印度洋偶极子的夏季预报障碍及其误差增长动力学研究

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本文利用GFDL(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)CM2p1(Climate Model Version2p1)模式,采用理想回报试验方法,从初始误差增长动力学角度探讨了印度洋和太平洋海温不确定性对印度洋偶极子事件(Indian Ocean Dipole,IOD)可预报性的影响。研究了IOD事件的夏季预报障碍现象及其误差来源,考察了最易导致IOD事件发生夏季预报障碍现象的初始误差空间模态及其对预报结果不确定性的影响,并进一步探讨了夏季预报障碍现象的发生机制以及太平洋ENSO对IOD事件夏季预报障碍现象的影响。本论文的主要内容和结论如下:  (1)揭示了IOD事件的夏季预报障碍现象及其误差来源。以GFDL CM2p1模式中的IOD事件作为参考态,在热带印度洋和太平洋同时叠加海温初始误差,进行理想回报试验,结果表明,IOD事件不仅存在冬季预报障碍现象,还存在较强的夏季预报障碍现象。通过在印度洋和太平洋分别叠加海温初始误差,进行理想回报试验,发现IOD事件的冬季预报障碍现象主要由印度洋上的初始海温误差导致,而太平洋的初始海温误差是夏季预报障碍现象的主要误差来源。伴随ENSO事件发生时,IOD的夏季预报障碍现象则更强。  (2)揭示了最易导致IOD事件发生显著夏季预报障碍现象的初始误差及其对预报结果不确定性的影响。最易导致独立IOD事件发生夏季预报障碍现象的初始误差主要表现为两类:第一类(type-1)初始误差的海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)表现为赤道中东太平洋为负异常,次表层海温误差为西太深层的正异常与东太上层负异常构成的偶极子结构;第二类(type-2)初始误差与type-1初始误差空间结构近似相反。虽然两类初始误差空间结构近似相反,但是它们均导致太平洋上产生类似La Ni(n)a事件的海温误差模态,印度洋上产生类似负IOD事件的海温误差模态。随着太平洋负海温误差的发展,导致赤道太平洋区域出现东风异常,通过双圈沃克环流的“齿轮效应”,引起印度洋尤其是IOD事件东极子区域的西风异常,进一步导致印度洋上出现类似负IOD的海温误差模态。伴随ENSO事件时,最易导致IOD事件发生夏季预报障碍现象的初始误差也主要有两类:第一类(type-1)初始误差的SSTA表现为赤道中太平洋的负异常,次表层海温误差为东太平洋较强的负异常;第二类(type-2)初始误差的SSTA表现为赤道东太平洋的负异常,次表层海温误差为太平洋西正东负的空间模态。两类误差空间结构相似但是异常的强度不同,它们导致太平洋上海温误差演变类似La Ni(n)a事件的衰亡过程并且负海温误差逐渐西移,负的海温误差导致太平洋上东风异常的维持,并通过“齿轮效应”维持IOD事件东极子区域的西风异常,进而影响印度洋海温误差发展为类似负IOD的空间模态。  (3)探讨了夏季预报障碍现象发生的物理机制。通过分析海温倾向方程中各项的作用,发现潜热通量误差项最促进预报误差在夏季快速发展,有利于夏季预报障碍现象的发生。由于潜热通量与风速之间存在密切联系,分析发现不论是独立IOD事件还是伴随ENSO的IOD事件中,由太平洋上初始误差引起的IOD事件东极子区域的西北风异常,均在夏季受到气候态东南风和IOD事件异常东南风最强的抑制作用,此时潜热释放受到的抑制作用最强,从而使得东极子区域海水增温、最有利于该区域正的SST误差快速发展,最终导致IOD事件发生夏季预报障碍现象。  (4)分析了导致独立IOD事件与伴随ENSO的IOD事件夏季预报障碍现象强度差异的原因。研究发现,伴随ENSO的IOD事件的夏季预报障碍现象强于独立IOD事件,其主要原因是伴随ENSO的IOD事件中,参考态IOD事件更强,从而具有更强的动力学增长不稳定性,进而导致能够产生更大预报误差的初始误差在夏季东极子区域导致更强的西北风异常,该西北风异常受到气候态夏季东南风和IOD事件本身夏季更强的异常东南风的抑制作用更强,从而更加抑制潜热通量的释放,有利于海水快速增温和东极子区域正SST误差在夏季更快速的发展。因此,在初始误差导致的风场异常、气候态和伴随ENSO事件的IOD的异常风场的共同作用下,导致了伴随ENSO的IOD事件的更强的夏季预报障碍现象。
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