最优外强迫向量方法在两类El Nino事件模拟和可预报性研究中的应用

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本文将最优外强迫向量(OFV)方法应用于Zebiak-Cane(简称ZC)模式,对两类El Ni(n)o事件进行了模拟。OFV方法可用于订正模式误差,使得模式的模拟结果与观测最接近。结果表明,对于1980-2004年期间的三次东太平洋型(EP)和三次中太平洋型(CP) El Ni(n)o事件,当选用合适的初始化方案时,ZC模式可以再现三次EP-El Ni(n)o事件;而对于三次CP-El Ni(n)o事件,无论采用何种初始化方案,ZC模式都无法较好地模拟它们。这意味着ZC模式在模拟CP-El Ni(n)o事件时受模式误差的影响更为显著。当使用OFV方法订正ZC模式后,模式可以较好地再现三次CP-El Ni(n)o事件,也进一步提高了对三次EP-El Ni(n)o事件的模拟能力,同时对各事件所伴随的风场和温跃层深度均有较好地模拟。特别地,对三次CP-El Ni(n)o事件温跃层深度的模拟表明,在CP-El Ni(n)o事件的演变过程中海洋纬向平流对其发生和发展起着重要作用,而与赤道太平洋热含量相关的“充电放电”过程可能是次要的。对应三次CP-El Ni(n)o事件优化得到的OFV具有一致的空间结构,即均表现为赤道东太平洋存在的海温倾向异常。由此推断,可能主要是由于赤道东太平洋海温的倾向误差导致了ZC模式对于CP-El Ni(n)o事件较差的模拟。进一步研究发现,OFV是通过在模式中叠加一个类似“冷舌”更冷模态来校正模式误差,该模态可能是有利于CP-El Ni(n)o事件频发的气候背景场之一。通过观测资料分析,进一步验证了近几十年来赤道东太平洋“冷舌”更冷模态的存在,从而支持了本文的数值结果。  针对上述模拟的两类El Ni(n)o事件,使用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,从初始误差增长的角度探讨了两类El Ni(n)o事件的春季可预报性障碍(SPB)问题。结果表明,对于EP-El Ni(n)o事件,CNOP型初始误差可以导致显著的SPB现象,并且可以分为两类,一类CNOP型初始误差具有海表温度距平(SSTA)东正西负偶极子结构以及斜温层深度距平沿着赤道一致加深的模态,另一类CNOP型初始误差的结构特征几乎与此相反。两类CNOP型初始误差的发展机制分别与EP-El Ni(n)o事件和La Ni(n)a事件的发展机制类似。对于CP-El Ni(n)o事件,对应的CNOP型初始误差也分为两类,一类与EP-El Ni(n)o事件的第一类CNOP型初始误差相似;另一类误差则与EP-El Ni(n)o事件对应的两类CNOP型初始误差均不相同,该类误差在SSTA表现为赤道中东太平洋上东负西正偶极子结构,而斜温层深度距平则沿着赤道呈现微弱的加深。CP-El Ni(n)o事件的第一类CNOP型初始误差能够产生显著的SPB现象,第二类CNOP型初始误差的发展则无明显的季节依赖性。两类CNOP型初始误差对应着不同的发展机制:第一类CNOP型初始误差的演变近似对应着EP-El Ni(n)o事件的发展;而第二类CNOP型初始误差的发展则更像是一次La Ni(n)a衰减后紧随着的EP-El Ni(n)o事件的发展。最终,两类CNOP型初始误差都使得CP-El Ni(n)o事件正的SSTA大值区从赤道中太平洋转移到东太平洋,从而导致CP-El Ni(n)o事件被误报为EP-El Ni(n)o事件。本文中也找到与CP-El Ni(n)o事件具有类似演变机制的初始误差,该类初始误差的发展导致CP-El Ni(n)o事件在预报时刻更强,但是其所导致的热带太平洋SSTA的预报误差远小于CNOP型初始误差的影响。也就是说,对CP-El Ni(n)o事件预报结果影响最大的初始误差使得CP-El Ni(n)o事件的模态发生了变化,而不是主要表现在对强度的影响上。  对于两类El Ni(n)o事件,该论文也考察了随机初始误差对两类El Ni(n)o事件SPB的影响。结果表明,随机初始误差不会引起显著的预报误差,并且预报误差在每个季节的增长率都很小。因此,随机初始误差可能不会导致显著的SPB现象,而具有特定结构的初始误差(如CNOP型初始误差)更容易导致El Ni(n)o事件显著的SPB现象。  综上所述,无论是对CP-El Ni(n)o事件亦或是对EP-El Ni(n)o事件,导致它们SPB现象的CNOP型初始误差的大值区主要集中在赤道中东太平洋,意味着两类El Ni(n)o事件的预测可能都对该区域的初始误差敏感,亦即该区域可能代表了两类El Ni(n)o事件的目标观测敏感区。  
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