次季节——季节预测（S2S）和极端事件预测外文翻译资料

 2022-11-12 19:35:13

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

次季节——季节预测（S2S）和极端事件预测

Freacute;deacute;ric Vitart and Andrew W. Robertson

次季节——季节性预测（S2S）是一个为期5年的项目，由世界天气研究计划（WWRP）和世界气候研究计划（WCRP）于2013年建立。这篇论文描述了在极端事件预测范围扩展背景下的S2S项目。我们可以提供证据证明S2S可以提前几周预测一些大规模极端事件的开始演变和衰退。例如，S2S模型提前3周预测了俄罗斯上空2米极端温度异常的可能性很高，也就是在2010年俄罗斯热浪最严重的一周。在其他情况下，比如热带气旋预测，S2S模型通过对大尺度预报因子f的预测可以出示关于热带气旋在足够大的区域内发生热带风暴的概率的有用信息，例如Madden-Julian振荡（MJO）。未来，通过预先提供几周内极端事件的预警S2S对极端事件的预测可以整合到季节性和中期预测之间的“准备开始”框架中。最后，S2S预测也可以用来调查一些极端事件的因果关系，我们可以证明2013年3月西欧和北亚的寒冷天气与在西太平洋传播的MJO事件有关。

1、引言

人们对极端天气和气候事件越来越感兴趣，这既是为了发展预警系统以改善社会做准备，也是为了更好地了解气候变化的影响。极端天气和气候事件对人们的健康和幸福构成严重威胁。例如，在2011年至2013年期间，美国经历了32起天气事件，每起事件造成了至少10亿美元的损失，2012年的损失总额超过1100亿美元（NOAA）。根据世界最大的再保险公司慕尼黑再保险公司统计，2010年，90%以上的灾害和65%的相关经济损失都与天气和气候有关（即大风、洪水、大雪、热浪、干旱和野火），尽管那一年死于地质灾害的人数要多得多（几乎完全是海地地震造成的）。2010年，全球共有874起天气和气候相关灾害，导致68000人死亡，990亿美元损失。这些极端天气事件还会破坏关键基础设施，如道路、铁路或电力和远程通信网络。例如，在2015年底英国最近一次洪灾中，约有20000所房屋断电。因此，预测极端天气是天气预报的主要挑战之一，也是国家服务的主要职责之一，以便当局和公众能够采取适当的缓解行动和制定应急计划。

次季节——季节预测（这里时间范围定义为2周到2个月）缩小了更成熟天气预报和季节性气候预报之间的差距。尽管可以从这种预测中获得相当大的社会经济价值，但它比中期和季节性预报受到的关注要少得多。这个时间范围对于减灾工作至关重要，因为它们可能需要几周的时间来实施。这被认为是一个困难的时间范围，因为超前时间太长，所以失去了大气初始条件的大部分记忆，而且对于海洋的可变性来说，时间太短，无法产生强烈的影响。然而，最近的研究表明，这一时间范围的可预测性有着重要的潜在来源，如MJO、ENSO的演变、土壤湿度、积雪和海冰、平流层和对流层的相互作用、海洋条件、热带及热带外的遥相关。次季节——季节预测项目（S2S）工程和数据库将在S2S工程和数据库部分进行简要描述。极端天气类型和气候预测部分将讨论我们在这个时间范围内可以预期的极端事件预测类型。热带气旋分季节预测部分将展示热带气旋分季节预测的例子，2010年俄罗斯热浪预测部分将讨论2010年俄罗斯热浪的分季节预测。最后，极端事件的归因部分将讨论对某些极端事件的归因可能使用的次季节预测。

2、S2S项目和数据库

为了缩小中期天气预报和季节性预报之间的差距，2013年，世界天气研究计划（WWRP）和世界气候研究计划（WCRP）联合发起了一项名为S2S项目的五年研究倡议。其目标是提高预报水平和对亚季节——季节可预测性来源的理解，并促进运营中心和应用程序的开发（www.s2sprediction.net）。这项研究围绕着六个主题（MaddenJulian振荡（MJO）、季风、非洲、极端、遥相关和验证），每个主题可分为交叉研究、建模问题、应用和用户需求。为了解决这些问题，S2S项目创建了一个广泛的数据库（S2S数据库），其中包含来自11个运行的研究中心的次季节（最长60天）预测和重新预测（有时称为后预测）。它部分建模于TIGGE中期预测数据库（最多15天）和气候系统历史预测项目（CHFP）来进行季节性预测，该数据库被欧洲中期天气预报中心、中国气象局和国际气候与社会研究所存档，为极端天气的预测提供了重要的数据资源。

3、极端天气类型和气候预测的类型

历史上，极端事件的数值预报始于20世纪60年代，当时出现了计算机和实用的数值天气预报。它最初只是一个短期确定性预测问题，目标是提前几分钟到几天预测特定的极端天气事件。另一方面，随着20世纪90年代动力季节预报的出现，极端事件的概率预报，如海洋盆地尺度的热带风暴频率，在21世纪初得到发展，极端天气成为气候变化预测的一个越来越重要的研究课题。就气候预测而言，主要目标是确定季节到年际气候变化或气候变化将对极端天气事件数据产生多大影响（频率、强度、持续时间）（例如，Knutson et al.全球变暖对热带气旋活动的影响）。因此，极端天气事件的短期/中期和极端天气事件的气候预测回答了不同的问题，前者是特定天气现象的（主要是大气）初始值问题，例如热带或温带气旋，而后者主要是个别极端事件的时空数据的大气边界条件问题，例如海面温度或温室气体浓度。后者本质上是概率性的，而对概率性天气预报的处理是最近才出现的。介于两者之间的次季节——季节预测是两者的结合，既是一个初始值问题，也是一个边界条件问题。根据特定极端天气事件的性质和可预测性，次季节——季节的预测系统可以提前天气预报更长时间来预测特定的极端天气事件，与气候学相比，它可以预测未来几周或几个月极端事件统计数据的变化。小规模、短期极端天气事件，如龙卷风，其可预测性约为几分钟，不能提前几周单独预测，但根据它们与大规模大气环流的关系，有可能预测出大面积和时间窗内龙卷风活动概率的变化。也有可能在大规模、长期极端天气事件（如热浪或干旱）发生前几周预测其成因、持续时间和衰退。因此，根据极端天气/气候事件的性质，S2S预测可能看起来更像初始值问题，例如特定大规模长期事件的中短期预测，或者更像事件统计的边界条件问题，例如季节性预测或气候变化预测。

4、热带气旋的亚季节预报

热带风暴路径和强度的短中期预报已经有几十年历史了。这些预报预测了初始条件下已经存在的热带气旋的轨迹，最近还可以预测几天后形成的热带风暴（例如，Kurihara et al.，11）。最近，热带风暴的季节性预测逐渐发展（例如，Vitart and Stockdale.），例如预测季节内某一特定海盆上的热带气旋是否会比正常情况更加活跃。这些季节性预测是有道理的，因为热带气旋的形成对其大尺度环境非常敏感，尤其是对流层上部和下部之间的垂直风切变、中层湿度、低层涡度。因此，影响这些环境参数的厄尔尼诺南方涛动（ENSO）和当地海面温度（SSTs）在调节某些海洋盆地热带气旋活动中发挥了重要作用。

时间范围介于中期预报和季节性预报之间的S2S，在热带气旋预测上包含两个方面。在某些情况下，如果能够提前几天预测成因（例如，2010年北印度洋上的热带气旋Nargis），再加上一些热带风暴可能持续3周以上，就有可能对特定的热带风暴进行大范围预测。然而，尽管过去几十年中短期和中期热带风暴路径预报有了显著的改进，但提前超过两周的成功热带风暴轨道预报仍然非常罕见。在S2S时间尺度上，同季节性预报相同，大部分热带风暴的可预测性可能是由影响热带气旋活动的大尺度环流变化提供。ENSO和印度洋偶极子（IOD）可以作为某些海洋盆地热带气旋的可预测性来源，也可以作为季节预报的可预测性来源，实际上也被用作统计次季节预报模型的预测器。然而，次季节时间尺度热带风暴活动可预测性的主要来源通常是MJO（例如，Nakazawa），特别是在南半球，热带气旋季节与最强的MJO活动（北方冬季和春季）重合，主要是因为它对低水平绝对涡度和垂直风切变的影响。在一些地方（例如，Maloney and Hartmann），在MJO的不同相位热带气旋数量的分布高达4：1。季节内时间尺度的其他可预测性来源包括赤道罗斯贝波、混合罗斯贝重力（MRG）波、东风波、温带波和赤道开尔文波。

因此，为了熟练地预报热带气旋的次季节变化，S2S模型必须能够预测这些次季节可预测性的各种来源，尤其是MJO。在S2S数据库中预报MJO的次季节预报使用Wheeler和Hendon MJO指数。该指数将模型预测投影到850hPa、200hPa纬向风和输出长波辐射（OLR）的前两个EOF上，这两个模态由NCEP/NCAR再分析风和OLR卫星观测计算的。然后计算来自模型预测和ERA-Interim资料的两个主成分时间序列的相关性。图1显示了S2S数据库1999-2010年预测期中的模型预测MJO的能力，在此以相关性达到0.5或0.6的预测日来衡量。该图显示，S2S模型在预测MJO方面表现出一定能力，平均可预测3周左右的MJO，ECMWF模型可以预测4周以上的MJO。需要模型实验来确定预测系统的哪些特定方面（初始化、集合生成、模型物理、模型分辨率）可以解释这种情况。然而，ECMWF模型物理的具体变化，特别是对流参数化，在过去十年中帮助MJO预测能力提高了2周。

图1 MJO预测能力。1999-2010年S2S数据库中的10个重新预测模型MJO相关性系数达到0.5（黄色条）或0.6（橙色条）的预测提前时间（天）。黑色竖线表示使用10000自助重采样相关性为0.6时的10%置信水平。

预测MJO技能运用是热带气旋次季节预测的重要一步，但是通过动力学模型模拟MJO对热带气旋的影响也很重要。为了评估S2S模式是否能重现MJO对热带气旋活动的这种调节，在每个模式集合预报中都对模式模拟的热带气旋进行了跟踪。由于S2S数据库输出网格分辨率是为1.5度，模拟出的热带气旋往往比观测到的要弱。每种模式的10米最大风速阈值已经调整，以使模拟热带气旋的总气候学密度与观测值相匹配。需要更长时间的模型整合来评估模拟热带气旋的其他特征的真实性（例如热带气旋的年际变化）。这种跟踪方法已经被应用到八个S2S模型再预报中，这八个模型被选择是因为它们的再预报频率和总体规模较大，且具有预测MJO演化的技能：ECMWF、NCEP、JMA、BoM、UKMO、CMA、ECCC和CNRM。目前正在将这项研究扩展到其他S2S模型。每个模型都计算了热带气旋路径的密度（通过500公里以内的热带气旋数量，用热带风暴总数归一化）。

当模型中第2或3阶段（6或7）有MJO时，所有八个S2S模型显示印度洋上的热带气旋活动更多（更少），南太平洋和海洋大陆附近的热带气旋活动更少（更多）（图2），这与观测研究和以前的模型研究一致。这一结果表明，即使模型分辨率非常粗糙（BoM的分辨率约为200km），模型也能够很好地再现MJO对南半球热带气旋的影响。因此，即使图2中考虑的动力学模型不能提前3至4周预测出给定风暴在精确位置的发生，它们也可能在预测大范围和足够长时间内热带气旋活动的增加或减少方面有一定的作用。例如，ECMWF对热带气旋活动的次季节预报是在平均周期每周和每个海洋盆地上编制的。对这些预报的验证需要一些技术，在大部分盆地上至少需要两周，在南印度洋上需要三周。

上述结果表明，从更成熟的单个热带风暴中期天气预报扩展，利用热带气旋密度或登陆的概率进行预报，有可能将热带气旋预报扩展到更长的提前期。在人道主义援助和备灾方面，红十字气候中心IRI提出了一个“准备开始（ready-set-go）”预警概念，以便根据季节性天气预报采取行动，其中季节预报用于开始监测次季节和短期预报，更新应急计划，培训志愿者，并启用预警系统（“set”）；天气预报将用于提醒志愿者，警告社区（“Set”）；然后，天气预报被用来激活志愿者，向社区发布指令，并在需要时疏散（“Go”）。这种无缝的预测行动模式可以应用于热带气旋预测。图3显示了预测热带气旋Yasi的现成范例，Yasi于2011年2月3日在澳大利亚昆士兰州北部登陆，是严重的5级气旋对受灾地区造成重大损害。这场风暴估计造成了35亿澳元（36亿美元）的损失，使它成为有记录以来袭击澳大利亚的最昂贵的热带气旋。图3表明，次季节预报可以提供有用信息以配合季节预报对热带气旋活动的无缝预报。在季节时间尺度上（ready），该模型早在11月1日就预测，澳大利亚盆地的12月-3月热带气旋季节可能会比正常季节更加活跃，并且这个信号在10%置信水平内具有统计学意义。这一季节性预测与2010-2011年南夏盛行的拉尼娜条件相一致（澳大利亚盆地的热带气旋活动较多，南太平洋的热带气旋较少）。在次季节时间尺度上，1月13日发布的1月26日至2月4日期间的预报预测昆士兰地区热带气旋登陆的几率为20%-30%，这远远高于气候概率，增加了登陆预报的地理和时间特异性，增加了其可信度。在中期时间尺度上，1月27日发布的5-12天预报中登陆的概率达到90%，这将引发一些行动，如激活志愿者、向社区分发指令以及必要时撤离。在全球气候服务框架（GFCS）内这种无缝预测是次季节预测对气候服务发展的贡献。

5、2010年俄罗斯热浪的预测

持续一周至几个月的热浪属于极端气候事件，在这种情况下，次季节预报可能会提前几周用于预测其开始、演变和衰退。本节将讨论特定热浪事件的可预测性：2010年俄罗斯热浪。这是过去30年以来最强烈的热浪。据估计，它造成了55000人死亡，引发了野火，是俄罗斯近40年来最严重的干旱，造成至少数百万公顷的农作物损失。

持续几个月的热浪（2010年5月至8月）在2010年8月1-7日这一周尤为猛烈，俄罗斯每周2米的温度异常达到 5°C的创纪录值（超过了2003年法国的热浪）。来自S2S数据库的再预测被评估为对这一特定事件的扩展范围预测最先进预测能力。从1999年到2009年我们在模式气候学中计算了2米的温度异常，并计算了在该事件发生区域20°E-50°E、45°N-70°N的平均温度。

图2热带气旋密度异常。1999年10月至2010年3月期间，当第2或3阶段（左）、第4或5阶段（中左）、第6或7阶段（中右）和第8或1阶段（右）出现

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18746]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章