Zebiak-Cane ENSO预报模式的可预报性问题研究

论文摘要

本文把条件非线性最优扰动方法（CNOP）应用到中等复杂程度的ENSO动力耦合模式-Zebiak-Cane模式（ZC模式）,研究ENSO事件的可预报性问题。用程序对程序的方法,编写了双精度ZC模式的切线性模式和伴随模式,完成了相关的检验工作,并对给定的目标函数,通过了梯度检验,建立了ZC模式的一套完整的非线性优化系统。通过计算以气候平均态为基态的CNOP,研究了ENSO事件的最优前期征兆问题。结果表明:CNOP（局部CNOP）描述了最容易发展成El Ni?o （La Ni?a）事件的前期征兆。当热带太平洋SST距平表现为东“正”西“负”（东“负”西“正”）的偶极子型,斜温层深度距平表现为赤道太平洋下沉（抬升）时,这样的CNOP （局部CNOP）型初始距平模态最容易发展成El Ni?o（La Ni?a）事件,并且这种空间结构对优化的初始时间及时间跨度的依赖不明显。非线性在ENSO事件的发展过程中起着重要作用,SST距平的非线性平流项促进El Ni?o事件的发展,而抑制La Ni?a事件的发展,次表层温度参数化的非线性也极大地抑制了La Ni?a事件的发展,使得El Ni?o事件和La Ni?a事件在强度和持续时间上存在明显的不对称性。通过计算以ENSO事件为基态的CNOP,研究了ENSO事件的最大预报误差问题。结果表明:在La Ni?a事件向El Ni?o事件的过渡期预报El Ni?o事件时,初始误差对预报结果的不确定性影响最大。由于初始误差的增长,对于中性或弱El Ni?o事件,容易出现El Ni?o事件空报的情况,对于中等或强El Ni?o事件,预报结果容易低估真实El Ni?o事件的强度。在目前实际的观测精度下,用ZC模式预报ENSO事件时,一般会出现中性情况、弱和极端强El Ni?o事件难报的情况,这个数值分析结果与ZC模式对近20年来3次实际El Ni?o事件的预报效果非常一致。在最大预报误差工作的基础上,从初始误差增长的角度,考察了ZC模式的“春季”预报障碍问题。结果表明:El Ni?o事件的“春季”预报障碍,实际上是El Ni?o增长期的预报障碍。在一定大小的初始误差范围内, CNOP类型的初始误差,最容易导致预报障碍现象出现。另一方面,存在相当多的与CNOP不同类型的初始误差,虽然在初始时刻的“大小”与CNOP相当,但或者其随时

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ENSO 现象的研究和预测
• 1.1.1 ENSO 现象
• 1.1.2 ENSO 现象的理论研究及模式发展
• 1.1.3 ENSO 事件的预测现状
• 1.2 ENSO 可预报性研究的内容和方法
• 1.2.1 ENSO 可预报性研究的内容
• 1.2.2 ENSO 可预报性研究的方法
• 1.3 ENSO 可预报性研究存在的问题
• 1.4 ENSO 可预报性研究的新方法
• 1.5 本文内容和章节安排
• 第二章 Zebiak-Cane 模式介绍
• 2.1 ZC 大气模式
• 2.2 ZC 海洋模式
• 2.3 耦合方案
• 2.4 ZC 模式的模拟和预报
• 2.5 小结
• 第三章 条件非线性最优扰动方法、ZC模式的切线性模式和伴随模式
• 3.1 引言
• 3.2 条件非线性最优扰动
• 3.3 单、双精度 ZC 模式数值试验比较
• 3.4 单精度的切线性模式、伴随模式和梯度计算检验
• 3.4.1 单精度切线线模式检验结果
• 3.4.2 单精度伴随模式检验结果
• 3.4.3 单精度梯度检验结果
• 3.5 双精度的切线性模式、伴随模式和梯度计算检验
• 3.5.1 双精度切线线模式检验结果
• 3.5.2 双精度伴随模式检验结果
• 3.5.3 双精度梯度检验结果
• 3.6 小结
• 第四章 ENSO 事件的最优前期征兆问题
• 4.1 引言
• 4.2 用CNOP方法寻找ENSO事件的最优前期征兆
• 4.2.1 斜温层深度扰动方案
• 4.2.2 计算条件非线性最优扰动
• 4.3 和其他研究结果的比较
• 4.4 和观测结果的比较
• 4.5 最优前期征兆发展成ENSO事件的物理机制
• 4.6 非线性在最优前期征兆发展成ENSO事件中的作用
• 4.7 小结和讨论
• 第五章 ENSO 事件的最大预报误差问题
• 5.1 引言
• 5.2 用CNOP方法寻找ENSO事件的最优初始误差
• 5.3 初始误差对El Ni?o 事件可预报性的影响
• 5.3.1 CNOP 及其对预报结果的影响
• 5.3.2 局部CNOP 及其对预报结果的影响
• 5.4 小结和讨论
• 第六章 ENSO 事件的春季预报障碍问题
• 6.1 引言
• 6.2 ZC 模式的春季预报障碍现象
• 6.2.1 CNOP 类型初始误差导致的春季预报障碍现象
• 6.2.2 局部 CNOP 类型初始误差导致的春季预报障碍现象
• 6.3 产生春季预报障碍的原因
• 6.4 非 CNOP 类型初始误差的春季预报障碍情况
• 6.5 小结和讨论
• 第七章 总结和讨论
• 7.1 本文的主要内容
• 7.2 本文的主要结论
• 7.3 本文的主要创新点
• 7.4 讨论
• 参考文献
• 已完成和发表论文
• 致谢