基于CSV最优扰动方法的印度洋偶极子误差增长动力学研究

The prediction of high-impact ocean-atmospheric environmental events is far from meeting the needs of people's disaster prevention and mitigation. The prediction of some events is just beginning, and there is still a lot of uncertainty in the prediction of the Indian Ocean dipole (IOD) event. The structure and size of the initial error of prediction is one of the key factors that restrict the study of IOD prediction. The additional observation of the sensitive area and the aid of data assimilation can get a more accurate prediction of the initial conditions and produce a good prediction effect. This project will take the Community Earth System Model (CESM) and predictability theory as the main research means, and use the climatically relevant singular vector (CSV) method to predict the IOD events. The optimal initial field that leads to the fastest growth of the error will be obtained, and then reveal the cause and mechanism of the prediction error. We also expect to explore the similarity between the optimal early symptom and the fastest growth of initial error of the IOD event, and determine the target sensitive area for IOD events. The proposed project can result in important scientific significance and urgent demand for understanding the occurrence and evolution of IOD events and improving the effect of IOD prediction.

“高影响海-气环境事件”的预报还远远不能满足人们防灾减灾的需求，有些事件的预报研究才刚刚起步，其中对印度洋偶极子（IOD）事件的预报仍然存在很大的不确定性。预报初始误差的结构和大小，是制约IOD预报研究的关键因素之一。对敏感区域进行额外的观测，借助于资料同化，能够得到更加准确的预报初始条件，产生好的预报效果。本项目拟以通用地球系统模式（CESM）和可预报性理论为主要研究手段，利用气候相关的奇异向量（CSV）法进行IOD事件的可预报性研究，得出导致误差增长最快的最优初始场，揭示预报误差产生的原因和机制，探究IOD事件的最优前期征兆和最快增长初始误差的相似性，确定IOD事件的目标观测敏感区。研究成果对于了解IOD事件的发生与演变，提高IOD预报效果具有重要的科学意义和迫切的现实需求。

大气模块、水平分辨率以及风作用下波浪对ENSO模式的模拟具有显著影响。首先利用当今主流的气候模式CESM，并结合观测与再分析资料，从空间特征、周期、位相锁定和强度等方面系统地研究了不同大气模块和水平分辨率对ENSO的模拟效果。此外，我们也从动力的角度探讨了模式间模拟差异的原因。研究表明，大气模块和水平分辨率对ENSO的模拟具有显著影响。CAM5使得两类厄尔尼诺事件的周期变长，而且CAM5能增大东部型厄尔尼诺事件温跃层深度异常的变化幅值。所有耦合试验都能准确模拟中部型厄尔尼诺事件的位相锁定，但是大气模块为CAM4试验模拟东部型厄尔尼诺事件的位相锁定不是很理想。CAM5和低分辨率使得厄尔尼诺强度变大。耦合试验对纬向平流项的模拟效果不是很好，特别是温度异常的纬向梯度导致的温度变化项直接影响了模式对中部型厄尔尼诺事件的模拟效果。. 接着，基于第一海洋研究所地球系统模型版本2（FIO-ESM 2.0），评估了风作用下波浪对ENSO模拟的影响。我们设置了两组对比实验，即有波浪模型试验和无波浪模型试验。结果表明，通过引入波浪模型，通过增强海洋上层的垂直混合来冷却模拟的海表温度。由于包含了波浪引起的混合，ENSO的强度，特别拉尼娜振幅得到了加强，而且模拟得更好。此外，波浪模型对厄尔尼诺事件模拟的振幅和空间格局略有改变。热量收支分析表明，拉尼娜事件的加剧通常归因于波浪引起的垂直平流项，其次是纬向和经向平流项。这为今后数值模式利用不同CAM版本或者提高分辨率，以及改进波浪模型来模拟ENSO现象提供了重要的科学参考。. 最后，我们在通用地球系统模式的弱耦合同化系统CESM/DART中发展了参数估计模块，并利用模拟的温盐剖面资料进行了KPP垂向混合参数化方案中的参数估计，着重考察了因参数的定常演变而造成的参数集合退化和参数估计发散问题，发展了针对参数的两阶段协方差膨胀方案来补偿参数定常演变造成的参数集合离散度不足。观测系统模拟实验的结果验证了该方法的可行性，并评估了参数估计在改进模式分析方面的效果。