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GNSS ZTD时空变化分析及在ENSO事件监测中的应用

GNSS ZTD时空变化分析及在ENSO事件监测中的应用

引用

作者：于腾丽天津城建大学

学位级别：硕士

旱涝、暴雪、重霾等气象灾害的频繁发生,对人类生产生活造成了严重危害,气象灾害的监测预警精度亟待实现进一步提升。水汽作为大气中变化最活跃的成分之一,对极端气候事件有着重要指示作用。ENSO事件通过影响西太平洋副热带高压等大气... 详细信息

旱涝、暴雪、重霾等气象灾害的频繁发生,对人类生产生活造成了严重危害,气象灾害的监测预警精度亟待实现进一步提升。水汽作为大气中变化最活跃的成分之一,对极端气候事件有着重要指示作用。ENSO事件通过影响西太平洋副热带高压等大气环流的变化,影响东亚季风水汽输送,间接导致中国大陆旱涝灾害的发生。利用水汽的时空变化特征来监测ENSO事件对我国气候的影响机制具有重要意义。本文将GNSS气象学应用于极端气候事件监测预警领域,探究中国大陆异常气候变化特征,为相关气象监测部门、灾害防控治理部门提供参考。本文利用经验正交函数分析法研究了中国大陆GNSS ZTD的空间分布特征,发现其存在的区域性规律与五大气候类型分布较为吻合。利用小波变换和快速傅里叶变换开展GNSS ZTD时间序列的时-频变化特征分析,发现GNSS ZTD时序变化主要受年周期、半年周期、季节性周期、1～9个月内诸多显著变化周期和日波半日波的驱动。探究了不同区域GNSS ZTD的异常序列和频域震荡特征对不同类型ENSO事件的响应规律,量化了不同区域GNSS ZTD异常对ENSO事件的响应阈值。并提出了一种优化的LSTME模型,该模型将GNSS ZTD对ENSO事件存在响应的时频特征重构项应用于ENSO事件的预测。以上方法克服了现有研究存在的区域受限、量化分析不足等问题,并实现了ENSO事件较高精度较长时效预测。主要研究结论如下:(1)各区域GNSS ZTD异常对ENSO事件的响应安全阈值分别为:热带季风区域(-1.12,1.92);亚热带季风区域(-1.12,1.61);温带季风区域(-1.19,1.62);温带大陆区域(-1.26,1.64);高原山地区域(-1.22,1.72)。当多变量ENSO指数超过该安全阈值时,中国地区GNSS ZTD异常主要受ENSO事件影响。(2)ENSO事件的发生对中国地区GNSS ZTD显著变化周期振幅存在影响,其将导致GNSS ZTD的9个月显著变化周期振幅减小,0.8～3个月内显著变化周期振幅增大。对日波和半日波也存在一定影响,但其振幅变化无显著规律。(3)将中国大陆GNSS ZTD重构序列作为辅助变量应用于ENSO事件的预测,构建LSTME模型。与传统LSTM与RBF相比有效提高了预测精度,并实现了12～24个月的预测时效。该模型具有较高的精度和实用性。

关键词：全球导航卫星系统天顶对流层延迟水汽厄尔尼诺-南方涛动快速傅里叶变换小波变换长短期记忆网络扩展

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热带太平洋障碍层的特征、演变机理及其与ENSO的关联

热带太平洋障碍层的特征、演变机理及其与ENSO的关联

引用

作者：梁昌硕自然资源部第三海洋研究所

学位级别：硕士

本文基于2004～2017年Argo网格数据集（BOAArgo）,系统分析了热带太平洋障碍层厚度的特征、演变机理及其与ENSO事件的关联。在年平均意义上,热带太平洋障碍层呈现出3条显著的从西太暖池区向东太平洋延伸的带状分布特征,分别位于以12... 详细信息

本文基于2004～2017年Argo网格数据集（BOAArgo）,系统分析了热带太平洋障碍层厚度的特征、演变机理及其与ENSO事件的关联。在年平均意义上,热带太平洋障碍层呈现出3条显著的从西太暖池区向东太平洋延伸的带状分布特征,分别位于以12°N、5°N、10°S为中心的纬度带上;其中西太暖池区存在着永久的、厚的障碍层（>20m）,12°N和10°S纬度带上的障碍层分别以冬、夏季为主。暖池区的障碍层存在明显的年际变动,其厚度变化幅度可达15 m以上。多变量经验正交函数（MV-EOF）分解的主模态表明西太暖池区的降水与障碍层的异常场分布型态非常吻合,都呈现明显的东（正）西（负）的反相位分布型,降水的正（负）异常造成了障碍层的正（负）异常;且与ENSO事件高度相关（相关系数0.87）,存在显著的2～4年的年际变化主周期信号。合成分析表明ENSO期间障碍层的变化主要局限于160°W以西的赤道太平洋,在厄尔尼诺（拉尼娜）年,异常偏厚（薄）的障碍层位于160°E以东,异常偏薄（厚）的障碍层位于160°E以西。在厄尔尼诺（ElNino）期间,由强降水、低盐水的水平输送以及下降的开尔文波导致的混合层深度（MLD）异常对赤道160°E以东异常偏厚的障碍层起主要诱导作用,该区域障碍层厚度的变化滞后Nino3.4指数1个月;而在拉尼娜（LaNina）期间,由海水辐聚、潜沉导致的等温层深度（ILD）异常是赤道160°E以西出现较厚障碍层的主要原因,该区域障碍层厚度的变化超前Nino3.4指数1个月。通过对比分析东部型厄尔尼诺（EPEN）和中部型厄尔尼诺（CPEN）期间障碍层的演变特征,发现在CPEN事件盛期,赤道太平洋异常偏厚的障碍层主要出现在日界线以西,厚度变化达到10 m以上,而在EPEN事件盛期,赤道太平洋异常偏厚的障碍层主要出现在日界线以东,厚度变化较CPEN更为显著,可达15 m以上。针对赤道太平洋障碍层的纬向迁移分析表明:对应El Nino（La Nina）年,赤道太平洋偏厚的障碍层位置显著东（西）移,并且与暖池东部边缘和海表盐度（SSS）锋的纬向迁移大致处于同一位相。在大多数情况下,较厚的障碍层局限于暖池的东部边缘内（170°W以西）,位于SSS锋附近或者偏西,SSS锋附近的障碍层可能归因于水平平流、强降水以及开尔文波。值得注意的是,在2015年的9月到2016年2月期间,赤道中太平洋的SSS锋消失,对应着厚障碍层的消失,表明厚的障碍层的位置与西太暖池东部边缘内SSS锋的纬向位置密切相关,其具体机理有待进一步的数值模拟探究。对SSS锋断裂区域进行了盐度收支分析,发现该区域长时间的混合层盐度收支平衡主要是淡水通量外强迫与海洋过程自身调整的平衡。SSS锋消失的时间段,由于较强的降水使得淡水通量项较强的负贡献导致该区域盐度异常的变淡,而海洋平流对盐度变化的微弱正贡献并不足以提供该区域该时间段SSS锋生成的有利条件。并且该区域淡水通量项变化明显超前于平流输送项变化1个月,表明海洋平流是大洋对淡水通量强迫产生的被动响应。最后,从降水、海表流、风应力变化与障碍层的回归分析表明降水和风应力主要通过影响混合层深度来影响障碍层厚度,而经向流和纬向流可能通过海水的辐聚、潜沉来影响等温层深度从而影响障碍层厚度变化,厚障碍层倾向于在弱风、强降水、向西的强纬向流以及赤道两侧向赤道方向辐聚的经向流的条件下形成,对于赤道西太平洋障碍层的变化,降水可以解释其中的30%～35%,风应力的贡献可达20%左右,纬向流的作用可以解释15%～20%。

关键词：热带太平洋障碍层厄尔尼诺-南方涛动东部型厄尔尼诺中部型厄尔尼诺海表面盐度锋

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基于组合模型的ENSO现象预测方法的研究和应用

基于组合模型的ENSO现象预测方法的研究和应用

引用

作者：谭鸿锐兰州大学

学位级别：硕士

厄尔尼诺-南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)是发生在热带太平洋区域的一种气候现象，它能引起高温、干旱、洪水等极端天气事件，准确预测ENSO事件的发生及其变化对于提高全球气候预测的精确度、实行有效的灾害预防和减缓措施... 详细信息

厄尔尼诺-南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)是发生在热带太平洋区域的一种气候现象，它能引起高温、干旱、洪水等极端天气事件，准确预测ENSO事件的发生及其变化对于提高全球气候预测的精确度、实行有效的灾害预防和减缓措施至关重要。在监测和预测ENSO现象的过程中，NINO3.4指数作为一个关键气候指标，对它进行时间序列预测对于深入理解和预测ENSO现象具有重大意义，但由于该气候指标具有随机性和波动性，传统方法和单一机器学习模型难以完成精确的预测任务。　　本文通过归纳和总结现有的ENSO现象时序预测方法，提出一种基于“信号分解-序列重构-前向预测”策略的ICEEMDAN-IE-WOA组合模型。首先，该模型采用改进版的自适应噪声完备集成经验模态分解算法(ImprovedCompleteEnsembleEmpiricalModeDecompositionwithAdaptiveNoise,ICEEMDAN)对原始ENSO数据进行降噪分解，再根据增长熵(IncrementEntropy,IE)排序对分解后得到的数据进行人工重构，得到低频、中频、高频分量，接下来使用长短时记忆网络(LongShort-termMemory,LSTM)、门控循环单元(GatedRecurrentUnit,GRU)和时间卷积网络(TemporalConvolutionalNetwork,TCN)构成单一预测模块，再分别对低频、中频、高频分量进行预测，之后使用鲸鱼优化算法(WhaleOptimizationAlgorithm,WOA)确定各个模型的最优组合权重，根据权重对预测值进行加总以获得最终的预测成果。最后，在美国国家海洋与大气管理局发布的ENSO数据集上展开了实验分析，证实了本文提出的组合模型的实用性和效能。　　在本文提出的组合模型的基础上，使用Python、JavaScript和Django框架，搭建了一套ENSO现象预测系统。本系统主要由三个核心部分构成：数据收集和预处理、组合模型预测以及历史结果查询。通过可视化的图形界面，系统能够直接向用户展示预测数据，使用户能够轻松地获取预测结果。　　综上所述，本文通过对组合模型结构的调整和优化，提高了对ENSO现象的预测精度。本文所提出的ENSO预测系统不仅具有高度的准确性和稳定性，而且还具有一定的可拓展性，可以应用于其他领域的气象预测，具有广泛的应用前景。

关键词：热带太平洋厄尔尼诺-南方涛动组合模型深度学习信号分解

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基于EOF和随机森林模型的我国臭氧污染驱动机制及情景预测研究

基于EOF和随机森林模型的我国臭氧污染驱动机制及情景预测研究

引用

作者：陆庆恒青岛科技大学

学位级别：硕士

近年来臭氧（O3）污染在中国已成为造成重污染天数的第二大因素。本研究基于2015年1月至2021年2月中国近1500个地面监测站点O3小时浓度数据,并结合PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO监测数据、高精度气象栅格数据和高精度GDP栅格数据,构建随机... 详细信息

近年来臭氧（O3）污染在中国已成为造成重污染天数的第二大因素。本研究基于2015年1月至2021年2月中国近1500个地面监测站点O3小时浓度数据,并结合PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO监测数据、高精度气象栅格数据和高精度GDP栅格数据,构建随机森林模型分析了暖季与冷季O3污染的耦合驱动机制。基于经验正交函数（EOF）识别了O3污染异常的三种时空模态,进而分析了不同季节三种时空模态与东太平洋厄尔尼诺（El Ni?o）和中太平洋厄尔尼诺（El Ni?o Modoki）的之间的关联,并利用回归和加权组合分析分别研究了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和ENSO Modoki对O3污染异常的影响及其气象机制。最后,基于成功构建的随机森林模型和第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）模式数据,对中国2020-2100年暖季与冷季四种共享社会经济路径（SSPs）情景下O3污染进行预测。研究发现: （1）暖季和冷季不同地区O3污染的主要影响因素存在差异。在暖季,地表温度是影响O3浓度最重要的因素,尤其在华中地区和东北地区。而在华南、华东和内蒙古地区,NO2、相对湿度和850-h Pa风速是主要影响因素。整体来看,地表温度、相对湿度、500-h Pa风速和850-h Pa风速是暖季O3浓度的主要影响因素。在冷季,850-h Pa风速、CO、NO2、地表温度和500-h Pa风速对O3浓度有显著影响。研究发现,O3污染对地表温度、相对湿度、850-h Pa风速、NOx和CO的偏依赖性存在季节性和区域性差异。随着地表温度升高,大多数地区的O3浓度增加,相较冷季,暖季地表温度对O3浓度的影响更明显。大多数地区O3浓度在中等相对湿度范围内达到峰值,暖季和冷季均存在这一情况。850-h Pa风速增加会导致O3浓度下降,相较冷季,暖季850-h Pa风速对O3浓度的影响更明显。NO2在暖季下,低浓度下促进O3生成,高浓度下消耗O3;在冷季NO2浓度升高导致O3浓度下降。CO对O3浓度负相关,在大多数地区CO升高导致O3浓度下降,相较暖季,冷季850-h Pa风速对O3浓度的影响更明显。（2）本研究识别到的三种主导时空模态存在明显差异。第一模态解释了总方差从42.01%（春季）到38.45%（秋季）的O3污染时空模态。在春季和夏季显示出显著正的O3异常,主要分布在华北和华中高污染地区,秋季和冬季则位于华东和华南地区。相较El Ni?o,El Ni?o Modoki对O3污染的影响更大,与回归和加权组合分析结果一致。第二模态解释了总方差从19.69%（冬季）到12.63%（夏季）的O3污染时空模态。在第二模态中,发现秋季中国东南部和西北部之间O3污染异常的跷跷板模式,与El Ni?o相比,O3污染异常受El Ni?o Modoki的影响较小。第三模态解释了总方差约为10%的O3污染时空模态。在夏季和秋季,分别与El Ni?o Modoki显著相关但相关性相反。秋季东南沿海地区的O3浓度明显升高,而在其他季节未观察到这一现象。（3）ENSO和ENSO Modoki对O3污染异常的影响基本一致,与比ENSO相比,ENSO Modoki对O3污染的影响更大。相较夏季和秋季,春季和冬季两种类型ENSO事件对O3污染异常的影响较小,在El Ni?o/El Ni?o Modoki（La Ni?a/La Ni?a Modoki）阶段,中国各地的O3污染以负（正）异常为主。然而,在夏季和秋季,由于ENSO类型和地理位置不同,O3污染异常有显著差异。特别是在El Ni?o Modoki期间,夏季和秋季中国东部地区的O3污染存在明显正异常,而El Ni?o期间秋季中国西部地区的O3污染存在负异常,夏季各地区O3污染正异常和负异常均有分布。El Ni?o和El Ni?o Modoki之间的O3污染异常差异可部分归因于相关大气环流的变化。El Ni?o Modoki期间,850-h Pa异常高压和低压更强,相关的异常环流也更强,异常降水和太阳辐射的范围和强度也更大。（4）2020-2100年期间,O3浓度的变化呈现出显著的区域性和季节性差异,并受到不同SSPs情景的显著影响。短期预测结果显示,2020-2030年间,在不同情景下华南、西南和华中地区暖季O3浓度明显上升,其中西南地区O3浓度上升幅度最大。相比之下,华北地区O3浓度下降幅度最大。冷季大多数地区O3浓度上升,其中西南地区O3浓度上升幅度最大。中期预测结果显示,2030-2060年间,尽管部分地区和情景下O3浓度下降,但整体趋势为上升或略微下降。暖季,在部分情景下华东和华中地区的O3浓度明显上升。冷季,部分情景下华中、西南和华南地区O3浓度显著上升。长期预测结果显示,2060-2100年间,大多数情景

关键词：臭氧经验正交函数厄尔尼诺-南方涛动随机森林 CMIP6

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70万年来西太平洋暖池北缘上层水体结构演化

70万年来西太平洋暖池北缘上层水体结构演化

引用

作者：贾奇中国科学院研究生院(海洋研究所)

学位级别：硕士

本论文以西太平洋暖池北部边缘的MD06-3047B孔为研究材料,该柱状样由中法合作执行的Marco Polo 2 IMAGES XIV航次取得,该孔位于吕宋岛东部的西菲律宾海本哈姆高原,位于17°00.44’N,124°47.93’E,柱长8.9 m,水深2510 m。本次... 详细信息

本论文以西太平洋暖池北部边缘的MD06-3047B孔为研究材料,该柱状样由中法合作执行的Marco Polo 2 IMAGES XIV航次取得,该孔位于吕宋岛东部的西菲律宾海本哈姆高原,位于17°00.44’N,124°47.93’E,柱长8.9 m,水深2510 m。本次研究利用该柱状样来研究西太平洋暖池北部边缘过去70万年来的古海洋学变化。通过将底栖种***的δ18O与大洋底栖有孔虫标准曲线LR04曲线进行对比,并以约出现在距今12万年的粉红色***末现面为参照点建立MD06-3047B孔的年龄模式。结果显示MD06-3047B孔共包括17个氧同位素期次,约70万年。除了***的δ18O记录在MIS14-13期冰期间冰期变化特征相对不明显,底栖种***、次表层种***与表层种***的δ18O记录整体上具有明显的冰期间冰期变化特征。底栖有孔虫***的碳同位素也具有较为明显的冰期间冰期变化特征,冰期时偏轻,间冰期时偏重;***的碳同位素变化特征为冰期时逐渐变重,间冰期时逐渐变轻,***的碳同位素表现为冰期时逐渐变轻,间冰期时逐渐变重。在冰期终止期Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ期,***的δ13C表现出明显的负偏,而在MIS13期和MIS3期左右,***的δ13C表现出明显的正偏。MD06-3047B孔次表层种***与表层种***δ18O的差值反映的温跃层变化具有冰期逐渐变浅,间冰期逐渐变深的特点。表层种***与次表层种***的碳同位素记录,以及底栖种***和表层种***的碳同位差值反演的研究区古生产力变化特征为冰期时升高,间冰期时降低。结合MD06-3047B孔的差值结果与西太平洋暖池核心区ODP805站位和赤道东太平洋ODP847站位的差值对比结果,得出热带太平洋在过去70万年来存在类ENSO式的变化特征,冰期时为偏类厄尔尼诺状态,间冰期时为偏类拉尼娜状态,冰消期时为典型的类厄尔尼诺状态。在冰期终止期Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ期,次表层种***的碳同位素记录存在极小值事件,说明在这几个冰期终止期来自南极的低δ13C海水到达了西太平洋暖池北部边缘地区。浮游有孔虫Mg/Ca反演的表层水和次表层水的温度,整体趋势上存在冰期间冰期的变化,冰期间冰期温度的变化范围最大达到6℃。

关键词：西太平洋暖池南极中层水温跃层生产力厄尔尼诺-南方涛动

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南印度洋副热带偶极子的年代际转变特征

南印度洋副热带偶极子的年代际转变特征

引用

作者：刘凯山东科技大学

学位级别：硕士

南印度洋副热带海表面温度(SeaSurfaceTemperature,SST)的变化能影响海流、中纬度风暴路径、热带和温带之间的遥相关以及经向大气环流等，在南部非洲的年代际气候变化中起着重要作用。南印度洋副热带偶极子(SubtropicalIndianOceanDipol... 详细信息

南印度洋副热带海表面温度(SeaSurfaceTemperature,SST)的变化能影响海流、中纬度风暴路径、热带和温带之间的遥相关以及经向大气环流等，在南部非洲的年代际气候变化中起着重要作用。南印度洋副热带偶极子(SubtropicalIndianOceanDipole,SIOD)是南印度洋重要的年际气候变化，为了对SIOD有着更深入的认知，本文利用Hadley中心的海表面温度数据、美国国家环境预报中心的大气再分析数据集Ⅰ(NCEP-NCARReanalysis1,NCEP)和欧洲中期天气预报中心的海洋再分析数据(OceanReanalysisSystem4,ORAS4)等,分析了1958～2020年SIOD年代际转变的特征和物理机制。结果显示，2000年之前，SIOD存在2～4a和4～6a两个年际主周期，但近二十年(2000～2020年)其年际周期缩短为1.5～2.0a,并且SIOD的小波谱密度也在逐渐减小。除此之外，在1987年和2004年，SIOD经历了两次显著的年代际转变，在振幅和空间模态方面均有体现。1958～1986年(P1)期间强度最大，1987～2003年(P2)期间最弱，2004～2020年(P3)期间居中;P1期间SIOD的最大正SST异常(SSTA)中心位于(46°E～80°E，44°S～28°S),P2期间向西南移动到(35°E～65°E，48°S～34°S)，同时负SSTA中心较P1期间向南北方向延伸，P3期间正、负SSTA中心又回到P1时期的位置。　　进一步研究发现，SIOD与南极涛动(Antarcticoscillation,AAO)和厄尔尼诺-南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)在统计上存在显著的相关关系，SIOD的年代际转变受AAO和ENSO的影响。在P1时期，SIOD与AAO之间显著同期正相关，在此之后相关性减弱;SIOD与ENSO的关系在1958～1984年和1996～2020年呈现显著负相关,在1985～1995年期间关系不显著;MH与SIOD的关系在P3时段之前与AAO类似，但在P3时期二者有着显著的正相关。通过合成分析与海洋混合层热收支分析发现，AAO与ENSO主要通过调制马斯克林高压(MH)而影响海表面热通量(特别是潜热通量)的变化，进而影响SIOD。本文最后分析了SIOD与ENSO的关系，结果发现，二者之间存在显著的超前滞后关系，并且这种关系也存在年代际转变，主要与太平洋年代际振荡(InterdecadalPacificOscillation,IPO)的相位转变有关。

关键词：南印度洋副热带偶极子年代际转变南极涛动厄尔尼诺-南方涛动马斯克林高压海表面热通量

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气候内部变率对太平洋印度洋主要海气耦合模态未来预估不确定性的贡献

气候内部变率对太平洋印度洋主要海气耦合模态未来预估不确定性的...

引用

作者：惠畅中国海洋大学

学位级别：硕士

本文利用美国国家大气研究中心的公共地球系统模式（CommunityEarthSystemModel,CESM）的大集合试验（LargeEnsemble,简称CESM-LE）计划的40个集合成员的历史（Historical）和RCP8.5（RepresentativeConcentrationPathway8.5）试验结果，使用经验正交函数分解（EmpiricalOrthogonalFunction,EOF）以及相关、线性回归等多种统计方法，探讨了气候内部变率对太平洋印度洋主要海气耦合模态，即厄尔尼诺-南方涛动（ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO）和印度洋偶极子(IndianOceanDipole,IOD）模态未来预估不确定性的贡献，发现了内部变率在ENSO、IOD振幅未来预估不确定性中的重要作用。此外，我们还利用了第五次耦合模式比较计划（CoupledModelIntercomparisonProjectphase5,CMIP5）23个模式同样辐射强迫条件下的试验结果，将模式间的不确定性与CESM-LE成员间由内部变率产生的不确定性进行了比较，得到了以下创新性的成果：　　首先，本文研究了内部变率对ENSO振幅对全球变暖响应不确定性的贡献。发现CESM-LE中集合平均的ENSO振幅在全球变暖下表现为增强的特征，这与该模式中热带太平洋厄尔尼诺型的海温平均态增暖有密切关系。同时由于内部变率的存在，ENSO振幅变化在集合成员间存在着很大的不确定性。这一不确定性与呈纬向偶极子型的热带太平洋海表面温度（seasurfacetemperature,SST）增暖的成员间EOF主模态高度相关，而后者类似于热带太平洋年代际变率（TropicalPacificDecadalVariability,TPDV）的第二模态。进一步与CMIP5多耦合模式的对比发现，CESM-LE中ENSO振幅变化的不确定性达到了CMIP5模式间不确定性的80%。对集合平均代表的全球变暖的信号进行显著性检验的结果表明，为了抑制内部变率产生的ENSO振幅变化的不确定性，需要大约15个集合成员的集合平均才能得到显著的辐射强迫的信号。　　其次，本文研究了内部变率对IOD振幅未来预估不确定性的贡献。我们同样发现IOD振幅对全球变暖的响应在CESM-LE成员间存在着很大的差异。与CMIP5的对比发现，偶极子模态指数（DipoleModeIndex,DMI）振幅变化的成员间不确定性大约占了CMIP5模式间不确定性的一半。然而，与ENSO不同，IOD振幅未来变化的成员间不确定性，与热带印度洋（tropicalIndianOcean,TIO）的平均态变化并没有显著的相关性。我们进一步对TIO海气反馈作用变化的分析表明，TIO海温平均态增暖的成员间差异呈现出“类偶极子”型的EOF主模态，而这一平均态变化有利于赤道东印度洋温跃层反馈作用增强，同时又有利于赤道西印度洋温跃层反馈作用的减弱，还有利于赤道中印度洋纬向风对TIO纬向SST梯度的反馈作用的减弱。这些海气反馈作用相互抵消，使得成员间“类偶极子”型的增暖差异与IOD振幅变化的关系并不显著。而进一步的研究发现，IOD振幅变化的成员间不确定性与ENSO振幅变化的不确定性有着显著的相关，这反映了CESM-LE中热带太平洋和热带印度洋紧密的海盆间联系。　　通过本文的研究，我们深入理解了内部变率对ENSO、IOD振幅未来预估不确定性的重要性。这些成果完善了全球变暖背景下海气耦合模态未来变化的认识，为进一步提高耦合模态的预估水平提供了理论依据。

关键词：厄尔尼诺-南方涛动内部变率海气耦合模态预估不确定性

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ENSO对IOD偏度的影响及模式模拟偏差的原因

ENSO对IOD偏度的影响及模式模拟偏差的原因

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作者：黄怡陶南京信息工程大学

学位级别：硕士

印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)发生时会对其区域乃至全球气候都有重要影响,尤其是在IOD强度非对称性(偏度)的影响下,IOD对气候的影响也存在非对称特征,极端正IOD事件往往会造成更为严重的灾害,因此加强对于IOD偏度的研究对于... 详细信息

印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)发生时会对其区域乃至全球气候都有重要影响,尤其是在IOD强度非对称性(偏度)的影响下,IOD对气候的影响也存在非对称特征,极端正IOD事件往往会造成更为严重的灾害,因此加强对于IOD偏度的研究对于防灾减灾具有重要的科学价值。当前对于IOD偏度的研究重点在印度洋局地海气反馈作用,而大量研究指出厄尔尼诺-南方涛动(El Ni(?)o-Southern Oscillation,ENSO)通过热带大气遥相关主导IOD的变率,因此有必要进一步加强ENSO对IOD偏度影响的研究。本文利用再分析和模式资料,通过对不同强度的ENSO事件所对应的IOD事件的分析,探讨了ENSO对IOD偏度的调制作用。并对模式中IOD偏度的模拟现状及其模拟偏差的原因进行了分析,得到的主要研究结果如下:(1)伴随着赤道中东太平洋明显的正海温偏度,秋季印度洋海表温度则存在西正东负的偏度,且主要表现为赤道东南印度洋的负海温偏度特征。研究结果进一步指明,IOD与ENSO之间呈现出较强的非线性关系,El Ni(?)o事件与IOD存在较强的正相关关系,且大部分强的正IOD事件对应着强El Ni(?)o事件;而La Ni(?)a事件与IOD并没有显著的关系。强El Ni(?)o位相下,IOD事件相关的海温与风场表现出很强的响应,强于La Ni(?)a事件产生的响应,表现为强的非对称性;相比较而言,弱El Ni(?)o事件与La Ni(?)a事件下引起的印度洋海温和风场的强度相当,并没有显著的非对称性。表明ENSO可通过激发非对称的大气遥相关对IOD强度非对称性产生调制作用,印度洋海表温度偏度很大程度上是由强El Ni(?)o事件导致的强正IOD事件所贡献。(2)在对IOD偏度模拟较好的模式中,ENSO与IOD存在着一定的非线性关系,在El Ni(?)o位相下相关性较高。与观测一致,强El Ni(?)o与La Ni(?)a事件下IOD表现出显著的非对称特征;弱El Ni(?)o与La Ni(?)a事件下IOD的强度表现出准对称特征。强El Ni(?)o事件通过调制IOD强度进而影响IOD偏度。较好模式由于ENSO偏度的模拟较好,因此对IOD偏度的模拟也更好。在对IOD偏度模拟较差的模式中,ENSO与IOD相关性较差,或表现为La Ni(?)a事件下两者相关性较高,偏度是由极端La Ni(?)a事件导致的极端负IOD事件所产生,由于无法模拟出强El Ni(?)o事件导致的强正IOD事件,导致IOD偏度模拟偏差。ENSO强度的模拟偏差也可以对模式模拟的印度洋气候态海温、纬向风以及温跃层深度的模拟出现偏差,使得较差的模式中,印度洋以及太平洋的海气条件更有利于La Ni(?)a及其所对应的负IOD事件的发生发展,故较差模式中IOD偏度模拟的偏差主要是由ENSO偏度模拟出现偏差所导致。

关键词：厄尔尼诺-南方涛动印度洋偶极子偏度大气非对称响应

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太平洋--大西洋海温不确定性对ENSO可预报性的影响

太平洋--大西洋海温不确定性对ENSO可预报性的影响

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作者：李文瑶中国科学院大学

学位级别：硕士

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是气候年际变率的最强信号，对全球天气和气候异常具有重要影响，开展ENSO预测研究对防灾减灾具有重要意义。本文采用条件非线性最优扰动(CNOP)的集合算法，用GFDL-CM2p1模式，探讨了太平洋-大西洋初始海温不确... 详细信息

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是气候年际变率的最强信号，对全球天气和气候异常具有重要影响，开展ENSO预测研究对防灾减灾具有重要意义。本文采用条件非线性最优扰动(CNOP)的集合算法，用GFDL-CM2p1模式，探讨了太平洋-大西洋初始海温不确定性对两类ElNi(n)o事件春季预报障碍(SPB)的影响，考察了容易导致SPB的初始误差的空间结构与演变特征。具体结论如下:　　(1)揭示了具有明显空间结构特征且能够导致对EP-El Ni(n)o事件SPB现象的四类初始误差。采用CNOP的集合算法，考察能够导致EP-El Ni(n)o事件显著SPB现象的初始误差，发现四类具有明显空间特征的初始误差能够导致较大的预报误差，且在春季夏初增长最快。EP-type1型海温误差在热带太平洋海表和次表层呈东暖西冷的偶极子结构，而在北太平洋上层则沿着西北-东南方向，呈异常暖-冷-暖-冷的链式结构，在南太平洋呈现与类-南太平洋经向模态(SPMM)相反的误差结构，以及在热带大西洋上层呈现暖海温异常，而热带外南、北大西洋均呈现冷海温异常的误差模态;EP-type2型海温误差在赤道太平洋上层呈现冷海温误差，而在副热带北太平洋上层沿着西北-东南方向呈异常冷-暖-冷的链式结构;EP-type3型海温误差在赤道太平洋上层也呈现冷海温误差，但在副热带北太平洋上层则表现为类-北太平洋经向模态(NPMM)的相反模态，在南太平洋呈现类-SPMM的误差结构;EP-type4型海温误差除了在热带太平洋表层呈现异常暖海温外，其他区域的海温误差结构与EP-type1类似。　　EP-type1型误差的演变首先经历了El Ni(n)o的衰减，然后发展成冷位相，且呈类CP-La Ni(n)a海温模态的误差结构，而EP-type4型误差虽然也经历了EP-ElNi(n)o事件衰减过程，但最后发展成了一次类EP-La Ni(n)a事件的海温误差模态。EP-type2与EP-type3型误差的演变类似，均呈现类EP-La Ni(n)a的演变行为。尽管这四类初始误差演变过程有差别，但均导致负的海温预报误差，从而造成EP-El Ni(n)o的强度被低估，甚至被预报成La Ni(n)a事件，尤其EP-type1型误差可能还会改变EP事件的空间结构。　　(2)揭示了具有明显空间结构特征且能够导致CP-ElNi(n)o事件SPB现象的四类初始误差。对CP-El Ni(n)o事件，用与EP-El Ni(n)o类似的初始误差计算方法，也揭示了四类发生显著SPB现象的太平洋-大西洋海温初始误差模态。CP-type1型海温误差在赤道中西太平洋上层呈现暖异常，而在西北太平洋上层沿着北-南方向呈冷-暖-冷的误差分布特征，在赤道大西洋表层则存在一个暖海温误差;该误差的演变类似于一次CP-El Ni(n)o事件衰减且发展成热带太平洋东暖西冷的误差模态的过程。CP-type2和EP-type1型误差空间结构基本相同，其演变过程也与EP-type1型海温误差基本一致，即呈现一次El Ni(n)o衰减，并发展成类CP-La Ni(n)a事件海温模态的过程。CP-type3型误差在赤道东太平洋上层为冷海温误差，而在副热带北太平洋上层呈东北-西南向的冷-暖偶极子型误差结构;该误差的演变是一次赤道东太平洋上层冷误差增强，最终发展为一次类EP-LaNi(n)a事件的误差发展模态。CP-type4型海温误差在赤道中西太平洋上层呈现暖异常，而在北太平洋上层呈东暖西冷的偶极子结构，在南太平洋呈现与类SPMM模态相反的误差结构，在赤道大西洋上层呈现异常冷误差;该误差的演变与CP-El Ni(n)o事件衰减发展为类EP-El Ni(n)o事件的过程类似。上述四类误差对CP-El Ni(n)o预报结果的影响不同，CP-type1和CP-type4误差均会导致CP-ElNi(n)o事件的高估现象，可能导致CP-El Ni(n)o被预报成EP-El Ni(n)o事件;而CP-type2和CP-type3误差则会导致CP-ElNi(n)o事件强度被低估，CP-type3误差可能还会导致CP-El Ni(n)o事件被预报成EP-La Ni(n)a事件。　　无论是EP-El Ni(n)o还是CP-El Ni(n)o，它们的四类初始误差均呈现明显的局地性分布特征，对确定El Ni(n)o预报的目标观测敏感区具有重要意义。

关键词：厄尔尼诺-南方涛动可预报性太平洋-大西洋海温初始误差

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1979-2019年登陆中国大陆热带气旋累积能量的研究

1979-2019年登陆中国大陆热带气旋累积能量的研究

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作者：付新淼中国气象科学研究院

学位级别：硕士

热带气旋累积能量(Accumulated cyclone energy,ACE)是表征热带气旋(Tropical cyclone,简称TC)在特定时间内总体活动强度的指标,也是TC季节预报中常用来表征TC能量特征的预报产品。目前在TC季节预报的研究中,国内外业务机构主要针对整... 详细信息

热带气旋累积能量(Accumulated cyclone energy,ACE)是表征热带气旋(Tropical cyclone,简称TC)在特定时间内总体活动强度的指标,也是TC季节预报中常用来表征TC能量特征的预报产品。目前在TC季节预报的研究中,国内外业务机构主要针对整个海域的ACE指数进行业务化预报,而TC造成的自然灾害往往与其登陆之后在陆地上的活动息息相关。中国是世界上受TC影响最为严重的国家之一,因此有必要开展登陆中国大陆陆上ACE指数预报的研究。本文使用中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)热带气旋最佳路径数据集资料对登陆中国大陆陆上ACE的时空分布特征进行了统计分析,更好的把握了TC在登陆中国大陆后的活动特征。分析发现,TC的频数和持续时间对陆上ACE的调控比较显著。另一方面基于再分析资料,通过海气环境条件寻找调控陆上ACE演变的主要气候模态,使用统计方法筛选了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和太平洋-北美型遥相关型(PNA)两个信号强的气候模态。从时间和空间两个维度对ENSO和PNA与登陆中国大陆陆上ACE之间的相关关系进行了分析,并结合大尺度环境条件解释其物理机制。基于ENSO和PNA这两个预测因子构建了登陆中国大陆陆上ACE的多元线性方程模型。以CMA-STI热带气旋最佳路径数据集为对照,对近四十年陆上ACE活动强弱程度的预报结果进行检验。结果显示,使用PNA指数、Ni(?)o-1+2指数、Ni(?)o-3指数、Ni(?)o-3.4指数和Ni(?)o-4指数构建的陆上ACE预报方程的趋势预报结果与计算观测值的一致性可达到83%。可见,使用ENSO和PNA这两个预测因子可以较好的实现对登陆中国大陆陆上ACE在TC季节内总体活动强度的趋势预报。

关键词：热带气旋累积气旋能量季节预报厄尔尼诺-南方涛动太平洋-北美遥相关型

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