有着非常好的稳定性,能够表征大气系统运动的整体趋势特征。4)基于稳定分量对大气的整体变化趋势有着较好的记忆性,利用10-30天延伸期稳定分量,对2001年以来欧亚大陆中纬度地区极端低温事件频繁发生,但海温背景的不同的原因进行了分析。结果表明,拉尼娜海温异常状态下产生的整体气候背景使得亚洲大陆中纬度地区建立并维持两脊一槽的环流形势,引导冷空气不断沿槽区南下,同时对应着对流层高层纬向西风的减弱以及近地面层西伯利亚高压的驻留,造成了冬季的持续低温天气。而厄尔尼诺型冷冬年虽然同样是受到北半球中纬度地区两脊一槽环流形势的影响,但这种异常环流形势,仅仅是叠加在气候背景之上显著的长时间的相对距平异常状态,表明厄尔尼诺的海温背景并不是造成冷冬的直接原因。5)针对大气系统可预报的稳定分量特别加以研究,抓住其稳定分量的主要特点可以提高对系统的认识和预测水平。基于从历史资料中提取的10-30天稳定分量的理论,将其应用于数值模式的延伸期预报中,并与模式原始的模拟结果进行比较,诊断其对于模式预报水平的改进能力,发现在模式模拟10天之后,改进方案的预测技巧不论在何种海温条件下均优于原始方案,改进方案的距平相关系数在延伸期时段内仍维持在0.2左右,而原始方案距平相关系数几乎为零。这说明改进试验在延伸期尺度内对于模式的预测技巧有一定的提高,说明随着预报时间的延长,模式原初始场所提供的信息已经逐渐耗散,而改进试验中异常稳定分量所表征的延伸期信息开始产生作用,能够较为有效地提升模式在之后时段内的预测技巧。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P456

【参考文献】