第一章 绪论 1.1 研究意义和现状 年际一年代际（1--30年）特别是年代际（10～30年）气候预测正迅速成为气候变化的一个新的优先研究领域。2007年的政府间气候变化专门委员会第四次评估报告基本上肯定了工业革命以来观测到的全球变暖现象是人类活动引起的，因此气候变化研究的焦点问题不再仅关注百年时间尺度全球变化的大趋势，未来几十年特定区域的气候变化将得到各国政府和社会的更大关注。东亚季风气候具有显著的年际一年代际变率，对我国旱涝灾害的发生有显著影响，同时也将影响政府部门的很多长期计划的制订，如南水北调工程、大型水坝、电力设施、粮食产量等。理解东亚季风气候年际一年代际变率机理并进行预测对中国显得尤为迫切，而此领域的研究还处于一个初级的阶段，因此亟须进行系统研究。这不仅对科学预测年际一年代际气候变化有重要科学意义，而且对未来评估气候变化所引发的风险及社会影响，进而提出合理的应对策略具有重要指导意义，是国家在战略决策层面上的重大需求。 受全球变暖影响，气候变化的年代际尺度信号越来越显著。年代际尺度气候变化是IPCC第五次评估报告(AR5)的重要内容之一。在IPCC AR5之前，关于气候变化的研究重点圭要是关于气候系统对外强迫变化的敏感性。比如，IPCC第四次评估报告(AR4)对比了不同温室气体和气溶胶排放情景下，2100年全球表面气温的变化幅度。但研究表明，在未来30年，全球气温变化并不十分依赖于不同的排放情景(Meehl et a1．，2009)。第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)新加入了多组10～30年的年代际尺度回报和预测试验( Taylor et a1．，2012)。在年代际甚至更长的时间尺度上，不仅要考虑外强迫（太阳活动、火山喷发、人类活动引起的温室气体排放等）和气候系统内部变率的影响，还需要更多关注模式的初始状态。在这一时间尺度上，模式初始条件比边界条件的影响可能更为重要(Latifet a1．，2006)。Branstator等(2012)对6个耦合气候模式在同样外强迫条件下进行积分，以研究模式初始状态对可预测性的影响。其研究表明，模式初始状态在北大西洋和北太平洋海域的影响大约可以维持10年，但这一在不同的模式间变化较大，特别是在北大西洋海域。每个模式的优选相关区域都有所不同。水平传播对初值信号的演变影响较大，这是导致不同模式存在可预测性差异的一个关键因素。Keenlyside筹(2008)的研究结果表明，同化海表面温度(SST)的初始化方案的年代际预测试验成功模拟出了北大西洋经向翻转环流(AMOC)的年代际振荡，从而提高了北大西洋海表面温度、欧洲和北美地表气温的年代际变化预报技巧；同时其研究也表明，加入海表面温度初始信息的年代际试验比传统气候模式的增暖幅度更接近于观测值。Mochizuki等(2010)对耦合模式MIPOC同化海洋上层温度、盐度的年代际试验提高了对太平洋年代际振荡(PDO)的预报技巧。吴波和周天军(2012)基于FGOALS_gl模式采用IAU方案同化海洋客观分析资料的三维温度和盐度场的年代际试验结果表明，海洋初始化过程能够有效提高耦合模式对年代际变率较大区域的预测技巧。Metha等(2011)研究表明，通过同化三维温度和盐度场的初始化方案为部分区域的年代际气候预测提供了一定的预报技巧，特别是在北大西洋和北太平洋区域。这些初始化方案在陆地上预报技巧提高并不明显，热带外地区预测能力高于热带地区。 在2009年开始的第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)将年代际预测(decadal prediction)作为试验内容之-( Taylor et a1．，2012)。国际上有18个模式（包括国家气候中心的气候系统模式BCC—CSMl.1）提交了年代际预测试验的结果，对这些试验结果的分析进一步推动了年代际尺度气候预测研究( Mehta et a1．，2011; Chikamoto et a1．，2012; Goddard et al.， 2012; van Oldenborgh et al.， 2012; Wu et al.， 2012; Doblas-Reyes et a1．，2013; Karspeck et a1，，2015)。多模式集合的年代际预测结果成为IPCC AR5近期( near-term)预测的主要内容，是近年来气候研究领域的重要成果之- (Kirtman et a1．，2013; Vikram et a1．，2013)。气候模式工作组在2016～2020年将逐步开展第六阶段耦合模式比较计划(CMIP6)试验计划，年代际气候预测试验子计划(DCPP) (Boer，2014)是其中的一个重要予计划。如何提高气候模式的年代际预测能力是世界气候研究计划(WCRP)根据IPCC AR5研究结果提出的八大科学挑战之-( Eyring et a1．，2016)，也是CMIP6关注的科学问题之一。 对年际一年代际变率的突变性及其统计预报，也有一些初步研究。侯威等(2008)运用多种线性和非线性统计模型预测的结果表明，未来10 --20年仍然处于干旱阶段，之后有可能向相对湿润的时期过渡；对我国北方帕尔默旱涝指数等旱涝指标进行小波分析发现，20世纪80年代以来，我国华北、西北东部和东部地区的干湿变化存在着显著的准20年振荡周期；距平分析表明，我国华北和西北东部干湿位相的持续期为10～20年；按年代际周期佶算，华北和西北东部未来可能出现转型，也就是说这两个地区可能转湿，但温度的持续升高增加了这种估算的不确定性，增温可能会延缓或者阻止这种转型。龚志强和封国林(2008)发现华北区的干湿变化与温度的变化具有较好关系，此外太平洋年代际振荡(PDO)也可能对我国的干湿变化有一定的影响。联系中国近50年帕尔默干旱严重程度指数(PDSI)指数的情况，其经验正交函数分析(EOF)第一模态对20世纪70年代转折响应较强，而第三模态则对21世纪初转折响应较显著。从当前PDSI的年代际状态及EOF第一模态看，东北、华北、西北中部和东部、西南大部为干旱，西北西部、西藏、江南和华南为湿润；结合PDSI指数第一模态的时间系数，可以认为这种模态在未来一段时间可能会继续维持10～20年。其他研究表明，太平洋的年代际突变在东亚有明显信号(Li and Zhang，2009)。龚志强等(2012)从北半球PNA、NAO、AO、EUPA和WP这五种显著的遥相关型、年代际尺度配置作用中心的移动和作用强弱的变化角度给出了北半球遥相关型年代际尺度配置特征与气候突变之间的可能联系。这些遥相关型与东亚气候年际一年代际变化的关系还值得深人研究。 在自然变率和人为变率的共同作用下，东亚地区的夏季气候尤其是夏季降水表现出显著的年代际变化特征( Chen et a1．，1992; Ding et a1．，1992; Huang et a1．，1999，2004)。近50年来，东亚地区的夏季降水在20世纪70年代末、90年代初和90年代末等经历了多次明显的年代际调整过程（Wang et a1．，2001; Ding et a1．，2008;黄荣辉等，2011）。就20世纪90年代末期而言，1993～1998年期间中国东部夏季降水异常为从南到北的“+_+”经向三极子型与“+_”偶极子型的结合，而1999～2009年期间则调整为“南涝北旱”式的“+-”经向偶极予型分布（黄荣辉等，2011）。孙力等(2000，2002)研究则表明，东北地区的夏季降水存在明显的年代际变化特征，同时就结构而言，存在复杂的空间尺度划分。国家气候中心(2013)监测诊断年报的数据也表明，经历了20世纪90年代初以来的降水偏多期后，东北亚地区的夏季降水距平自20世纪90年代末以来出现持续偏少的特征，但2011年和2012年则又连续出现了两年的异常偏多，2013年夏季东北地区及俄罗斯远东地区等降水持续增多，久违的洪涝频繁发生预示着东北亚地区夏季降水可能出现新一轮的调整（顾薇和李崇银，2005;龚志强等，2013）。 在太平洋年代际振荡( Pacific decadal oscillation，PDO)相大西洋多年代际振荡（Atlantic mutil-decadal oscillation，AMO）等海洋外部强迫的作用下，东亚地区的夏季气候尤其是夏季降水表现出了显著的年代际变率( Chen et a1．，1992; Ding et a1．，1992;Huang et a1．，1999; 2003)。北太平洋地处欧亚大陆的下游地区，海洋和陆地对大气加热在年代际尺度所表现出的不均性为东亚副热带环流系统异常创造了良好的热力学条件（Ding et a1．，1992;廉毅等，2003; 2004）。例如，PDO作为太平洋200N以北月平均海表温度的主模态反映了长期的类El Nino型太平洋气候变率(Bond and Harrison，2000)，在一定程度能够通过改变各种遥相关对应的年代际尺度平均流的背景场，进而调节ENSO对副热带地区气候的影响(Gershunov and Barnett，1998; Birk et a1．，2010;Huang et a1．，1998)。杨修群等(2005)、马柱国和符淙斌(2007)等揭示了东亚夏季风(EASM)的减弱与PDO的变化有重要的联系。张庆云等(2007)和邓伟涛等(2009)也充分强词了PDO在东亚夏季降水年代际变化中的作用。此外，AMO作为大西洋海表温度冷暖位相交替变化的主要模态( Enfield et a1．，2001)，对欧亚地区的夏季气候变化特征有着重要的影响。例如，Ma等(2007)认为AMO是中国华北夏季降水年代际变化的一个主要原因，表现为正位相的AMO对中国夏季北方降水有促进作用。Wu等(2012)研究表明，夏季北大西洋三极予海表面温度异常能进一步激发中高纬地区的大西洋一欧亚遥相关型(AEA)，调制位于乌拉尔山和鄂霍次克海地区的阻塞高压，从而影响自西向东的纬向水汽输送。Xu等(2013)提出北大西洋的海表面温度三极子结构可以通过所谓“大气桥”和“海洋桥”的相互作用，影响下一季节东亚中北部地区的降水异常。因此，北太平洋和西太平洋海表面温度等所表现出来的年代际异常，必然也会对东亚地区的气候变率产生重要的影响，改进的研究必然都需要关注北太平洋和西太平洋海表面温度的作用。 年代际尺度气候预测研究的目的，一方面在于改进初始场驱动下模式对未来气候变化的预估。这一领域目前已经引起了越来越多气象学家的注意(Smith et a1．，2007;Pohlmann et a1．，2009; Meehl et a1，，2009)，且许多的研究都致力于提高海表面温度的预报技巧和变率等( Keenlyside et a1．，2008; Smith et a1．，2010)。另一方面则在于如何为季节气候预测提供可信的背景信息，换言之，如何增加模式季节预报中的年代际变化信息。但值得指出的是，目前模式针对一些与社会生产有重要联系的气候变量的年代际尺度的预报技巧还相对较低，距业务应用还有较大的差距( Kim et a1．，2012; Van et a1．，2012; MacLeod et a1．，2012)。同时，受资料长度的，年代际预测效果的检验和评估，有时也采用个例分析的方法而并非传统意义上的预报技巧评分的方式进行。年代际气候变化研究中的个例分析方法也被应用于揭示20世纪90年代大西洋海表面温度显著增暖的可预报性( Robson et a1．，2012; Yeager et a1．，2012)和验证太平洋海表面温度的年代际调整的可能性( Meehl and Teng，2013)。 简言之，东亚季风气候年际一年代际变化非常复杂，不是能用个别指标表达( Li andZeng，2003)。东亚季风气候的年际一年代际变化机制也有多样性，与下垫面（海洋和陆地）变化有密切联
