资料分析论文提纲

2022-11-15

论文题目：一种关于厄尔尼诺可预报性动力学的资料分析方法及其应用

摘要：厄尔尼诺-南方涛动（El Ni（?）o-Southern Oscillation;ENSO）是海气耦合系统最强的年际变率信号,它的发生往往对全球的天气、气候异常具有重要影响。因此,关于ENSO可预报性及其预测的研究具有重要意义。春季预报障碍严重影响ENSO的预报技巧,而上世纪九十年代以来频繁发生的区别于传统东部型（EP）-El Ni（?）o事件的新型El Ni（?）o,即中部型（CP）-El Ni（?）o事件,进一步增加了ENSO预测的不确定性,从而对ENS（?）预测及其必要的初始观测提出了新的要求。本论文发展了一种关于可预报性动力学的资料分析新方法的理论框架,并利用该方法分别研究了两类El Ni（?）o事件的季节预报障碍现象,确定了两类El Ni（?）o在太平洋的海温目标观测敏感区,并用粒子滤波同化方法验证了敏感区的目标观测对于改善两类El Ni（?）o预报技巧的有效性。主要结论如下:首先,发展了一种关于可预报性动力学的资料分析新方法的理论框架。论文充分利用气候季节循环的特征,考虑微分方程动力系统解的性质,完善了利用模式离线资料,且从误差增长角度考察所关心气候事件可预报性动力学的资料分析新方法并建立了其理论框架。该方法的优势在于不采用实际预报资料,仅利用模式长期积分的离线资料即可开展关于可预报性的动力学分析。该方法排除了模式误差的干扰,仅考虑了初始误差对预报结果不确定性的影响,可用于探究初始误差演变的动力学行为,揭示对预报结果影响最大的初始误差,并据此识别目标观测敏感区。其次,揭示了CP-和EP-El Ni（?）o事件具有不同的季节预报障碍现象,且它们的发生在很大程度上依赖特定的初始误差空间结构。将上述资料分析新方法应用于CMIP5模式资料,发现了CP-El Ni（?）o事件的预报与EP-El Ni（?）o类似也发生预报障碍现象,但其发生时间比EP-El Ni（?）o事件的春季预报障碍现象晚一个季节,即CP-El Ni（?）o预报常常发生夏季预报障碍现象。从预报障碍的强度而言,EP-El Ni（?）o预报的春季预报障碍比CPEl Ni（?）o预报的夏季预报障碍更强,且前者倾向于导致EP-El Ni（?）o具有更大的预报误差。通过考察导致两类El Ni（?）o事件发生预报障碍的初始误差,结果发现CP-和EP-El Ni（?）o分别存在两类初始海温误差常常导致它们预报障碍的发生。对于CP-El Ni（?）o,第一类初始海温误差（记为CP-type-1型）在赤道太平洋沿着温跃层呈东正西负的偶极子结构,而在北太平洋上层呈类-维多利亚模态（VM-like）、在南太平洋上层呈类-南太平洋经向模态（SPMM-like）的结构;第二类初始海温误差则主要集中在北太平洋上层海洋,呈现具有相反符号的VM-like模态结构,记为CP-type-2型初始误差。CP-type-1型初始误差的发展行为类似于El Ni（?）o的衰减并过渡到冷位相发展成一次La Ni（?）a事件、导致热带中东太平洋地区产生海温冷误差的过程,最终影响CP-El Ni（?）o事件的空间模态和强度预报;而CP-type-2型初始误差的发展则类似一次中部型La Ni（?）a事件的发生发展,最终导致热带中太平洋地区产生海温冷误差的过程,从而使得CP-El Ni（?）o的强度被低估。对于EP-El Ni（?）o,它的常常导致春季预报障碍的两类初始海温误差（即EP-type-1型和EP-type-2型）与CP-type-1型初始误差具有相似结构,但前者与CP-type-1的符号相同,而后者则与CP-type-1的符号相反。EP-type-1型初始误差的发展与CP-type-1型初始误差类似,即经历类El Ni（?）o的衰亡并过渡发展为一次类La Ni（?）a事件的过程,最终导致赤道中东太平洋地区产生海温冷误差,而EP-type-2型初始误差的发展则类似于一次La Ni（?）a事件从弱变强的过程,也导致赤道中东太平洋地区产生海温冷误差。EP-type-1和-2型初始误差均导致EP-El Ni（?）o事件的强度被低估。第三,确定了两类El Ni（?）o事件的目标观测敏感区。在综合考虑初始误差空间分布特征及其演变机制后,论文将两类El Ni（?）o事件在太平洋的海温目标观测敏感区确定为三个区域,即热带西太平洋次表层区域（10°S-10°N,130°E-150°W,105-155m）、北太平洋上层VM-like区域（20°N-65°N,170°E-100°W,0-95m）和南太平洋上层SPMM-like区域（40°S-20°S,150°W-90°W,0-60m）。使用粒子滤波同化方法,考察了上述三个敏感区目标观测对提高两类El Ni（?）o预报技巧的有效性。结果表明,对于CP-El Ni（?）o预报,同化热带太平洋敏感区目标观测的效果优于同化南太平洋敏感区目标观测的效果,更优于同化北太平洋敏感区目标观测的效果。对于EP-El Ni（?）o预报,同化南太平洋敏感区和同化热带太平洋敏感区的目标观测的效果,都要优于同化北太平洋敏感区的效果。可见,热带太平洋敏感区目标观测对于两类El Ni（?）o预报技巧的提高均具有十分重要的作用,但南太平洋敏感区的目标观测对于EP-El Ni（?）o预报的重要性要大于对于CP-El Ni（?）o预报的重要性,而北太平洋敏感区的目标观测对于两类El Ni（?）o预报的作用都要弱于热带太平洋和南太平洋目标观测,但若北太平洋敏感区结合热带太平洋或者南太平洋敏感区的目标观测,可对两类El Ni（?）o预报产生较大作用,尤其同时同化三个敏感区的目标观测对两类El Ni（?）o预报具有最大程度的改善。因此,若要在预报中区分两类El Ni（?）o事件,模式同化的最优初始条件需要同时关注热带太平洋和热带外太平洋（包括南太平洋和北太平洋）初始海温的精度,尤其要优先关注三个目标观测敏感区内初始场的精度。

关键词：El Ni（?）o事件;季节预报障碍;初始误差;目标观测敏感区;粒子滤波

学科专业：气象学

中文摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 ENSO的理论发展与预测现状

1.2.2 两类El Ni(?)o事件的理论研究与预测现状

1.2.3 两类El Ni(?)o事件的季节预报障碍现象

1.2.4 两类El Ni(?)o事件的目标观测

1.3 问题的提出