多模式和單模式集合季節氣候可預報性差異的成因研究

《多模式和單模式集合季節氣候可預報性差異的成因研究》是依託南京大學，由楊德劍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多模式和單模式集合季節氣候可預報性差異的成因研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊德劍
• 依託單位：南京大學

項目摘要

利用多模式而不是單一模式集合開展季節氣候預測是目前國際上的一個趨勢，然而，多模式集合可預報性為何以及在何種條件下優於單模式可預報性還缺乏理論根據。本項目擬主要採用動力模式回報技巧評估分析、理想隨機模型可預報性理論分析以及蒙托卡羅模擬相結合的方法研究多模式和單模式集合季節氣候可預報性的差異及其成因。1)利用最新耦合模式歷史回報輸出資料,多角度比較多、單模式集合季節氣候可預報性的差異;2)構建簡單合理的隨機模型,並在此基礎上通過理論分析和蒙托卡羅模擬研究由等同性能單模式集合構成的多模式集合的優勢成因;3)構建簡單合理的隨機模型,並在此基礎上研究性能有較大差異的單模式集合構成的多模式集合具有優勢的條件和原因。項目旨在從理論角度揭示隱藏在多、單模式集合季節氣候可預報性存在差異這一現象背後的本質原因，進而為最優利用多模式集合開展季節氣候預測提供科學基礎和判據。

結題摘要

目前國際上業務季節預測方法的一個重大發展趨勢就是使用多模式集合代替原先的單一模式集合來開展動力預測。然而，無論是對於確定性預報還是機率預報，多模式集合可預報性為何以及在何種條件下優於單模式可預報性還缺乏理論根據。本項目通過評估業務多模式集合歷史預報技巧、理想框架理論分析和蒙托卡羅模擬研究了多模式和單模式集合季節氣候可預報性的差異及其成因。主要研究內容包括：評估業務多模式集合及其成員單模式集合對季節性氣候異常的預測技巧及差異；理論研究季節氣候預測中確定性技巧和機率性技巧的關係；理論分析由等同性能單模式集合構成的多模式集合的優勢成因；理論分析由性能有較大差異的單模式集合構成的多模式集合具有優勢的條件和原因。 業務多模式集合技巧評估結果表明，多模式集合的機率性預報技巧總是顯著優於每個單模式，而多模式集合的確定性預報技巧並不顯著優於每個單模式，甚至可以劣於某些單模式。機率性預報技巧由可靠性和分辨能力兩個屬性所決定，前者反映預報機率和相應觀測機率之間的一致程度，後者反映觀測機率和氣候機率的偏離程度。多模式集合在機率性技巧上的優勢主要由其在可靠性上的優勢所決定，其在分辨能力上並無顯著優勢，這一點和確定性技巧類似。分辨能力與確定性技巧之間似乎有準一一對應的關係，進一步的分析表明，這一關係在理論層面上也是存在的，也能被蒙托卡羅方法所模擬，它意味著多模式集合在確定性及分辨能力技巧方面的優勢成因是一致的。基於信號-噪聲分解簡單統計框架的理論分析表明，當單模式性能差不多時，組成的多模式通過模式誤差相互抵消提高確定性及分辨能力技巧，通過克服單模式信號和噪聲“過於自信”缺陷提高可靠性技巧；當單模式性能有較大差異時，多模式的優勢不易形成，但模式誤差相互抵消和克服“過於自信”兩種機制依然存在，在單模式性能差異不是太大時，這兩種機制能克服性能差異的不利影響，使得多模式仍具有優勢。由於可靠性涉及模式信號和噪聲兩個因子的改進，而確定性及分辨能力技巧只與信號的改進有關，所以多模式集合在前者上的優勢往往會比後者要顯著。本項目的研究結果對在業務中組建多模式集合開展季節氣候預測有重要的指示意義。