两类El Ni(n)o事件“春季预报障碍”现象及目标观测敏感区

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“春季预报障碍”(Spring Predictability Barrier,简记为SPB)现象能够导致El Ni(n)o事件预报结果产生较大的不确定性。本文基于复杂的全球海气耦合模式GFDL-CM2p1模式(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Climate Model version2p1),使用条件非线性最优扰动(CNOP)方法的思想,从误差增长的角度,考察了太平洋上容易导致两类El Ni(n)o事件发生显著SPB现象,尤其是导致最大预报误差的初始误差及其演变机制。在此基础上,确定了两类El Ni(n)o事件预测的目标观测敏感区,尤其考察了热带太平洋以外的敏感区,并验证了该敏感区的目标观测在预测中识别两类El Ni(n)o事件的有效性。本文主要内容和结论如下:  (1)基于GFDL-CM2p1模式的积分资料,评估了该模式对EP-El Ni(n)o事件和CP-El Ni(n)o事件的模拟能力。利用GFDL-CM2p1模式模拟得到的El Ni(n)o事件,分别选择了季节锁相特征明显的6次EP-和6次CP-El Ni(n)o事件。通过对模式中的两类事件合成,并与观测资料中的两类El Ni(n)o事件对比,表明了GFDL-CM2p1模式能够抓住两类El Ni(n)o事件的海表面温度异常(SSTA)、风场异常及次表层温度异常的空间和时间演变的主要特征。尽管与观测资料相比,模式模拟的两类事件SSTA大值中心位置略偏西,西风异常强度偏强,但该模式仍可模拟出各物理量发展演变过程中的基本模态特征及其在两类事件中的细节差异。因此,GFDL-CM2p1模式对两类El Ni(n)o事件具有较好的模拟能力,可用来研究两类El Ni(n)o事件的可预报性问题。  (2)用GFDL-CM2p1模式揭示了两类El Ni(n)o事件的SPB现象。通过对两类El Ni(n)o事件进行理想集合回报试验,结果发现,两类El Ni(n)o事件的预报均发生了SPB现象。但相比于EP-El Ni(n)o事件,CP-El Ni(n)o事件在春夏季的误差增长率较小;预报终止时刻,预报误差较小;发生显著SPB的成员个数较少。因此,尽管两类事件均发生了SPB现象,但是,与EP-El Ni(n)o事件相比,CP-ElNi(n)o事件发生的SPB现象偏弱。  (3)揭示了导致两类El Ni(n)o事件发生显著SPB现象,尤其是导致最大预报误差的初始误差。对于CP-El Ni(n)o事件,揭示了导致CP-El Ni(n)o事件发生显著SPB,尤其是导致最大预报误差的两类初始海温误差模态:Type-1和Type-2初始误差。在空间结构上,Type-1初始海温误差主要集中在赤道西太平洋次表层的冷海温误差和赤道东太平洋上层的暖海温误差;Type-2初始海温误差主要集中在赤道太平洋西太次表层的暖海温误差和副热带北太平洋维多利亚相反模态(VM-)结构的海温误差。Type-1初始误差导致的预报误差的发展类似于El Ni(n)o事件的衰减和类La Ni(n)a事件的发生、发展过程;Type-2初始误差导致的预报误差的发展则类似于类La Ni(n)a事件的发展成熟,随后逐渐衰减过程。Type-1初始误差倾向于使得CP-El Ni(n)o事件被误报为La Ni(n)a事件,而Type-2初始误差则倾向于将CP-El Ni(n)o事件误报为弱的EP-El Ni(n)o事件或正常年份。  对于EP-El Ni(n)o事件,也存在导致EP-El Ni(n)o事件发生SPB且具有较大预报差两类初始海温误差模态:Type-1和Type-2初始误差。在空间结构上,Type-1初始海温误差主要集中在热带东太平洋上层的冷海温误差和副热带北太平上层的经向偶极子模态海温误差;Type-2初始海温误差主要集中在赤道西太平洋次表层的冷海温误差和赤道东太平洋上层的暖海温误差,以及副热带东南太平洋上层的经向冷模态和副热带北太平洋上层的经向偶极子模态误差。Type-1初始误差导致的预报误差的发展类似于一次La Ni(n)a事件的发生、发展过程;Type-2初始误差导致的预报误差的发展类似于El Ni(n)o事件的衰减和类La Ni(n)a事件的发生、发展过程。在Type-1误差的影响下,EP-ElNi(n)o事件易被误报为La Ni(n)a事件,而在Type-2初始误差的影响下,EP-El Ni(n)o事件倾向被误报为正常年份。  (4)识别了两类El Ni(n)o事件预测的目标观测敏感区。在综合考虑初始误差的大值区和预报误差演变的基础上,将CP-El Ni(n)o事件预测的海温目标观测敏感区确定为赤道西太平洋次表层B区(10°S-10°N,150°E-150°W,95-165m)和副热带北太平洋上层A区(20°N-60°N,150°E-120°W,0-85m);将EP-El Ni(n)o事件预测的目标观测敏感区确定为赤道东太平洋上层B1区(10°S-10°N,150°W-85°W,0-85m)及副热带北太平洋上层A区(40°N-60°N,130°E-165°W,0-85m)和赤道西太平洋次表层B2区(10°S-10°N,130°E-135°W,95-165m)及副热带南太平洋上层C区(15°S-30°S,140°W-85°W,0-85m)。  对于CP-El Ni(n)o事件,在上述确定的两个敏感区(即A和B区域)内消除初始误差,不仅可以较好地预报出CP-El Ni(n)o事件的模态特征,而且也可以有效地减小预报误差的大小。而对于EP-El Ni(n)o事件,改善其敏感区A内的初始海温场的精度,虽然对EP-El Ni(n)o事件预报误差大小的减少有一定作用,但对其空间模态预报水平的提高影响不大;分别改善敏感区B1和B2内的初始海温场的精度则不仅可以有效地提高EP-El Ni(n)o事件的模态预报水平,同时也可以有效地减小EP-El Ni(n)o事件预报误差的大小。该结果强调了EP-El Ni(n)o事件期间,热带西太平洋次表层暖海温沿着温跃层向热带东太平洋表层传播的特征。当改善敏感区C内的初始海温场的精度时,不仅EP-El Ni(n)o事件的预报误差得到了有效减小,而且EP-El Ni(n)o事件的空间模态的预报水平也在一定程度上得到了提高。综合这些结果可以表明,优先在A、C和B2(或B1)内增加观测能够有效提高两类El Ni(n)o事件强度和空间模态的预报技巧,而这些敏感区也强调了两类El Ni(n)o事件的预报不仅应关注热带太平洋初始条件的精度,同时也不能忽视副热带太平洋初始条件不确定性的影响。
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