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行业专项成果综述-西南地区旱涝延伸期天气与短期气候预测的新方法与应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/3/6 9:37:14   标签:   浏览次数:6443

项目编号GYHY201306022

研究周期2013年1月-2016年12月

国拨经费390万元

项目负责人】琚建华

项目骨干成员】马振峰、李永华、巩远发、梁晓、李汀、严欣、向波、甘微微

项目承担单位云南省气象科学研究所

项目协作单位】国家气象信息中心、四川省气候中心、重庆市气候中心、成都信息工程大学

主要研究成果

课题组对孟加拉湾西南季风、南海热带季风和高原季风及其季节内振荡特征的异同以及热带MJO分别对这三支季风ISO的激发作用的研究,揭示了三支季风系统对我国副热带季风区(特别是西南地区)持续性降水的综合作用,以及MJO与热带季风区ISO之间的联系及其对汛期天气气候的影响。

通过对MJO指数的分析得到了MJO强度和传播的季节性特征。MJO 1-4位相和5-8位相中的对流和环流形势具有反位相特征,这是由于MJO对流主体沿赤道东传,同时激发ISO在阿拉伯海、孟加拉湾和南海这三个重要通道上的北传引起。

就季节内振荡特征而言,孟加拉湾西南季风ISO和南海热带季风ISO在季风爆发前都有一个较弱的酝酿过程,在夏季风期内都有约3次半的ISO波动,但孟加拉湾西南季风ISO开始较早。在纬向传播上,孟加拉湾西南季风ISO主要为东传,在夏季风期内的第2次波动为全年最强,而南海热带季风ISO则是东传与西传并存,第1次波动为全年最强。在经向传播上,孟加拉湾在约15°N以南为ISO从热带东印度洋的北传,在约15°N以北为南传;而南海则是4次季风ISO从热带的北传。在以孟加拉湾西南季风ISO和南海热带季风ISO分别划分的6个位相中,都存在着1-3位相和4-6位相中低频对流、环流形势相反的特征,这是由热带东印度洋ISO的东传和北传所致。热带印度洋ISO沿西南-东北向经过约14d传到孟加拉湾,激发了孟加拉湾西南季风ISO,再经过约6d继续东传到南海,激发了南海热带季风ISO向华南的北传,再经过约25d的时间传到华南,形成ISO从热带印度洋向华南的经纬向接力传播,周期约为45d。孟加拉湾西南季风ISO所影响的降水主要是在20°N以南的热带地区的雨带随着低频对流区的东移而东移;而南海热带季风ISO所影响的降水除了这种热带地区雨带随低频对流区的东移外,还有在20°N以北的东亚副热带地区雨带随着南海低频对流区的北移而北移。

通过研究MJO和夏季风涌活动异常与我国西南地区旱涝之间的相互关系,以及前期(冬春季节)MJO的异常活动对西南地区汛期降水多寡的影响,为提高西南地区延伸期天气预报和旱涝短期气候预测的能力提供了可靠的理论依据。

分析了夏季MJO不同位相与西南地区东部夏季降水的关系,对其影响的可能物理机制进行了初步的探讨,这可为夏季降水预测提供依据。采用合成和相关等方法对MJO活动与季风ISO(季风涌)以及西南地区东部汛期降水过程的联系进行了初步的统计诊断分析,可为汛期降水过程的预报提供基础。该方法可对延伸期预报时段内可能性较大的区域性主要降水过程出现日期进行预报。预报试验结果表明,该方法对西南地区延伸期内降水、降温等天气过程预报有一定参考价值。

发现关键区(77.5~82.5 °E5~10 °N)内OLR低频振荡在42-3候的平均值与云南5月降水具有显著负相关关系(图2)。云南5月多雨年时,关键区在42-3候出现的强低频对流标志着亚洲热带季风开始在关键区建立并进入ISO活跃期,约20 d后的4月末-5月初关键区低频振荡再次进入活跃位相,激发西南季风沿西南-东北方向传播并开始向云南输送水汽,当低频对流传到云南后,西南季风在云南建立,云南较早进入雨季期,5月降水迅速增多。而当关键区低频信号于4月末-5月初较晚出现时,第二次低频对流和西南季风ISO的东北向传播也随之推迟,云南夏季风的建立和雨季的开始均偏晚,5月降水偏少。因此,关键区内低频OLR42-3侯平均值可作为云南雨季开始早晚和5月降水多寡的前兆信号。

在针对云南主汛期(6-8月)的研究中发现,季风涌(低频波)印度洋关键区(图2)沿西南-东北向(图3 c剖面示意图)传向我国西南地区。如图3所示,可用低频OLR表征云南夏季风ISO由热带印度洋向云南的传播特征。在云南主汛期ISO活跃年时,主汛期ISO主要来自于两条传播路径:赤道印度洋低频对流一方面沿孟加拉湾西岸作西南-东北向传播,激发了孟加拉湾西南季风ISO继续向云南传播;另一方面东传到南海以南的热带洋面并向南海北传,激发了南海热带季风ISO北传到副热带中国东部地区,再向云南西传,越过云南后与从东北方向传来的低频对流在孟加拉湾以北地区交汇,完成了一个经纬向接力传播的周期(图3 a1b1)。而在云南主汛期ISO不活跃年时,主汛期ISO仅有两次弱的传播:从副热带西太平洋的西传和从阿拉伯海北部的东传(图3 a2b2)。因此,正是热带印度洋ISO通过两条路径对南海夏季风ISO和孟加拉湾西南季风ISO的激发,使得东亚夏季风和南亚夏季风这两个亚洲夏季风系统共同作用于云南汛期ISO。当热带印度洋MJO较强时,激发ISO传播增强,经过约30-40d左右的时间到达云南,云南主汛期ISO也加强。

项目组根据研究成果创新性地提出来MJO不同位相影响云南延伸期降水的概念(湿窗口、干窗口),指导云南省气象部门的延伸期预报业务。项目实施期间,课题组在云南省气象台开展了MJO影响云南地区降水延伸期预报的试验,取得了较好的效果。

另外,课题组对MJO的持续异常特征和环流特征做了更深入的研究。夏季MJO持续异常具有非常显著的特征,即在赤道太平洋持续活跃或在赤道印度洋持续活跃。在这两种情况下,MJO的东传停滞,活跃中心持续出现在太平洋或印度洋。持续异常情况下的MJO振荡周期也出现变化,表现为周期缩短或变弱(图4)。为此定义出描述MJO持续异常特征的Iip指数来描述6-8MJO在印度洋或者太平洋的这种异常活跃情况。

夏季的MJO的持续异常强度和秋冬季节的赤道东太平洋海温具有显著相关,由此,MJO的持续异常可作为ENSO发生与否的预测信号。如果夏季MJO在太平洋异常活跃持续,则可促进冬季El Ni?o事件的形成;反之,若夏季MJO在印度洋持续活跃,而在西太平洋MJO异常不活跃,则可促进冬季La Ni?a事件的形成。在发现MJO持续异常与ENSO极强相关关系的同时,通过个例分析和合成分析探讨了MJO持续异常激发太平洋海温异常增强的内在机制。其研究成果能为相关的短期气候预测业务提供前期预测依据。

对MJO持续异常与前期热带海温之间存在的关系进行了讨论,提出了夏季MJO持续异常特征发生的主要原因。另外,研究还揭示了热带大西洋前期SST的异常可能影响MJO活动异常,进而导致ENSO事件的发生的机理。

成果应用情况

项目研制了“亚洲热带季风指数数据库”,数据库包含亚洲热带季风指数Im及亚洲热带季风涌指数的查询。应用表明:(1)亚洲热带季风指数Im能较好地描述孟加拉湾地区夏季风的活动,弥补了缺少季风指数对孟加拉湾夏季风描述的遗憾;2)亚洲季风指数能够较好地描述亚洲热带地区夏季风的活动。亚洲夏季风最早从中南半岛开始,然后随着夏季风的推进,分别在南海地区和孟加拉湾地区爆发,印度季风是建立最晚的地区,然后印度的夏季风最早退出,中南半岛地区最晚退出,这与亚洲夏季风的活动特征基本是一致的。因此利用亚洲热带季风指数Im能够客观地描述整个亚洲热带地区夏季风活动的特征;3)亚洲热带季风涌指数能较好地描述来自热带地区的3060天季节内振荡(季风涌)在经向上和纬向上的活动特征;4)亚洲热带季风指数数据库具有较好的推广应用价值。

目前,亚洲热带季风指数数据库已经在全国十余个省市气象部门和高等院校推广应用,并已上网(亚洲热带季风数据库网站地址:http://222.221.254.230:5663)对全社会开放。

项目组研制的“CLDAS-v1.0数据库基于陆面模式CLM3.5,采用单模式模拟技术,实时和近实时输出东亚区域(0o-60 o N70 o -150 o E)、垂直6层(0-50-1010-2020-4040-8080-200 cm)、0.0625 o,1小时的土壤湿度业务产品和气温、气压、湿度、风速、辐射等大气驱动产品。历史产品数据集则覆盖2008-至今。项目研制了“长时间序列土壤湿度产品数据库及检索软件”,在收集和整理国际上广泛使用的两套长时间序列土壤湿度数据(美国GLDAS和欧洲ECV SM)基础上,开发了一套长时间序列土壤湿度数据库及检索软件系统,从而实现了对海量土壤湿度数据的高效存储管理以及快速查询检索服务。

CLDAS-v1.0系统于20137月投入了业务试运行,土壤湿度业务产品通过CMACast全国下发,已在国家气候中心、青海、内蒙、吉林、广西、云南、湖南等多家单位和多省/自治区得到推广应用。“长时间序列土壤湿度产品数据库及检索软件”已于20157月起在项目组所在单位(云南省气象科学研究所、四川省气候中心、重庆市气候中心、成都信息工程大学)使用。

依据项目的研究成果,我们建立了延伸期预报及数据查询系统,在西南区域延伸期气候预测业务中得到了较好的应用,提高了西南五省月内延伸期过程预测的准确率。项目建立了两个准业务预测系统。“西南区域气候中心延伸期气候预测系统”及“西南地区汛期旱涝短期气候预测业务系统”。

通过研究MJO和夏季风涌活动异常与我国西南地区旱涝之间的相互关系,以及前期(冬春季节)MJO的异常活动对西南地区汛期降水多寡的影响,开展西南地区旱涝的短期气候预测的实验,建立了“西南区域气候中心延伸期气候预测系统”及“分县延伸期预报系统”业务平台,并在四川省、重庆市、云南省气候中心推广应用。

“西南地区汛期旱涝短期气候预测业务系统”基于MJO预测机理部分主要包括“数据处理”、“气候预测”、“模式链接”三大部分,其中“气候预测”为系统的主要部分,包括了MJO和旱涝预测两个方面,MJO是针对项目的专属开发,包含MJO可视化、MJO逐日演变相似、强MJO活动、MJO概率相似、MJO降水分析以及MJO环流分析六大模块;旱涝预测包括趋势背景、旱涝合成以及多因子协同三大模块。该业务系统在贵州省、四川省、新疆自治区等气候中心进行了推广试用,大大提升了业务人员的工作效率,丰富了预测方法。

    项目的以上研究成果对东亚及西南地区短期气候预测及延伸期天气预报中有重要的理论指导意义,研究成果在国家气候中心、国家海洋局环境预报中心、中国气象科学研究院、中科院大气所和国内主要高等院校进行了交流,得到了业内专家的高度评价。研究成果在云南省、四川省和重庆市气象部门进行了大范围应用,丰富了预测预报方法,提高预测预报效果。该成果进一步完善后,可望在整个西南地区预测预报业务中进行推广。

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