Long-Lead Predictability of Western North Pacific Subtropical High
JGRA 20220306 港科大陸夢(mèng)茜課題組
西北太平洋副高的長期可預(yù)測性
研究背景和目的
? ? 2020年超強(qiáng)梅雨季對(duì)中國經(jīng)濟(jì)和人員都造成了極大的損失，這表示對(duì)EA夏季降水長期預(yù)報(bào)的研究是非常重要的。之前的研究人員通過探尋ENSO和IOD與東亞夏季降水的關(guān)系得到了一系列進(jìn)展，但仍然無法準(zhǔn)確的預(yù)測到2020年東亞的超強(qiáng)降水，甚至動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)模式也不能取得更好的效果，急需尋找到更好的預(yù)測因子。
? ? 西北太平洋副熱帶高壓(WNPSH)與東亞天氣氣候關(guān)系密切，梅雨雨帶和WNPSH脊線在夏季更是存在六次的同時(shí)北跳，如果可以提前預(yù)測WNPSH在夏季的變化，勢必可以提升對(duì)東亞降水的預(yù)測。此外，ENSO還可以作為東亞天氣氣候和遙遠(yuǎn)的外部強(qiáng)迫連接的橋梁，也就是說，WNPSH的長期超前預(yù)報(bào)是EA夏季降水長期超前預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。
數(shù)據(jù)和方法
物理變量
1979-2020 每小時(shí)?1°*1°和月平均 2.5°*2.5° ERA-5再分析數(shù)據(jù)，包括海平面氣壓，10m/200hPa風(fēng)場，200hPa位勢高度，850hPa風(fēng)場和位勢高度，對(duì)流層溫度（200-850hPa），OLR。
20℃等溫線高度來自于GODAS
SSTA->ERSST V5
所有的每日異常數(shù)據(jù)都以5天滑動(dòng)平均的偏離值計(jì)算，SSTA為近30年平均算得。
氣候指數(shù)
月平均WNPSH指數(shù)：15-25°n，115-150°e區(qū)域平均850hPa位勢高度
DJF nino3.4/4指數(shù)：12-2月nino3.4/4區(qū)域3個(gè)月平均SSTA
SON IOD指數(shù)：9-11月西印度洋（10°S-10°N，50-70°E）區(qū)域平均SSTA減去東印度洋（0-10°S，90-110°E）區(qū)域平均SSTA。
3-5月印度洋海盆一直變暖指數(shù)（MAM IOBW）：熱帶印度洋（20°S-20°N， 40-110°E）區(qū)域平均SSTA。趨勢定義為有兩個(gè)月間隔的變量場的差值。
預(yù)測指標(biāo)選擇方法
使用超前滯后相關(guān)圖在選定區(qū)域（20°S-60°N，40°E-80°W，超前5-17個(gè)月）建立WNPSH指數(shù)與所選物理量的關(guān)系，考慮每個(gè)物理量的趨勢和原數(shù)據(jù)。趨勢定義為有兩個(gè)月間隔的變量場的差值。
潛在預(yù)測因子相關(guān)性的顯著性水平為99.9%，且要超過64個(gè)網(wǎng)格（2.5*2.5）。
確定潛在預(yù)測因子后使用逐步回歸法選擇預(yù)測因子的最佳組合，注意不會(huì)同時(shí)選擇大于0.8的預(yù)測因子來避免共線性，且最多考慮四個(gè)預(yù)測因子模型來避免過擬合。
常用氣候指標(biāo)人工納入潛在預(yù)測因子庫。
不完全拘泥于黑點(diǎn)區(qū)域，選擇稍大的區(qū)域使其之后更方便應(yīng)用。
leave 1-year out進(jìn)行交叉驗(yàn)證評(píng)估模型表現(xiàn)。
論證過程
通過逐步回歸得到了三個(gè)最優(yōu)預(yù)測因子和線性預(yù)測模型，預(yù)測因子分別為1. 赤道中太平洋在前一年11月和9月的SSTA差（180-120°W，5°S-10°N）；2. 熱帶印度洋在前一年10月和8月的緯向風(fēng)異常差（10°S-5°N 75-90°E；5-15°N 50-70°E）；3. 熱帶太平洋200hPa高度場在當(dāng)年2月和前一年12月的差（20°S-15°N，105°E-140°W）。
通過交叉驗(yàn)證有較好的時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.78，還擁有很好的魯棒性。三個(gè)因子相對(duì)重要性分別為0.46，-0.45和0.48。
1. 赤道中太平洋在前一年秋季的變暖可以對(duì)IOD和Ei nino提供比ENSO成熟特征更早的跡象
赤道中太平洋海溫變暖激活了印太大氣橋，引發(fā)皮葉克尼斯反饋，在印度洋建立海氣耦合自我維持系統(tǒng)，此外，激發(fā)向西傳播的赤道開爾文波通過低層西風(fēng)引發(fā)較強(qiáng)厄爾尼諾事件。
2. 熱帶印度洋東向加速度可作為IOD的代表
東風(fēng)吹動(dòng)海水導(dǎo)致溫躍層西厚東薄（即激活向東傳播的rossby波），暖水到了西部->東風(fēng)蒸發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致東部SST進(jìn)一步降低->東西海溫梯度通過東西氣壓低度維持并進(jìn)一步增加熱帶印度洋東風(fēng)（印度洋海氣耦合自我維持系統(tǒng)）
之后東風(fēng)減弱使得東部冷海溫異常減弱，而西部緩慢下沉的rossby波依然維持較暖的海溫，于是使得IOD->IOBW。整個(gè)印度洋的海溫升高激發(fā)濕絕熱調(diào)整從而使得整個(gè)對(duì)流層溫度升高，激發(fā)向西北方向傳播的開爾文波，為夏天較強(qiáng)的WPSH做出了主要貢獻(xiàn)。
作者認(rèn)為IOD對(duì)第二年7月的強(qiáng)WPSH事件形成有更直接的貢獻(xiàn)，而不僅僅與厄爾尼諾事件有關(guān)，超級(jí)IOD可以在沒有強(qiáng)厄爾尼諾事件的情況下獨(dú)立發(fā)聲，如2020年的超強(qiáng)梅雨。
3. 赤道太平洋上層高壓的增強(qiáng)將熱帶海洋變暖作用于WNPSH
熱帶海洋（印度洋和太平洋）的變暖，促進(jìn)局地對(duì)流使得更多的水汽凝結(jié)釋放潛熱，加熱了熱帶整層對(duì)流層，這種高壓格局甚至可以持續(xù)到5月。
結(jié)論：
在本研究中，作者將WNPSH作為討論北方夏季EA天氣狀況的長周期預(yù)測性的錨點(diǎn)。我們采用數(shù)據(jù)挖掘的方法，從前一年秋季不同的赤道海面溫度（SST）模式（如ENSO和IOD）到北方夏季W(wǎng)NPSH的復(fù)雜連鎖反應(yīng)中提取三個(gè)信號(hào)。這些信號(hào)的兩個(gè)季節(jié)的提前量以及它們與常規(guī)氣候指數(shù)的不一致性，為我們加深對(duì)海陸空耦合系統(tǒng)的理解和提高對(duì)未來北方夏季天氣狀況的長提前量預(yù)測提供了機(jī)會(huì)。
體會(huì)思考：
本文著眼于ENSO和IOD事件的整個(gè)演化過程，從長時(shí)間尺度上綜合前人研究結(jié)果分析了使用數(shù)據(jù)挖掘方法得到的三個(gè)超前WNPSH預(yù)測因子，加深了對(duì)印太耦合海氣相互作用系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并對(duì)影響夏季EA的關(guān)鍵系統(tǒng)WNPSH嘗試預(yù)測，取得了很好的效果。
但對(duì)于6月WNPSH的預(yù)測仍然是個(gè)挑戰(zhàn)，與之相關(guān)的太平洋東亞遙相關(guān)理論中主要元素的捕獲和對(duì)具體演化時(shí)影響過程如兩步Gill響應(yīng)和西北太平洋局地海氣相互作用的分析解釋，需要進(jìn)一步的分析研究。
