海洋次表层上卷温度场优化方法及其在提高ENSO实时预测中的应用

The El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) exerts a significant influence on climate variability and predictability all over the world. In the past three decades, extensive ENSO studies have made remarkable progress, and in particular, reasonable predictions of ENSO events can now be made 6 months and longer in advance. But, there still exist great uncertainties in real-time forecast as represented in the real-time forecast of the second-year cooling of the 2010-12 La Ni?a event, which can be attributed to many factors. One crucial one is ways subsurface entrainment temperature (Te) into the surface mixed layer is represented for determining sea surface temperature (SST) variability. In the past, we have developed an optimized procedure to depict the Te field using an inverse modeling approach. It is demonstrated that an intermediate coupled model (ICM) with its empirical Te parameterization made a successful real-time forecast of sea surface temperature (SST) evolution during 2011 while some other coupled models failed. Since atmospheric wind forcing is also important to ENSO dynamics, in this project, the ICM-based experiments are performed to investigate the roles these two factors (subsurface thermal Te effects and wind forcing effect) play in the second-year cooling of the 2010-12 La Ni?a event. Further, a global tropical ICM with optimized Te and wind forcing effects will be developed for use in real-time ENSO prediction.

ENSO对全球气候和天气变化都有重大影响，准确、有效地预报ENSO的发生、发展和演变是短期气候预测的基础，但目前ENSO实时预报仍存在极大的挑战(如大多数海气耦合模式都未能预报出2010-12 La Niña事件中发生于2011年的二次变冷现象)，其影响过程众多，其中海洋次表层上卷温度（Te）和海表大气风场是主要影响因子。本项目将基于已发展的中等复杂程度海气耦合模式（ICM）和次表层海温反算优化方法，以2010-12 La Niña事件为主要研究对象，进一步优化海洋次表层热力强迫和海表大气风场动力强迫对热带太平洋SST模拟的影响，从而改进对ENSO过程的精细化表征和实时预报；最后建立一个我国拥有自主产权的、覆盖全球热带区域的中间型ENSO预报模式，并建立网站向国际社会提供ENSO实时预报，这将有效提高我国在ENSO预报和短期气候预测方面的研究水平，有利于提升我国在这些领域的国际地位。

ENSO对全球气候和天气变化都有重要影响，准确、有效地预测ENSO的发生、发展和演变是短期气候预测的基础，但目前ENSO实时预测仍存在极大的挑战（如大多数海气耦合模式都未能预报出2010-12 La Niña事件中发生于2011年的二次变冷现象，以及2014年初大多数模式预报的所谓“超级El Niño事件”并不准确等），主要是因为ENSO的影响过程众多，其中海洋次表层上卷温度（Te）和海表大气风场是主要影响因子。本研究是基于已发展的中等复杂程度海气耦合模式（ICM）和次表层海温反算优化方法，以2010-12 La Niña事件及2015年El Niño事件为主要研究对象，进一步优化海洋次表层热力强迫和海表大气风场动力强迫对热带太平洋SST模拟的影响，从而改进了对ENSO过程的精细化表征和实时预测；进一步开展了对ENSO事件过程、模拟和预测等研究，包括分析ENSO动力过程以加深对ENSO事件发生和演变的认知；构建一个基于ICM的四维变分（Four-Dimensional Variational，4D-Var）资料同化系统；用所发展的系统开展最优初始化和参数估计研究，改进了ICM对ENSO模拟和预测效果；利用条件非线性最优扰动（CNOP）方法，考察初始场误差和参数误差以及其联合效应对El Niño可预报性的影响，并进一步考察去除CNOP相关的敏感区的初始场误差对预测改进的效果，从而对模式的改进提供了一些参考。本研究最终建立了一个我国拥有自主产权的中间型ENSO预报模式，即IOCAS ICM，并向国际社会提供ENSO实时预测，有效地提高了我国在ENSO预报和短期气候预测方面的研究水平，提升了我国在这些领域的国际地位。