现代气候学研究进展

现代气候学研究进展研究生讲座20020620世纪气候学理论研究的十项成就(王绍武）序号时间研究内容作者120~30年代三大涛动Walker230年代大气长波Rossby340~50年代平均环流Namias460年代Walker环流Bjerknes570年代温室效应Manabe680年代月平均环流预测Miyakoda780~90年代ENSO预测Cane,Zebiak880~90年代ENSO理论Suarez,Schopf990年代热盐环流Delworth1090年代季平均环流预测MingJi主要内容气候学的革命大气涛动短期气候预测年代际气候变率长期气候变化什么是气候

Climate(Normal)Climateiswhatyouexpect.Weatheriswhatyouget.conditionsoftheatmosphereataparticularlocationoveralongperiodoftime;itisthelong-termsummationoftheatmosphericelements(andtheirvariations)that,overshorttimeperiods,constituteweather.Theseelementsaresolarradiation,temperature,humidity,precipitation(type,frequency,andamount),atmosphericpressure,andwind(speedanddirection).Climate:A.TropicalrainyclimatesAf,Am:Tropicalrainforest;AwTropicalsavanna,B.DryclimatesBS:Steppe;BW:Desert;C.HumidmesothermalclimatesCw:Warmwithdrywinter,Cs:Warmwithdrysummer,Cf:Humidtemperate,D.HumidmicrothermalclimatesDf:Coldwithmoistwinter;DW:Coldwithdrywinter,E.PolarclimatesET:Tundra,EF:Perpetualfrost一、气候学的革命从气候到气候系统突破温、压、湿代表气候的狭窄观点承认气候变化30年平均的normal是有变化的决定气候的不仅是太阳辐射、海陆分布、大气环流，太阳是变化的，陆面是变化的，海冰是变化的，海洋热盐环流经典(古典,地理)气候学的终结: 静态的 孤立的 描述的 归纳的 观测的 局地的 线性的动态的开放的定量的演绎的实验的全球的非线性的气候系统观测StevensonScreensArgo:AGlobalArrayofProfilingFloats二、大气涛动气候不是局地现象局地气候大气活动中心大气涛动四大涛动(oscillation)NAONPOSOAAO涛动与对流层环流AO南半球的大气西风带JanuaryJulyNotetheseasonalchangesintheglobalatmosphericcirculationITCZmigrateswithSun,butlagsit...WorkofSirG.T.WalkerWalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932NormalizedproxyNAOindexbasedonwesternGreenlandiceaccumulationrates(shaded)andnormalizedinstrumentalNAOindex(thickline).Dataareannualmeansaveragedfromspringtospring.Lineartrendsandhigh-frequencypartsareremoved.Alsoshownisa15-yearrunningmedianoftheproxyindex(thinline).Appenzelleretal.,1998WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932南半球月平均SLP的EOF分析第一模态Gong&Wang,1999GFDLR15,800yr,hPaHall&Visbeck,2001模拟的南极涛动(Connolley,1997)

四个大气涛动对SLP的解释率四个大气涛动对全球SLP的解释率Seasonalchangesinupperair(500mblevel)atmosphericcirculationJanuarySeasonalchangesinupperair(500mblevel)atmosphericcirculationJulyEA东大西洋WANAO西大西洋PNANPO太平洋-北美WPNPO西太平洋EUP欧亚-太平洋PJ太平洋-日本波列EU序列(冬季,上下分别为不同方案重建结果)

Luterbacher(1999)南半球大气环流的遥相关500hPa高度场：1、经向偶极、纬向狭长型遥相关（MD/ZE型）热带、副热带，高纬度地区2、3（或4）波型遥相关（W3型）40~50S3、孤立异常型遥相关（IA型）高纬度地区（波列结构不太清楚，计算基点改变会出现不同的遥相关特征型）经向偶极、纬向狭长型遥相关3（或4）波型遥相关孤立异常型遥相关经向偶极、纬向狭长型遥相关三、短期气候预测月平均环流预测相关系数0.4季平均预测是研究方向ENSO预测有成绩也有问题可预报性：6~12个月EC逐日预报的预报时效逐日预报的可预报性上限为：2~3周，误差加倍的时间为2.5天如何逾越逐日预报的可预报性上限Charney(1960)：做时间平均预报。Mycaelan(1980)：不同波长运动的预报时效不同（苏）。他把对运动的影响分为两类：初始场影响，热流入量影响。Shukla(1986)：长期数值预报之所以可行主要有两个条件：（1）做平均环流预报，（2）下垫面异常有持续性（建立了完善的耦合模式后，该条件不再需要）集合预报：克服初始场误差（MCF，LAF）500hPaUKMO(b):(a)+bettermodel(c):(b)+betterini.condition500hPa月平均环流预测与实况距平相关（王绍武，1996）

表14.1500hPa月平均环流预测与实况距平相关（王绍武，1996）ENSO预测temperaturetemperaturetemperaturetemperatureanomaliesanomaliesMadeinMarch1998MadeinMarch19986-8monthleadforcastsofNino3.4or3SSTanomalyForecastNino3.4SSTanomalyECMWFExperimentalSeasonalForecastProjectFROM:/forecasts/for1.html2002.5.31表1.2近年来Nino3.4SST预测

作预测月

目标月SSTCCANCEPLDEOCDCLIHCM1995年11月

1996年6～8月0℃（0）

000/L00×

1996年11月

1997年6～8月2.2℃（E）

EEL/L+0×

1997年11月

1998年6～8月-1.0℃（L）

0++/+L0L1998年11月

1999年6～8月-0.8℃（-）

L-L/L-0-1999年11月

2000年6～8月-0.3℃（0）

+0L/0--L2000年11月

2001年6～8月0.2℃（0）

E+00-+2001年11月

2002年6～8月

E--0-+E≥1.0℃，+≥0.5℃，-≤-0.5℃，L≤-1.0℃

目前季度气候预测的业务预测水平（1）国外气温预测60%~65%，降水量预测55%~60%（2）中国汛期降水55%~60%（3）ENSO预测75%~90%，但持续性70%季度预测的可预报性（1）气候噪声F值1.0~1.5，上限相关系数0.6，准确率80%，气温高，降水低，上限80~85%（2）判断预报时效的标准（a）相关系数0.5，误差75%（b）误差为标准差的80%气候可预报性序号气候预测的时效（月）作者发表时间16~12VonNeumann195526~11Mapuyk197935~7王绍武198446~11丑纪范19885<12Monin1993气候可预报性<环流可预报性<ENSO可预报性6~12个月1年1.5~2.0年？（1）季度预测难度很大，目前水平不高（2）加强模式研究，这也是未来的主要发展方向（3）物理因子分析，揭示关键信号是当前提高预测水平的关键四、年代际气候变率北太平洋的变率北大西洋的变率热带大西洋的变率东亚夏季风的80年周期热盐环流THCOctober-to-MarchaveragedPDOindicesbaseduponNorthPacificSSTandSLPpatterns.PositivevaluesindicatewarmphasesofPDO,whilenegativevaluesindicatecoolphasesofPDO.

SeveralindependentstudiesfindevidenceforjusttwofullPDOcyclesinthepastcentury:"cool"PDOregimesprevailedfrom1890-1924andagainfrom1947-1976,while"warm"PDOregimesdominatedfrom1925-1946andfrom1977through(atleast)themid-1990's.ElNinoIndexQuinnetal.employedthefollowingsixcategories.(1525-)0neutralorcold1weakmoderate2moderate3moderate+4strong5strong+6verystrongTHC强度与ElNino频率（王绍武，2000）年代年数THCElNino年数占总年数比1870~18991900~19191920~19691970~199730205028强弱强弱467110.130.300.140.39AtlanticNorthAtlantic(THC-NAO)TropicalAtlantic:TAD海气耦合模式模拟的北大西洋温盐环流强度指数与SLP的相关分布(周天军等2000)NormalizedproxyNAOindexbasedonwesternGreenlandiceaccumulationrates(shaded)andnormalizedinstrumentalNAOindex(thickline).Dataareannualmeansaveragedfromspringtospring.Lineartrendsandhigh-frequencypartsareremoved.Alsoshownisa15-yearrunningmedianoftheproxyindex(thinline).Appenzelleretal.,1998北大西洋热盐环流(THC)与气候要素变化趋势比较(王绍武)第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段THCSSTSLPNAO1870~1899强1867~1903弱1900~1942弱1900~1929冷1900~1919高1904~1930强1943~1967强1930~1965暖1920~1969低1931~1972弱1968~1994弱1966~1968冷1970~1988高1973~1995强北大西洋SST与

hPa高度场的典型相关(Latifetal.,1996)中国降水的年代际变率五、长期气候变化不同时间尺度的气候变化千年温度变化的外强迫因子温室效应与气候变暖Thisfigureillustratesaclimateinstabilitythatoccurredduringawarmperiod~8200yearsBPasdetectedintheaccumulation(a)andtemperature(b)recordsintheGreenlandGISP2icecore(Alleyetal.,1997,Geology,inpress)and(C)intheoxygen18recordfromdeep-lakeostracodsinAmmersee,southernGermany(vonGrafensteinetal.,pers.Communication).CLIVAR,1997Compositeglobalsurfacetemperaturechangenearthetimeofthefivevolcanosproducingthegreatestopticaldepthssince1880:Krakatau(1883),SantaMaria(1902),Agung(1963),ElChichon(1982)andPinatubo(1991).

(Jonesetal.1999)Magnusonetal,2000,Science平流层低层温度(100-50hPa)(a:北半球，b:南半球，c:全球)(Angell1999)

Hulme2000Seasonality1937-1994,Yeetal,2001中国surfaceairtemperaturefrom10kaBPto0kaBPoverChina

annualmeansurfaceairtemperaturefrom800to1999overChinaannualmeansurfaceairtemperaturefrom1880to1999overChinaSeasonalprecipitationfrom1880to1999overChina(eastof105E)a:Spring,b:Summerc:Autumn,d:Wintere:total,respectedto1961-1990ProjectionConcentrationsofCarbonDioxide.Atmosphericcarbondioxideconcentrationinpartspermillion(ppm)asrecordedatfivesites(datafromBradleyandJones,1995).?Estimatedsea-levelrisefrom1910to1990.(a)Thethermalexpansion,glacierandicecap,GreenlandandAntarcticcontributionsresu