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作为亚洲季风系统的重要组成部分,西北太平洋夏季气候与东亚夏季异常联系紧密。因而,西北太平洋夏季气候可预测性的研究对提高东亚夏季异常的季节预测水平至关重要。本文利用欧盟最新发展的Ensembles-Based Predictions ofClimate Changes and Their Impact(ENSEMBLES)计划中5个全球海气耦合模式1960-2005年提前一个月的回溯预测试验,全面评估了现阶段海气耦合模式对西北太平洋夏季气候的预测效果,并进一步讨论了预测效果在不同ENSO位相的差异。本文还分析了西北太平洋夏季气候预测的离散性,并利用韩国釜山大学的海气耦合模式(PNU-CGCM)探讨了海洋资料同化对西北太平洋夏季气候预测效果的影响。主要结论如下:
(1)ENSEMBLES对西北太平洋夏季气候的预测效果评估
ENSEMBLES的模式能够较好地抓住西北太平洋夏季异常年际变化的主要特征。夏季降水异常的预测相关系数在海洋性大陆和菲律宾东部地区明显较高,而对流层低层风场和海温场在整个西北太平洋地区预测技巧都较高。模式预测的西北太平洋夏季降水指数在1979-2005年与观测的相关系数为0.66,西北太平洋夏季风指数在1960-2005年的相关系数达到了0.68,反映出了模式较好的预测能力。与西北太平洋夏季风指数相关的夏季异常在模式和观测中有着相似的空间分布。进一步分析表明模式对西北太平洋夏季气候的预测技巧主要来自于热带印度洋和太平洋地区的海气相互作用。因此,提高耦合模式对该地区海气相互作用的预测能力对改进西北太平洋和东亚季节预测有关键性作用。
(2)西北太平洋夏季气候预测效果在不同ENSO位相的表现
除了La Ni(n)a衰退位相,ENSEMBLES的模式在ENSO其他位相对西北太平洋夏季气候的预测效果都较好。模式在El Ni(n)o衰退、El Ni(n)o发展和La Ni(n)a发展三个位相预测能力较La Ni(n)a衰退位相明显偏高,预测偏差较小,预测信噪比也较高。在El Ni(n)o衰退位相和La Ni(n)a发展位相,模式在热带太平洋和印度洋地区海表面温度较高的预测效果对西北太平洋夏季异常较好地预测技巧有重要贡献。前冬ENSO引起的印度洋暖海温异常和ENSO发展产生的热带太平洋冷海温在这两个位相共同调制着西北太平洋夏季异常。在El Ni(n)o发展位相,西北太平洋夏季异常与热带太平洋暖海温联系紧密,对应的模式预测效果也明显偏高。相对地,La Ni(n)a衰退位相较低的预测效果与该位相下热带太平洋和印度洋地区的预测技巧明显偏低相对应,模式预测信噪比也较其他位相明显偏低,对应着该位相较低的预测潜力。
(3)西北太平洋夏季气候预测的离散性
西北太平洋夏季气候预测有着较强的离散度,ENSEMBLES46年平均45个积分WNPMI的变率约为MME预测年际变率的2/3,它给西北太平洋夏季预测带来了很大的不确定性。不同初始条件扰动引起的偏差是预测离散度的主要来源。与预测离散性相联系的夏季异常,包括对流层低层环流、降水和海表面温度,在西北太平洋地区呈现着显著的经向EAP(东亚-太平洋)大气遥相关型,有着很好的动力对应关系。这与模式平均和观测对应的夏季异常有着相似的空间分布,但与离散度相关的夏季异常在热带地区相对偏弱,在中纬度西北太平洋地区与观测更为接近。进一步研究表明,西北太平洋夏季预测的离散度主要来自于西北太平洋和印度洋地区的海气相互作用。一方面,西北太平洋和东亚地区对流层风场可以通过Ekman抽吸作用引起局地的海表面温度异常,导致经向海温跷跷板的分布型态;另一方面,印度洋地区的海温异常和菲律宾海附近的降水异常促进了西北太平洋对流层低层环流的维持。因此,副热带西北太平洋和热带印度洋地区的海气相互作用对了解西北太平洋夏季气候预测离散度和改进西北太平洋—东亚地区季节预测有着重要作用。
(4)海洋资料同化对西北太平洋夏季气候预测效果的影响
利用韩国釜山大学的海气耦合模式(PNU-CGCM)进行了1980-2010年两组回报试验:一组未进行海洋资料同化,一组进行了海洋资料同化。通过二者预测效果的比较发现,海洋资料同化有效提高了西北太平洋夏季气候的预测效果。模式对西北太平洋降水和对流层低层环流指数的预测准确度明显提高。对应西北太平洋夏季风指数(降水指数)由同化前的0.43(0.45)提高到了0.58(0.52)。海洋资料同化对预测技巧的提高还表现在热带和中纬度西北太平洋对流层低层风场、热带太平洋地区海表面温度和热带太平洋以及菲律宾海附近地区降水的预测相关系数都明显增强。进一步研究发现,海洋资料同化引起热带太平洋海表面温度预测技巧的提高是导致西北太平洋夏季气候预测技巧提高的主要原因。热带太平洋海表面温度气候态、年际变率以及与西北太平洋之间的联系在海洋资料同化后都得到了改善,这可能是引起西北太平洋夏季气候预测技巧提高的主要原因。然而,海洋资料同化不能减弱西北太平洋夏季气候的预测离散度,对热带印度洋海表面温度预测效果的改进也不明显。