非线性海洋大气2012硕b

1、信号与噪音空间结构的相似性在目标观信号与噪音空间结构的相似性在目标观测研究中的可能应用测研究中的可能应用 关于关于El Nino、阻塞高压与黑潮的、阻塞高压与黑潮的初步结果初步结果中国科学院海洋研究所中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室海洋环流与波动重点实验室大气科学和地球流体力学数值模拟大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室国家重点实验室(LASG)E-mail: 穆穆穆穆一一. . 引言引言二.二. 例例1 1：气候可预报性：气候可预报性三.三. 例例2 2 ：天气可预报性：天气可预报性 阻塞爆发问题阻塞爆发问题四四. .例例3:3:海洋环流可预报性海洋环流可预报性黑潮路径变

2、异问题黑潮路径变异问题五五. . 讨论讨论主要内容一、引言 可预报性研究 研究预报结果不确定性产生的原因和机制，寻找减小不确定性的方法和途径。（Mu et al., 2004） 天气天气/ /气候事件的爆发气候事件的爆发最优前期征兆(OPR）=在一定条件下，最容易在一定条件下，最容易发展成某一天气发展成某一天气/ /气候事气候事件的初始异常件的初始异常增长最快初始误差(OGE)在一定条件下，对将来某一确在一定条件下，对将来某一确定时刻预报结果不确定性影响定时刻预报结果不确定性影响最大的初始误差最大的初始误差如何通过观测减少出现这种误差的可能性，提高预报技巧?初始场（分析场）中初始场（分析场）中

3、是否有这种前期征兆是否有这种前期征兆的信号？如果没有，的信号？如果没有，如何通过观测（或同如何通过观测（或同化）将其捕捉到？化）将其捕捉到？预报结果不确定性预报结果不确定性 问题问题1 1 问题问题2 2二、气候可预报性研究 春季预报障碍问题春季预报障碍问题对东太平洋海温异常的预测可以提前一年左右，但预报跨过春季时，误差发展迅速，预报水平下降很快。这种现象叫做“春季预报障碍”。春季，预报水平下降迅速(a) type-1 CNOP error(b) type-2 CNOP error。 SSTA component ( C )Themocline depth anomaly component

4、( m )CNOP误差导致显著的误差导致显著的SPB现象现象研究结果研究结果(Zebiak-Cane模式模式)SPBSPB现象与初始误差特定的现象与初始误差特定的pattern有紧密联系有紧密联系CNOP误差误差随机初始随机初始误差误差随机误差不导致随机误差不导致SPB现象现象Mu et al., GRL，2007；Duan et al., JGR, 2009; Yu et al., QJRMS, 2009ENSOENSO事件事件SPBSPB现象中误差增长的机制现象中误差增长的机制Typer-1 CNOP error （SSTA）Typer-2 CNOP error（SSTA）Optimal

5、precursor of El NinoOptimal precursor of La NinaCNOP误差与误差与ENSO前期征兆具有类似的前期征兆具有类似的PatternMu et al., GRL，2007；Duan et al., JGR, 2009; Yu et al., QJRMS, 2009CNOPCNOP误差和误差和ENSOENSO事件爆发具有相同发展机制事件爆发具有相同发展机制Bjerknes正反馈机制；春季最强的海气耦合不稳定性正反馈机制；春季最强的海气耦合不稳定性3-month lead6-month lead9-month lead12-month lead0-mont

6、h lead3-month lead6-month lead9-month lead12-month lead0-month leadEl Nino和和La Nina事件的发展事件的发展两类两类CNOP误差误差的发展的发展Mu et al., GRL，2007；Duan et al., JGR, 2009; Yu et al., QJRMS, 2009提出改进提出改进ENSOENSO预报技巧的思路预报技巧的思路CNOP误差揭示了误差揭示了ENSO预测的敏感区，通过目预测的敏感区，通过目标观测改进初始场，提高标观测改进初始场，提高ENSO预报技巧预报技巧为为ENSO预测的资料同化提供了理论基础预

7、测的资料同化提供了理论基础Mu et al., GRL，2007；Duan et al., JGR, 2009; Yu et al., QJRMS, 2009(a) type-1 C N O P error(b) type-2 C N O P error。 S S TA com ponent ( C )Them ocline depth anom aly com ponent ( m ) 三、天气可预报性三、天气可预报性 阻塞爆发问题阻塞爆发问题bc,cbbbB 500 hPa上大西洋区域典型的冬季阻塞异常模态 (gpm)气候态B B0.50.5，a blocking flowa blocki

8、ng flow阻塞异常模态, x yxyd阻塞指数定义（liu,1994）：reference zonal flowTimeblocking onset0.5Blocking index*000QQq0Q0()ttQM Q基态与阻塞演变示意图基态与阻塞演变示意图*0qprecursor2020个个例：个个例： m2 s-1 CasesCases1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010S1S4.96S2S2-.93-.86-.91-.91-.88-.88-.85-.85-.93-.84CasesCases11111212

9、13131414151516161717181819192020S1S8.96S2S2-.93-.93-.84-.67-.40-.91-.88-.57-.68-.8955124.0 10 ,3.0 10S1S1：OPROPR与与local CNOP error local CNOP error 的相似指数的相似指数. . 合成场合成场S1=0.95S1=0.95S2S2：OPROPR与与global CNOP error global CNOP error 的相似指数的相似指数. . 合成场合成场S2=-0.87S2=-0.87Optima

10、l precursorLocal CNOP errorGlobal CNOP error200 hPa800 hPa500 hPaComposite precursorT=1T=0T=3T=2global CNOP errorlocal CNOP error500 hPaCNOPCNOP误差和阻塞事件最优前期征兆具有相同发展机制误差和阻塞事件最优前期征兆具有相同发展机制(,)(,)(,)iiiiiiiiqJqJQJqDt 波波相互作用波流相互作用耗散项1,2,3i 其中1(,)PttPJJq 2(,)(,)PttPttPJJqJQ Composite precursorLocal CNOP e

11、rrorGlobal CNOP error500 hPa波流相互作用波流相互作用起主导作用：北负南正的涡度输送起主导作用：北负南正的涡度输送结构有利于阻塞的形成。结构有利于阻塞的形成。敏感区（误差的总能量分布）Local CNOP errorGlobal CNOP error四四. 例例3:海洋环流的可预报性海洋环流的可预报性 黑潮路径变异问题黑潮路径变异问题黑黑 潮潮黑潮黑潮是北太平洋副热带环流系统中的西边界暖流是北太平洋副热带环流系统中的西边界暖流 ，其流速，其流速快，流量大，并具有高温高盐等特点。快，流量大，并具有高温高盐等特点。黑潮流系黑潮流系日本南部黑潮路径的双模态特征日本南部黑潮路

12、径的双模态特征非大弯曲非大弯曲(NLM)路径路径大弯曲大弯曲(LM)路径路径考察黑潮路径由考察黑潮路径由NLMNLM过渡为过渡为LMLM的前期征兆，的前期征兆，即即LMLM发生的前期征兆发生的前期征兆From JMA最优前期征兆（最优前期征兆（信号信号）的计算设置）的计算设置1、背景场、背景场指数值大对应大弯曲路径，反之，对应非大弯曲路径。指数值大对应大弯曲路径，反之，对应非大弯曲路径。三个个例，背景场均处于非大弯曲路径。三个个例，背景场均处于非大弯曲路径。Case 1Case 2Case 32 2、目标函数、约束条件及优化时间、目标函数、约束条件及优化时间22( )( ) KEh uvdxd

13、y目标函数：目标函数：积分区域：大弯曲路径发生区域积分区域：大弯曲路径发生区域（25-35N，132-140E）约束条件：约束条件：222000()() ()TEHuvdxdyghdxdy（扰动动能）（扰动动能）积分区域：整个模拟区域积分区域：整个模拟区域优化时间：优化时间：（初始扰动（初始扰动总能量）总能量）450450天，三个个例相同天，三个个例相同约束大小为：约束大小为：113.6 10Case 1Case 1CNOPCNOP的海洋上层厚度分量的海洋上层厚度分量黑色：未叠加扰动（背景场）黑色：未叠加扰动（背景场）蓝色：叠加了蓝色：叠加了CNOPCNOPCNOP( (前期征兆前期征兆) )

14、九九州州黑潮流轴黑潮流轴第第450天天Case 2Case 2CNOP( (前期征兆前期征兆) )黑色：未叠加扰动（背景场）黑色：未叠加扰动（背景场）蓝色：叠加了蓝色：叠加了CNOPCNOPCase 3Case 3CNOP( (前期征兆前期征兆) )黑色：未叠加扰动（背景场）黑色：未叠加扰动（背景场）蓝色：叠加了蓝色：叠加了CNOPCNOP黑潮路径变异中信号与误差的相似性黑潮路径变异中信号与误差的相似性由前面结果，叠加在黑潮非大弯曲路径上由前面结果，叠加在黑潮非大弯曲路径上的的CNOPCNOP（前期征兆）导致了黑潮大弯曲事（前期征兆）导致了黑潮大弯曲事件，现在以此事件所对应的状态为参考态，件，

15、现在以此事件所对应的状态为参考态，计算条件非线性最优扰动计算条件非线性最优扰动(CNOP)(CNOP)（误差误差）。）。Case 1前期征兆前期征兆(信号信号)CNOP-误差误差LCNOP-误差误差-0.930.96数值：与前期征兆的相似系数数值：与前期征兆的相似系数Case 2前期征兆前期征兆(信号信号)CNOP-误差误差LCNOP-误差误差0.97-0.94Case 3CNOP-误差误差LCNOP-误差误差前期征兆前期征兆(信号信号)-0.910.91小结小结个例个例信号信号.VS.CNOP-.VS.CNOP-误差误差 信号信号.VS.LCNOP-.VS.LCNOP-误差误差 Case 1-0.930.96Case 20.97-0.94Case 3-0.910.91由上表可见，信号与误差具有较好的相似性，由上表可见，信号与误差具有较好的相似