通过迭代海气通量调整方案校正耦合通用环流模式（CAS-ESM2.0）平均背景态以提升ENSO回测技巧

《Ocean Modelling》：Improving ENSO Hindcast Skill by Adjusting the Mean Background State in a Coupled General Circulation Model (CAS-ESM2.0)

　　

ENSO（El Ni?o–Southern Oscillation）是全球气候系统中年际变率的主要模态，提升其预测能力对理解和应对气候异常至关重要。研究人员提出一种迭代海气通量调整方案，并利用CAS-ESM2.0耦合模式开展多年回测试验，系统评估模式气候态调整对ENSO季节预测技巧的影响。结果表明，通量调整显著改善了热带太平洋海表温度（SST）气候态与次表层温跃层结构的模拟，从而为ENSO预测提供了更真实的背景态。调整后，Ni?o3.4、Ni?o3与Ni?o4指数的预测技巧均显著提升，且在预报时效超过4个月后增益更大，整体技巧接近国际多模式集合平均。此外，调整后的预报再现了更合理的厄尔尼诺峰值强度与季节锁相，春季可预报性障碍（SPB）被削弱。进一步分析指出，ENSO预测技巧的改善源于三个过程：其一，通量调整降低了预报早期初始冲击；其二，削弱了与温跃层偏差相关的过度正反馈；其三，稳定了由潜热与短波反馈主导的热力学阻尼。上述变化改善了Bjerknes稳定指数（BJ指数）的量级与稳定性，从而增强ENSO预测的稳定性与技巧。

研究背景方面，ENSO作为热带太平洋海气耦合系统最显著的年际变率模态，对全球降水、温度异常及极端天气事件具有广泛影响，一直是季节预测研究的核心问题。近年耦合模式与集合预报技术虽使Ni?o3.4海温异常在6至12个月预报时效内具备一定技巧，但在更长时效仍面临技巧快速衰减、春季可预报性障碍（SPB）显著、事件振幅与位相演变模拟不稳定等挑战。已有研究指出，除初始场误差外，模式系统性误差尤其是热带太平洋气候平均海温（SST）偏差，如赤道冷舌偏强、东南太平洋暖偏差等，会改变平均背景态并干扰海气耦合过程，是限制ENSO预测技巧提升的关键因素。传统气候态调整常一次性还原SST或引入时变调整项，易残留漂移或破坏耦合动力结构。为此，研究人员以中国科学院地球系统模式2.0（CAS-ESM2.0）为平台，探究平均背景态调整对ENSO季节预测的影响机制，相关成果发表于《Ocean Modelling》。

关键技术方法上，研究人员设计迭代海气通量调整方案：先依据模式与观测（OISSTv2、SODA、ERA5）的气候平均风应力差构建动量调整场Δτ，再基于模式与观测SST差以加权系数α_i（等效弛豫率α_i/ρc_pH）迭代三次更新热通量调整场ΔQ，最终获得时不变空间场；初始化采用观测SST异常叠加模式气候态SST并nudging海洋、大气水平风场nudging至ERA5，构建1981至2014年每月初及前后两日共5成员集合回测；诊断上采用Lübbecke and McPhaden（2014）公式的Bjerknes稳定指数（BJ指数）分解动力阻尼、热力学阻尼、纬向平流反馈、Ekman反馈与温跃层反馈。

研究结果部分，第一章引言阐明热带太平洋SST气候偏差通过调制背景梯度与海气反馈限制ENSO预测，引出通量调整必要性。第二章模型与数据介绍CAS-ESM2.0四大分量分辨率、OISST/EN4/CMAP/SODA/ERA5及12个国际模式（NMME、C3S）对照集，并给出BJ指数五项反馈物理含义。第三章通量调整与初始化显示，Δτ在赤道中太平洋为东风调整、西太与印度洋为西风调整，ΔQ在东太热带及南美岸为负（最低?50 W m^?2）、副热带为正；经风应力调整叠加三次热通量迭代后，Hind_τ+H试验初始化SST偏差热带多数缩至1.0°C内、赤道优于0.5°C，20°C等温线温跃层加深且倾斜接近观测，冷舌西伸减弱。第四章回测结果表明，Hind_ctrl的Ni?o3.4十二个月技巧降至0.32，Ni?o4八个月跌破0.5，而Hind_τ+H使Ni?o3.4三个月达0.90、六个月0.80、十二个月0.59，接近多模式集合平均；热带SST技巧在六、十二个月相对提升16.7%与58.8%；厄尔尼诺峰值强度更近实况2.0°C、位相锁相更稳定；SPB在全年各起报月均被削弱。第五章机理诊断指出，无调整试验BJ指数前期因初始冲击在动力阻尼、温跃层与Ekman项剧变，浅温跃层致ZA、TC、EK正反馈过强，热力学阻尼由短波与潜热反馈主导在4至8个月骤强（占反馈总变率49%）致BJ指数波动0.64；调整后温跃层加深稳定，正反馈减弱，热力学阻尼变率降至0.30（占反馈总变率主导转为温跃层反馈0.61），BJ指数全程稳定（变率0.24），Ni?o3.4标准差十二个月内仅变0.13°C。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：迭代海气通量调整通过校正CAS-ESM2.0热带太平洋SST气候态与温跃层深度，削弱初始冲击、抑制浅温跃层导致的过度正反馈、稳定潜热与短波辐射主导的热力学阻尼，从而优化BJ指数量级与稳定性，显著提升Ni?o3.4/Ni?o3/Ni?o4在超过四个月时效的ENSO季节预测技巧，弱化SPB并改善事件峰值与季节锁相，整体技巧逼近国际多模式集合平均；该工作表明模式系统性气候背景误差的针对性校正可作为不依赖初始场同化的ENSO预测增强途径，为季节预报系统优化提供物理依据。