年代际气候预测中的动态偏差订正方法研究

Decadal climate change is not only affecting the seasonal, interannual and centennial climate change, but also the abnormal may cause for more than ten years to decades of climate disasters, so decadal prediction has been designed as one of the core tests of CMIP5 (the phase five of the Coupled Model Intercomparison Project ) by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) fifth assessment report (AR5), the decadal prediction becomes an international scientific frontier. However, the coupled climate system model bias has an important influence on the skill of decadal prediction, how to overcome this effect, improving the precision of the decadal prediction becomes an important issue in the field. Internationally,the correction of the model bias are done in post-processing. But this can not overcome the bad effects of the model bias to the climate variability in forecasting. In order to solve this challenging problem, this project is proposed based on one hundred years project information ,put forward a new scheme that can correct the model system bias dynamically in the forecasting, which can effectively alleviate climate drift phenomenon, and alleviate the initial shock problem in early prediction. This method is expected to improve the skill of decadal prediction, provide more reliable scientific basis for national disaster prevention and mitigation, planning of major infrastructure and climate diplomacy.

年代际气候变化不仅影响月季、年际和百年际气候变化，而且其异常可能会带来持续十几年至几十年的气候灾害，因此年代际气候预测已被政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告（AR5）列为第5期耦合模式比较计划（CMIP5）的核心试验之一，成为国际科学前沿。然而，耦合气候系统模式的偏差对年代际气候预测的技巧有重要的影响，如何克服这种影响，改进年代际预测的精度成为该领域的一个重要课题。国际上对模式偏差的订正均是在后处理中进行，不能克服模式偏差在预测过程中对变率的不良影响。针对这一挑战性问题，本项目拟基于模式百年预估的信息，提出一种在预测过程中能动态订正模式系统偏差的新方案，有效缓减气候漂移现象和预测初期出现的初始冲击问题，可望提高模式对年代际变率的预测能力，为国家防灾减灾、重大基础设施的规划以及气候外交提供更可靠的科学依据。

利用耦合气候系统模式进行年代际气候变化预测主要存在两大问题，即“初始冲击问题”和“气候漂移问题”。近期通过改进耦合气候系统模式FGOALS-g2的初始化系统和年代际预测系统，有效提高了耦合模式FGOALS-g2的年代际预测模拟能力。本项目首先改进模式FGOALS-g2的初始化系统，建立了FGOALS-g2的基于简化局地化和快速局地化方案的DRP-4DVar耦合同化系统，有效地减缓了预测产生的初始冲击问题。其次，改进了模式FGOALS-g2的年代际预测系统，该预测方案有效提取模式年代际预估资料中可用于动态偏差订正模式偏差的同步信息，减缓了因模式偏差导致的气候漂移问题，使得预测模拟结果更接近观测。最后，在新的年代际预测系统下完成了对过去50年的年代际气候变化回报试验和对未来30年气候变化的预测试验，对比分析模式FGOALS-g2的年代际预测能力，进一步检验了新的初始化系统和新的预测系统对改进年代际预测两大问题的效果。结果表明：（1）基于简化局地化方案的同化试验对ENSO年际变率模拟较好，但强度较弱，对太平洋和大西洋年代际变率模拟较好；（2）基于快速局地化方案的同化结果相比于简化局地化方案而言，观测代价函数进一步降低，SST与观测更加接近，ENSO年际变率、太平洋和大西洋年代际变率模拟更好；（3）简化局地化方案对SATA的后报结果与观测更接近，初始冲击现象明显缓解；（4）改进的动态偏差订正的预测方案SATA模拟结果显示，模式偏差导致的气候漂移现象得到了缓解。本项目的研究结果有利于减缓耦合模式FGOALS-g2年代际预测中的初始冲击问题和气候漂移问题，从而提高耦合模式FGOALS-g2的年代际预测能力。