中间型海洋-大气耦合模式及其ENSO模拟和预测

   本书介绍了基于中国科学院海洋研究所中间型海气耦合模式（IOCAS ICM） 对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）演变及相关的热带太平洋海表温度场的数值模拟、过程分析、历史回报、实时预测、同化改进和可预报性等研究结果，对更深入研究热带太平洋海洋－大气年际异常时空演变和海气相互作用过程等具有普遍的参考价值，也为开展相关数值模拟和预测提供了理论与模式基础。

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       预测未来天气和气候等的变化，是地球系统科学研究的主要目的之一。气象学家们对大气运动所满足的大气流体动力学和热力学定律进行理论推演，得到了一组表述大气运动和状态演变的偏微分方程，在已知的大气当前状态和一定的环境条件下，求解这些方程以获得未来1~2周大气状态的数值解。目前数值天气预报理论与方法已相当成熟，取得了令人瞩目的巨大成功和实际应用效果。

       但是，目前气候预测的基础理论和技术方法等还处于艰难的探索阶段。如果说天气预报只是“猜老天爷将来的心思”，那么气候预测则同时还要“揣摩海龙王将来的心思”，这是因为气候预测涉及大气与海洋间的耦合和相互作用，难度会更大。厄尔尼诺-南方涛动 (El Ｎiño-Southern Oscillation, ENSO) 是发生在热带太平洋中最强的年际变率信号，通过大气遥相关过程，可引发全球天气、气候异常，将对环境和社会产生深远影响。20世纪60年代以来，关于ENSO理论和模式发展方面的进步，使得当前ENSO预测时效可达６个月以上，并基于ENSO预测结果可进一步开展相关的短期气候预测。如美国哥伦比亚大学国际气候研究所整合了世界各国20多个ENSO模式关于热带太平洋海表温度异常的预测产品，定期发布ENSO实时预测结果。

       ENSO预测是继数值天气预报之后，地球科学预测研究和实际应用中最成功的范例之一。尽管如此，在ENSO实时预测方面，仍然存在着较大的不确定性和模式误差。特别是春季预报障碍现象的存在导致ENSO预测技巧快速下降，进一步有效地改进ENSO实时预测是一个国际性难题和前沿科学研究重点，需要从多方面开展研究，包括海气耦合模式的发展和改进、物理过程的更合理表征和可预报性理论研究等。

      《中间型海洋-大气耦合模式及其ENSO模拟和预测》主要介绍了张荣华及其合作者所发展的一个中间型海洋-大气耦合模式及其应用。该模式为ENSO分析和预测打造了一个创新的模式平台。自2003年以来，一直通过美国哥伦比亚大学国际气候研究所网站向国际学术界提供ENSO实时预测结果。自2015年8月起，该模式经过优化改进后，以中国科学院海洋研究所命名(Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences intermediate coupled model, IOCAS ICM)，成为首个以我国国内单位命名的海气耦合模式为国际学术界提供ENSO实时预测结果，彰显了我国在ENSO数值模拟和预测方面的成果，提升了我国在该领域的国际地位和影响力。

       本书的内容很好地体现了张荣华博士的个人研究风格与特征。对IOCAS ICM的介绍全面具体而详细，包括模式的构建、ENSO数值模拟、动力学过程机制研究、实时预测、资料同化方法应用和可预报性研究等，展示了ENSO相关研究的一些最新成果，并试图回答以下一些问题：为什么能做ENSO预测？ENSO预测是怎样做出来的？影响ENSO预测的主要因子有哪些？目前利用海气耦合模式对ENSO模拟和预测的现状和挑战是什么？存在的瓶颈问题和亟须解决的技术难点有哪些？等等。本书可为大气和海洋科学等相关领域的科研人员全面了解ENSO相关理论和模拟及预测等提供很好的参考，为更深入开展ENSO研究提供理论基础和方法引导；另外，该模式在国内已有不少的应用，本书也可以为广大科技工作者使用这一模式提供帮助。

核心成果

      在中国科学院海洋研究所、海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心和国家自然科学基金委等的资助下，作者已发展和改进了一个中间型海气耦合模式（ICM）， 并应用于ENSO相关的数值模拟和实时预测研究。特别地，考虑到次表层海洋热力异常对海表温度有决定性的影响，该模式的关键部分是如何表征海洋次表层海水上卷进入混合层中的海水温度，为此开发了次表层海水上卷温度反算优化方法。结果表明，该模式对ENSO模拟性能良好。在此基础上，进一步发展了中间型ENSO实时预测系统。自2015年以来，中国科学院海洋研究所发展的中等复杂程度海洋-大气耦合模式（简称“IOCAS ICM”）每月定期进行ENSO实时预测试验，其结果收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所（IRI），以作进一步的集成分析和应用。这是首个以我国国内单位命名的海气耦合模式为国际学术界提供ENSO实时预测结果，IOCAS ICM为ENSO分析和预测打造了一个创新的模式平台，提升了我国在ENSO实时预测方面的国际地位。

章节简介

       本书较详细地介绍了IOCAS ICM以及基于IOCAS ICM所开展的数值模拟和实时预测研究成果。本书共包括7章：第1章为绪论，简要介绍ENSO的研究进展及意义；第2章为模式介绍，重点介绍了IOCAS ICM相关的主要组成部分；第3章给出一些基于IOCAS ICM对ENSO的动力过程所进行的分析和数值模拟结果，如对2010-2012年拉尼娜事件二次变冷和2014-2016年间的厄尔尼诺事件二次变暖的过程分析；第4章为ENSO历史回报检验和实时预测试验结果及分析；第5章为模式的扩展应用，主要介绍了基于IOCAS ICM的四维变分同化方法的应用；第6章为条件非线性最优扰动方法在IOCAS ICM中的应用，开展对ENSO可预报性和预测改进的研究；第7章为总结和展望。

本文摘编自《中间型海洋-大气耦合模式及其ENSO模拟和预测》（张荣华等著. 北京：科学出版社，2021.1）一书 “序” 和 “前言”，有删减，标题为编者所加。

（本文编辑：杨明春 [e-mail]）

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