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实时海温对动力延伸（月）预报影响的数值试验研究
NUMERICAL EXPERIMENTON EFFECTS OF REAL SEA SURFACE TEMPERATURE ON DYNAMIC EXTENDED (MONTHLY)FORECASTING
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摘要: 对1992年7月10日、19日和1997年7月1日3个个例，进行了实时海温和气候海温的对比数值试验，研究实时海温对月尺度数值预报的影响。个例试验结果表明，实时海温对10天以下的数值预报影响较小，但对月时间尺度的数值预报的影响则十分明显，实时海温对大气的强迫作用同模式大气的初值和预报模式包含的物理过程以及海温异常的强度有关。Abstract: The comparative numerical experiments with real and climatic sea surface temperature (SST) for three cases are performed, by using the global spectral model. These cases are on July 10, July 19, 1992 and July 1, 1997, respectively. The effects of real SSTs on the monthly dynamic extended forecast are investigated by the different circulation changes in the general circulation model generated with real and climatic SSTs. The results of numerical experiments show that the effect of real SST on predictions less than 10 days is not obvious, but the impact on monthly forecasts is obvious. The forcing effect of real SST on the monthly forecasts is complex and may be related to the initial conditions of numerical integration, the various physical processes included in the forecast model, and the strength of SST anomalies.
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引言
实时海温对数值预报的影响逐渐为人们所认识。Fennessy and Shukla [1] 的研究指出,实时海温对热带地区预报有重要影响。King tse 等[2] 进一步研究了实时海温对中高纬度纬向风(u)和流函数的影响,指出只对中高纬度的PNA 区域(30°~70°N,160°~40°W)和 PSN 区域(30°~70°S,160°~40°W)的影响明显,对其它地区的影响不明显。目前直接讨论实时海温对高度场影响的文章还不多见。本文通过以实时海温和气候海温作为下边界的对比试验,研究实时海温对降水、温度和高度场预报的影响,并探讨海温的强迫影响同模式大气初值、模式包含的物理过程及海温异常本身强度的关系,为进一步研究海温对南海夏季风活动的影响提供模式基础。
1. 数值模式及试验方案
本文使用的是中国科学院大气物理研究所在欧洲中心谱模式基础上发展而成的 T42L9 全球谱模式[3, 4]。该模式包含有地形、辐射、降水、积云对流、蒸发、凝结等较全面的物理过程。我们设计了表 1 中所列出的5 种试验方案,通过不同方案的数值试验,探讨实时海温对月尺度数值预报的影响。本文所作的各种试验都是将下垫面的温度作为下边界条件,其中若下垫面为海面则海面温度作为固定的下边界条件输入模式中,也就是说,当海温初值给定后,在数值积分过程中保持不变,而陆面上的温度则按地面温度预报方程随积分时间而变。方案1 和方案3 的海温初值为多年7 月平均海温(无海温距平,称它为气候海温),方案2 和方案4 的海温初值是1992 年或1997 年的7 月平均海温(有海温距平,称它为实时海温),方案5 的海温初值是将1997 年7 月海温距平放大1.5 倍后的海温,方案1 和方案2 以及方案5 有地形作用,方案3 和方案4 不包含地形作用。
我们以1997 年7 月1 日和1992 年7 月10 日以及19 日12 :00(世界时,下同)的气象场(u、v、z、q)为初值,对预报方程进行时间积分,不同试验方案都分别积分了30 d。 1992 年7 月和1997 年7 月平均全球海温资料和大气初始资料来自中国科学院大气物理研究所资料中心,全球多年7 月平均海温资料来自欧洲中期天气预报中心。
表 1 试验方案
2. 海温距平特征
我们选取了1992 年7 月和1997 年7 月的实时海温作为下边界条件进行预报试验,图 1 分别给出了1992 年和1997 年7 月平均海温距平分布。1991-1992 年出现了一次 El Niñno 过程,这次过程开始于1991 年5 月,11 月进入盛期,到1992 年6 月开始减弱。由图 1a 看出,1992 年7 月全球海温距平(1992 年7 月平均海温与多年7 月平均海温之差) 的特点是北太平洋(27°N 以北)为负距平,中心值接近-3 ℃,位于(37°N,180°)附近,赤道东太平洋有很弱的正距平,西太平洋为负距平,黄海地区有负中心,印度洋为正距平,阿拉伯海和孟加拉湾地区有正中心。45°N 附近的北大西洋为负距平,负中心位于(45°N,51°W),中心值超过-3 ℃。29°S-24°N 的大西洋地区大部分为正距平,52°S 附近的南大西洋为负距平。
由图 1b 看出,1997 年是很典型的El Niñno 年,7 月在赤道东太平洋具有很强的正距平,距平最大中心位于(7°S,87°W)附近,最大正距平达5 ℃,比1992 年7 月的海温距平强。
3. 数值试验结果
对1997 年7 月1 日个例进行了方案1、方案2 和方案5 三种方案试验,对1992 年7 月19 日个例我们只进行了方案1 和2 两种方案试验,而对1992 年7 月10 日个例进行了四种方案试验。对于1992 年7 月19 日个例我们分析了实时海温对降水量、温度场和高度场的影响,对于1997 年7 月1 日和1992 年7 月10 日个例只讨论了对高度场的影响。
3.1 对降水量的影响
图 2 给出了全球平均(有降水的格点参加平均)的24 h 降水量改变率((R2-R1)/R1),R2 和R1 分别为方案2 和方案1 的24 h 降水量。图 2 给出的是1992 年7 月19 日个例的结果,由图看出,海温距平(方案2)对前8 d 预报的影响不大,8 d 后海温距平的影响开始表现出来,到积分21 d,海温的影响达到最大,24 h 降水量的改变率达40 %。
3.2 对温度场的影响
图 3给出了由1992 年7 月19 日个例得到的全球模式整层平均温度的改变量(方案2-方案1)。由图 3 看出,海温距平(方案2)对前10 d 预报的影响不大,积分10 d 后,海温的影响开始表现出来,到积分23-24 d,海温的影响达到最大,温度的改变量达0.36 ℃。
对比图 2 和图 3,似乎可以看出,降水的变化先于温度的变化,例如降水开始响应的时间大约是8 d,而温度开始响应的时间大约是10 d,降水量的最大改变率出现在积分第 21 d,而温度场推迟了两天,最大改变量出现在积分23-24 d。这似乎可以推论由降水引起的潜热变化对温度的变化起着重要作用。
3.3 对高度场的影响
3.3.1 同模式物理过程的关系
为了进一步考虑实时海温对大气的强迫影响是否同地形作用有明显的关系,我们进一步以1992 年7 月10 日为个例进行了表 1 中列出的前四种方案的试验。图 4 给出了1 ~N 天平均的北半球高度场距平相关系数的变化。由图 4 看出,在包含有地形作用的情况下,1992 年7 月实时海温对7 月10 日个例的月预报有明显的影响,对500 hPa 和700 hPa 的月平均(1-30 d)距平相关系数分别提高了0.294 和0.291。由图 4 还可看出,对于不同方案,1-10 d 平均的高度场距平相关系数的差异很小,这说明在积分前10 d,实时海温对高度场预报的影响很小,积分10 d 后实时海温的影响才开始表现出来。
图 5给出了方案4(实线)和方案3(虚线)的对比试验结果,方案4 和方案3 均没有考虑地形作用。由图 5 看出,对于7 月10 日个例,在无地形作用的情况下,海温距平的影响只表现在对流层低层(见图 5b),而对于对流层中层500 hPa 的影响甚小(见图 5a),700 hPa 高度场的月平均距平相关系数提高了0.09。由图 5b 还可看出,实时海温对积分前 15 d 的预报几乎没有影响。将图 4 和图 5 相对比可看出,相同的海温距平,对于同样的大气初始场,在不同的物理过程下(有地形作用和无地形作用相比较),相同的海温距平对大气的强迫影响是不同的。这说明实时海温对大气的强迫作用同模式包含的物理过程有关。
3.3.2 同模式大气初值的关系
1992 年7 月19 日个例试验结果也表明,在有地形作用时,实时海温(方案2)对高度场月尺度预报有明显改进,对北半球500 hPa 月平均高度场距平相关系数提高了0.1043,而对前10 d 高度场距平相关系数几乎没有影响(图略)。将7 月10 日和19 日的试验结果相比较可看出,在同样的物理过程作用下,相同的海温距平对不同大气初值的强迫作用有所不同。这说明实时海温对大气的强迫作用,不仅决定于海温异常本身的强度,还依赖于大气的初值状况,同模式大气初值的关系很密切。
3.3.3 同海温异常强度的关系
前面几节(图 2-5)讨论了1992 年7 月海温距平(图 1a)对大气的强迫影响,在这一节我们讨论1997 年7 月海温距平(图 1b)对大气的影响。以 1997 年7 月1 日12 :00 的气象场(u、 v、z、q)为初值,以1997 年7 月平均的实时海温作为下边界,对预报方程进行了30 d 的时间积分,并且为了探讨不同强度的海温异常对相同大气初值强迫影响的差异,我们还进一步将1997 年7 月的实际海温距平放大1.5 倍后的海温作为下边界进行了对比试验(方案5)。图 6 给出了1-N 天平均的全球500 hPa 高度场距平相关系数的变化,图中实线表示1997 年7 月实时海温(方案2),长虚线表示多年平均的7 月气候海温(方案1),点线表示对1997 年7 月的海温距平放大1.5 倍后的海温(方案5)。比较图 6 中的3 根线可看出,1997 年7 月的实时海温对月预报有改进,进一步将1997 年 7 月实际海温距平放大1.5 倍后海温的强迫作用明显加强,对月预报的改进更明显(图中点线所示的改进比实线明显)。这说明对相同的大气初值,在相同的物理过程作用下,海温对大气的强迫作用同海温异常本身的强度有关。
4. 结语
本文个例试验结果表明,1992 年7 月的海温距平不仅对降水量和温度场的月尺度预报有明显的影响,而且对高度场的月平均预报有明显改进。对于7 月19 日个例,积分第 21 d 方案2(实时海温)对全球范围平均(有降水的格点参加平均)的24 h 降水量的改变量达40 %,积分第23 d 方案2 对全球整层平均温度提高了0.36 ℃,对北半球500 hPa 月平均高度场距平相关系数提高了0.1043。对于7 月10 日个例,方案2(实时海温)对北半球 500 hPa 和700 hPa 月平均高度场的距平相关系数分别提高了0.294 和0.291。以上数字是十分可观的,显示了实时海温影响的重要性,在作月尺度预报时应该考虑实时海温的影响。
1992 年7 月10 日的个例试验表明,对于同样的海温距平,当预报模式包含地形作用时海温对北半球高度场预报的影响比不包含地形作用时明显。在不包含地形作用时实时海温的影响限于对流层低层,有地形作用时可影响到对流层中层500 hPa,这可能是地形作用产生的重力波向上传播的结果,这是一个需要进一步研究的问题。
虽然本文只给出了3 个有影响的个例,例子较少,但从实时海温是否能有效提高月预报水平的角度来看,这几个例子在一定程度上也可以说明问题。本文的试验结果表明,实时海温对月尺度数值预报的影响是一个十分复杂的问题,海温异常的影响同大气的初值情况和预报模式包含的物理过程有关,还同海温异常本身的强度有关,大气对海温异常强迫开始响应的时间大约是积分第10 天。
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Fennessy M J, Shukla. Comparison of the impact of the 1982/1983 and 1986/1987 Pacific SST anomalies of time mean predictions of atmospheric circulation. J. Climate, 1991,4: 407-423.
Kingtse, et al. Tropical and extratropical interaction and its impact on extended-range forecasting, Part I: The impact of sea surface temperature anomalies. Mon Wea. Rev., 1994, 122: 274-290.
纪立人, 陈嘉滨, 张道民, 等. 一个包含非绝热物理过程的全球谱模式及其初步结果. "中期数值天气预报研究"成果汇编. 北京:气象出版社,1990. 27-40. Zhang Daomin, Li Jinlong, Ji Liren, et al. A global spectral model and test of its performance. Advances in Atmospheric Sciences, 1995,12(1): 67-78. DOI: 10.1007/BF02661288
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