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

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoaixiaoaixiaoai
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
近年来,海洋科学研究越来越多地依赖自主水下航行器和遥控水下航行器拍摄的水下图像。然而,由于复杂的水下成像环境,自然光在水下会发生吸收及散射效应,导致水下图像出现严重的可视性问题,具体表现为色偏效应、对比度不足、清晰度低。严重的失真不仅影响水下图像的质量,而且限制了水下视觉任务的进展。目前,水下图像处理方法主要包括传统方法和基于深度学习的方法,其中,传统方法由于水下复杂的物理和光学因素,在不同的水下
随着航天、航空以及核能电站等领域的设备集成度不断提高,其内部工作空间越来越狭小,环境越来越复杂,内部作业要求越来越高。而蛇形机器人因其较强的灵活性与柔韧性,能够较好地完成在狭小空间下的检修等任务。考虑到绳驱方式可以减少机器人体积与重量,本文提出了一种面向狭小空间作业的绳驱式蛇形机器人设计方案,并研究了其控制策略。本文主要工作如下:(1)本文提出了一种绳驱式蛇形机器人设计方案。对蛇形机器人的关节、连
视频目标分割旨在自动分离视频中的前景和背景区域,是一种能够对视频进行精确像素级分类的技术。根据测试阶段是否利用初始帧掩膜标注,该技术可分为无监督和半监督两大类别。视频目标分割在视频编码、智能监控和人机交互等领域有重要意义。近年来,随着深度学习的发展,视频目标分割也取得了重大的进展。但是,高精度的算法仍然非常匮乏,其原因在于所学模型难以有效应对复杂视频场景的变化,如严重遮挡、剧烈形变、快速运动、相似
青海高原(简称“高原”)海拔高且地形复杂,致灾性对流频发。但是,针对高原上强对流的研究较少,对卫星和雷达的应用水平有限,特别是对强对流的发生发展及其云团参数特征研究更少。为做好高原防灾减灾工作和提高遥感监测资料的应用及研究水平,本文使用2005年—2018年常规气象资料、地面观测和灾情公报资料、静止气象卫星一级数据和天气雷达体扫基数据等,选择致灾性对流天气过程,开展高原对流机理模型、对流特征识别和
现如今,卷积神经网络在图像分类、语义分割、目标检测等计算机视觉的各个领域中掀起了研究热潮,而且取得了重大成功。随着卷积神经网络的研究发展,模型的参数规模越来越膨胀,它的计算代价也越来越大。因此,过参数化的深度模型难以在硬件资源受限的环境(比如嵌入式传感器、无人机、移动设备、自动化机器人等)中实际部署工作。研究人员提出了网络剪枝技术来减少模型的参数量和计算量,能够对深度网络进行压缩和加速。针对深度卷
随着机器人技术在诸多方面的应用,单个机器人的应用局限性逐渐暴露。多机器人协同系统凭借其效率高、鲁棒性强等优点受到广泛关注,在军事、工业、民用等领域有着极大的发展空间。随着相关理论研究的不断完善,编队控制及避障问题成为了多机器人协同领域的热门方向,其难点主要体现为在复杂的动态障碍物环境下,多机器人编队队形的形成、保持以及避障。为此,论文以多移动机器人的编队与避障问题进行研究。首先,介绍了差分轮式移动
积雪是气候系统重要的组成部分,是冰冻圈中地理分布最广泛、季节和年际变化最显著的部分。积雪具有高反照率,低粗糙度和低热传导特性,它的保温效应,水文效应和反照率效应会对土壤温湿度和地表温度产生影响。积雪数据来源广泛,站点观测资料时间长,但是观测存在代表性的问题,遥感观测时空分辨率高,但反演算法受各种因素影响,陆面过程模式的结果则具有不确定性。而数据同化技术可以将上述数据的优势融合,生成高质量的积雪数据
夏季强对流活动不仅能在对流层造成剧烈的闪电活动,还会激发环状重力波(CGWs),对流活动与其激发的波动特征有关,CGWs在经由平流层和中间层传播后,抵达80~90 km高度,对发生在附近高度的中高层TLEs有调制作用。本文完整地考虑上述过程,以“对流层激发—平流层传播—中间层调制”为研究的基本思路,并且结合观测数据与模型验证,既能明确各种现象间的相互联系,也能为今后的观测统计和模式参数化提供依据。
海洋浮游植物是海洋生态系统中食物网的基础和最重要的初级生产者,并且浮游植物种类的组成及其生物量的变化会影响海洋生态系统的功能和结构。因此,了解和掌握浮游植物粒级结构(Phytoplankton Size Classes,PSCs)和种群结构(Phytoplankton Population Structures,PPSs)的分布和变异规律为研究海洋生态系统和生物地球化学过程提供有价值的信息。相比于
地球是太阳系的一个行星,由大气层包裹,大气环流作为气象学中重要的一部分,表征了大气的动力过程,大气角动量及其平衡是主要诱因之一。固体地球和大气之间的角动量平衡及传输,直接影响着大气环流的变化,进而决定了全球气候的变化方向。本文利用大气再分析数据计算出了近70年的大气角动量及力矩的值,详细分析了其在不同空间尺度和时间尺度上的变化,讨论了基于再分析数据计算的地气角动量与理论推导结果之间的差异。结合太阳