基于气候态奇异向量法的印度洋偶极子集合预报研究

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本文基于国家海洋环境预报中心全球气候预测系统,利用气候态奇异向量方法扰动海表面温度(Sea Surface Temperature,SST),初步建立了 一个印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)的集合预报系统,开展了确定性预报和概率预报的检验评估,并与随机扰动集合预报进行了比较。最后,本文讨论了次表层海温扰动和不同量级扰动对预报的影响。本文的研究成果可以进一步应用到业务化的IOD集合预报系统之中,为实际预报提供参考。本文的主要结论如下:(1)气候态海温奇异向量第一模态(CSV1)对不同的起报时刻和不同的扰动层次存在一定的敏感性。总体来说,超前时间为1个月时的扰动模态具有一定的相似性,均表现为自北向南负-正-负的三极子模态,但并不完全一样。当超前时间为3月和6月时,扰动模态发生较大变化。此外,相对以3月和9月为起报时刻计算得到的CSV1,同为6月份起报,分别扰动SST和扰动次表层海温计算得到的CSV1更为相似。因此,在实际预报时,需要针对不同的起报时刻和不同的扰动变量,计算相应的CSV。(2)对集合预报系统海表面温度扰动试验(EMSST)的确定性预报检验结果表明,由于冬季预报障碍的影响,预报技巧存在明显的季节性变化的特点。其中,相关系数预报技巧在3月起报时较低,超前1个月预报的相关系数预报技巧仅有0.3左右,9月起报时最高,超前3个月的预报相关系数技巧超过了 0.7。东、西极子的预报技巧也存在差异,整体来说,EMSST对东、西极子的预报技巧均高于IOD。(3)对EMSST的概率性预报检验结果表明,EMSST存在集合离散度较低的问题,在实际预报中可能出现漏报的现象。使用BS评分、ROC以及ROCA等检验方法,对偶极子指数DMI(Dipole Mode Index)3种事件的概率预报技巧进行评估。发现,BS评分均低于0.4,ROCA值在超前3个月内均高于0.5,表明EMSST存在一定的概率预报技巧。(4)通过比较EMSST与随机扰动Control Run的结果发现,气候态奇异向量方法较随机扰动法在确定性预报技巧上有一定的改进。其中,相关系数预报技巧的改进较大,最大的改进幅度可以达到0.1左右,均方根误差的改进幅度则较小。改进的时段在超前3个月或者4个月时较为明显。在概率性预报方面,EMSST和Control Run的离散度基本相同,BS评分、ROCA等检验评估的结果显示,EMSST对Control Run没有太大改进。(5)对EMSST和扰动次表层海温的EMSub进行比较,结果显示,当超前时间大于4个月时,EMSub的预报技巧更高。值得注意的是,EMSub对东极子的预报有较好的改进,表明该区域可能是误差的主要来源。对比EMSST和EMSub的离散度发现,集合离散度对扰动不同层次的海温具有一定的敏感性。(6)考察了预报技巧对不同随机扰动振幅的敏感性,结果显示,振幅为0.0001的扰动取得了较高的预报技巧。另外,不论是对相关系数、均方根误差还是离散度,预报技巧对随机扰动的量级有较大的敏感性。
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