氣候動(dòng)力診斷和分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張正秋 祝從文 蘇京志 劉伯奇 蔣 寧 陳昊明

(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

引 言

氣候業(yè)務(wù)(氣候監(jiān)測(cè)、氣候預(yù)測(cè)和氣候決策服務(wù))是現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)體系的重要組成部分，在國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)對(duì)氣候變化工作中占有重要地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，極端氣候事件對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面影響大、關(guān)注度高。區(qū)域氣候變化數(shù)值模擬和歸因分析是全球變化與區(qū)域響應(yīng)研究中的重要科學(xué)問(wèn)題之一，利用氣候模式開(kāi)展氣候異常診斷是認(rèn)識(shí)氣候變化規(guī)律、提高短期氣候預(yù)測(cè)與科學(xué)決策服務(wù)水平的重要手段。

氣溫和降水的異常變化會(huì)導(dǎo)致極端高溫、旱澇等氣候事件，是氣候異常動(dòng)力診斷和氣候預(yù)測(cè)中的重要對(duì)象。目前，我國(guó)氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)已基本具備全面監(jiān)測(cè)大氣、海洋、陸面、冰雪圈氣候變化的能力，但在氣候動(dòng)力診斷業(yè)務(wù)方面依然以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析模型技術(shù)為主[1-3]。雖然統(tǒng)計(jì)理論可以揭示氣溫和降水與氣候系統(tǒng)各成員之間的變化關(guān)系，但無(wú)法從物理上認(rèn)識(shí)海溫和海冰等外源強(qiáng)迫因子對(duì)區(qū)域降水和氣溫變化的影響，進(jìn)而制約著對(duì)區(qū)域氣候變化特征及其演變規(guī)律的深入認(rèn)識(shí)。大量研究表明，關(guān)鍵區(qū)海溫(如ENSO、印度洋海溫、黑潮海溫等)和海冰的異常變化對(duì)東亞地區(qū)的氣溫和降水產(chǎn)生復(fù)雜多變的影響[4-7]，利用大氣環(huán)流模式開(kāi)展基于數(shù)值模擬的動(dòng)力診斷是氣候異常歸因分析的有效手段。但氣候模式系統(tǒng)復(fù)雜，使用需要具有較高專(zhuān)業(yè)技能；且氣候模式通常在超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與超級(jí)計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊存在困難。上述困難限制了數(shù)值模擬在氣候監(jiān)測(cè)和診斷業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用。因此，基于數(shù)值模擬的動(dòng)力診斷可視化系統(tǒng)是當(dāng)前氣候研究及業(yè)務(wù)工作的迫切需求。

近年我國(guó)氣象現(xiàn)代化建設(shè)取得了豐碩成果，國(guó)家氣象中心開(kāi)發(fā)的MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System,氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))和國(guó)家氣候中心開(kāi)發(fā)的CIPAS(Climate Interactive Plotting and Analysis System,氣候信息處理與分析系統(tǒng))顯著提高了天氣和氣候的分析及診斷效率。但業(yè)務(wù)系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用，對(duì)科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和評(píng)估中試能力不足。雖然國(guó)外發(fā)展了多種氣象模式和數(shù)據(jù)分析軟件[8-9]，但均無(wú)法直接應(yīng)用于我國(guó)自行研發(fā)的氣候業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)，同時(shí)眾多的氣候動(dòng)力氣候診斷理論和方法[10-13]需要中試平臺(tái)轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)可視化能夠提高人們對(duì)數(shù)據(jù)的感知[14],并在我國(guó)氣象業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用[15-17]，但氣候動(dòng)力診斷分析仍缺少可視化工具。

氣候動(dòng)力診斷和分析系統(tǒng)(Climate Dynamic Diagnosis and Analysis System，CDDAS)是一個(gè)可視化交互系統(tǒng)，與現(xiàn)有的其他氣象應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不同，CDDAS在集成傳統(tǒng)氣候動(dòng)力診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于數(shù)值模式的動(dòng)力診斷功能模塊，用戶(hù)可自行搭建個(gè)性化子系統(tǒng)并設(shè)計(jì)應(yīng)用接口，有利于提高科研成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的時(shí)效性。同時(shí)系統(tǒng)界面友好且操作簡(jiǎn)便，借助該系統(tǒng)的可視化環(huán)境，用戶(hù)可以像編輯演示文稿(如Microsoft Office PowerPoint,微軟PPT)一樣，設(shè)計(jì)交互操作界面；使用系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言，用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器間的交互控制，并提供遠(yuǎn)程服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

CDDAS包括客戶(hù)端和服務(wù)器端兩部分，客戶(hù)端為可視化操作環(huán)境，服務(wù)器端則由4個(gè)功能模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

客戶(hù)端以PC(personal computer，個(gè)人計(jì)算機(jī))客戶(hù)端為主，用戶(hù)調(diào)用遠(yuǎn)程交互頁(yè)面，輸入相關(guān)參數(shù)、提交命令、運(yùn)行遠(yuǎn)程服務(wù)器中的各種計(jì)算程序。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)和模塊Fig.1 System structure and modules

服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)更新備份、動(dòng)力診斷、基于多個(gè)模式進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M(簡(jiǎn)稱(chēng)多模式模擬)和模擬結(jié)果分析4個(gè)模塊。這4個(gè)模塊相互關(guān)聯(lián)，為數(shù)值模擬動(dòng)力診斷自動(dòng)化提供保障。服務(wù)器端通過(guò)相應(yīng)腳本命令調(diào)用超級(jí)計(jì)算機(jī)中的氣候動(dòng)力模式，形成服務(wù)器端與超級(jí)計(jì)算機(jī)之間的交互。

超級(jí)計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)值模式計(jì)算，通過(guò)服務(wù)器，客戶(hù)端可實(shí)時(shí)監(jiān)控模式運(yùn)行狀態(tài)并可將模擬結(jié)果下載至服務(wù)器，進(jìn)行診斷分析。

2 動(dòng)力診斷功能

基于數(shù)值模式的動(dòng)力診斷功能可在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端集成了數(shù)據(jù)更新備份、動(dòng)力診斷(即傳統(tǒng)動(dòng)力診斷)、多模式數(shù)值模擬和結(jié)果分析等功能模塊。通過(guò)遠(yuǎn)程交互頁(yè)面，客戶(hù)端對(duì)這些功能模塊進(jìn)行控制運(yùn)行和管理。

2.1 數(shù)據(jù)更新備份模塊

為了便于氣候動(dòng)力診斷和數(shù)值試驗(yàn)，本系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)下載和更新備份模塊。下載和更新備份可采用兩種方法：自動(dòng)下載更新數(shù)據(jù)和客戶(hù)端手動(dòng)操作激發(fā)后臺(tái)自動(dòng)下載。根據(jù)需要，下載的數(shù)據(jù)集也可以是其他數(shù)據(jù)集，只需在服務(wù)器端改變數(shù)據(jù)源鏈接即可。系統(tǒng)默認(rèn)的下載數(shù)據(jù)集為CRA(CMA’s Global Atmospheric ReAnalysis，中國(guó)氣象局全球大氣再分析數(shù)據(jù))[18]。數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2.2 動(dòng)力診斷模塊

該動(dòng)力診斷模塊主要集成目前科研業(yè)務(wù)中采用的常規(guī)統(tǒng)計(jì)動(dòng)力診斷方法，包括水汽通量、大氣熱量、大氣能量、大氣角動(dòng)量、波通量等物理量診斷計(jì)算和繪圖及降水診斷分析。該模塊可用于再分析資料和模擬結(jié)果的顯示和診斷分析,其客戶(hù)端交互界面如圖2所示。此外，該模塊還提供大氣動(dòng)力和熱力診斷、降水分析、溫度分析和相似分析等交互操作。建立動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)診斷變量分析數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源可隨時(shí)更新。診斷分析時(shí)，用戶(hù)只需在客戶(hù)端的遠(yuǎn)程交互界面上填寫(xiě)被診斷的區(qū)域范圍、標(biāo)準(zhǔn)大氣分層高度以及時(shí)間等參數(shù)，提交即可獲得相應(yīng)診斷結(jié)果。

該模塊提供氣溫和降水相似分析功能。根據(jù)氣溫或降水要素在某一時(shí)期的分布特征，通過(guò)交互式診斷分析，找到具有相似特征的其他年份，以確定模式試驗(yàn)參數(shù)，探討具有這類(lèi)相似特征的天氣氣候事件的產(chǎn)生成因。在診斷分析時(shí)，用戶(hù)通過(guò)查找某一時(shí)期氣溫或降水相似年份，作為模式試驗(yàn)參數(shù)，分析研究某一時(shí)段某個(gè)區(qū)域氣溫或降水異常的成因。

圖2 大氣動(dòng)力和熱力診斷交互界面Fig.2 Interface of atmospheric dynamic and thermal diagnosis

2.3 多模式數(shù)值模擬模塊

基于多個(gè)大氣環(huán)流模式，開(kāi)發(fā)海溫、海冰異常強(qiáng)迫的數(shù)值模擬模塊。目前系統(tǒng)包含BCC_AGCM2.1(Beijing Climate Center_Atmospheric General Circulation Model,中國(guó)國(guó)家氣候中心大氣環(huán)流模式)[19]，ECHAM5(Max-Planck-Institute fur Meteorological Atmospheric General Circulation Model，德國(guó)馬克斯-普朗克研究所大氣環(huán)流模式)[20]和CAM5(The Community Atmosphere Model，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的共同體大氣模式)[21]等模式。

2.3.1 數(shù)值模擬模塊

該模塊提供多個(gè)可選輸入窗口，通過(guò)后臺(tái)將用戶(hù)選取的輸入?yún)?shù)傳遞給數(shù)值模擬腳本，采用遠(yuǎn)程控制方式向超級(jí)計(jì)算機(jī)提交多模式模擬試驗(yàn)，一鍵式完成模式設(shè)置、模式提交、模擬結(jié)果實(shí)時(shí)下載及顯示等操作，并可進(jìn)行模擬狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控等自動(dòng)化管理。該模塊實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端、服務(wù)器端、超級(jí)計(jì)算機(jī)三者之間信息的實(shí)時(shí)互動(dòng)傳輸。

2.3.2 數(shù)值模擬診斷分析流程

數(shù)值模擬診斷分析流程相對(duì)復(fù)雜，是系統(tǒng)提供的一項(xiàng)重要功能。數(shù)值模擬診斷過(guò)程包括相似年選取、關(guān)鍵區(qū)選取、海溫海冰合成、數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置、數(shù)值試驗(yàn)監(jiān)控、模擬結(jié)果顯示6個(gè)環(huán)節(jié)。

相似年選取是通過(guò)挑選歷史氣溫或降水具有相似特征的年份，作為模式的模擬參數(shù)；關(guān)鍵區(qū)選取是設(shè)置數(shù)值試驗(yàn)關(guān)鍵區(qū)域，考察關(guān)鍵區(qū)的影響；海溫海冰合成是通過(guò)二者的合成得到數(shù)值試驗(yàn)的初始場(chǎng)，供后續(xù)分析；數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置是設(shè)置各種數(shù)值試驗(yàn)情景，以便進(jìn)行敏感性試驗(yàn)；數(shù)值試驗(yàn)監(jiān)控是監(jiān)測(cè)模式數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)度，管理各個(gè)模式模擬結(jié)果；模擬結(jié)果顯示是調(diào)用繪圖軟件包實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端顯示。

2.3.3 強(qiáng)迫場(chǎng)多區(qū)域靈活組合

數(shù)值試驗(yàn)中，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫場(chǎng)多個(gè)不同區(qū)域靈活組合，便捷實(shí)現(xiàn)多樣化的海溫海冰驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合成(圖3)。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置的參數(shù)包括起始經(jīng)緯度、終止經(jīng)緯度以及數(shù)值變換系數(shù)等。如果區(qū)域存在重疊，重合區(qū)取最后那個(gè)疊加的區(qū)域設(shè)置參數(shù)。通過(guò)工具條上的箭頭按鈕，可改變圖形的放置順序。如果用戶(hù)定義若干個(gè)不同區(qū)域，最終合成結(jié)果為各區(qū)域疊加。

圖3 多試驗(yàn)區(qū)域選擇設(shè)置對(duì)話框Fig.3 Multiple experimental area selection settings

2.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果綜合顯示

數(shù)值模擬結(jié)果顯示模塊(圖4)可展示降水、2 m氣溫、10 m風(fēng)場(chǎng)、海平面氣壓等要素的二維圖形，以及風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)、溫度、濕度等要素的三維圖形。如同大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)診斷分析一樣，若要顯示某氣象要素的圖形，需要設(shè)置地理區(qū)域的經(jīng)緯度范圍、標(biāo)準(zhǔn)大氣層次及時(shí)間。

2.4 氣候動(dòng)力診斷自動(dòng)化流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

CDDAS實(shí)現(xiàn)了氣候動(dòng)力診斷自動(dòng)化，有效提高氣候異常成因診斷的工作效率和便捷性(圖5)。

通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)文件瀏覽對(duì)話框可便捷地瀏覽相似年份參數(shù)、模擬結(jié)果顯示參數(shù)交互頁(yè)面等文件。其中，模擬結(jié)果顯示對(duì)話框可以根據(jù)需要選擇要素。用戶(hù)可根據(jù)顯示選取相似年份，也可以根據(jù)顯示選取試驗(yàn)關(guān)鍵區(qū)，進(jìn)行海溫海冰合成并進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，模擬結(jié)果被保存到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，供進(jìn)一步氣候診斷分析。

圖4 用于顯示數(shù)值模擬結(jié)果的遠(yuǎn)程交互對(duì)話頁(yè)面Fig.4 Remote interactive dialogue page for displaying numerical modeling results

圖5 數(shù)值模式動(dòng)力診斷流程Fig.5 Flow of numerical model dynamic diagnosis

3 可視化遠(yuǎn)程交互關(guān)鍵技術(shù)

3.1 可視化編輯管理

CDDAS為用戶(hù)提供了一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，用于可視化交互界面設(shè)計(jì)。通過(guò)可視化交互界面編輯器用戶(hù)可自行搭建交互界面(圖6)，編輯器包括控制工具欄、可視化工具窗口、交互頁(yè)面編輯窗口、頁(yè)面略圖窗口、可視化控件控制腳本編輯窗口、當(dāng)前編輯腳本控件略圖窗口、控件屬性窗口和控件標(biāo)識(shí)窗口及鼠標(biāo)右鍵菜單等。

①控制工具欄 ②交互頁(yè)面略圖 ③當(dāng)前編輯腳本控件略圖 ④交互頁(yè)面編輯窗口 ⑤腳本編輯窗口 ⑥可視化工具窗口 ⑦控件標(biāo)識(shí)窗口圖6 可視化交互界面編輯窗口Fig.6 Windows for visual interface editing

3.2 遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言

目前常用系統(tǒng)軟件均擁有自己的解釋器，即具有與系統(tǒng)相匹配的解釋語(yǔ)言，如MATLAB (Matrix Laboratory,矩陣實(shí)驗(yàn)室)[22]、GrADS(Grid Analysis and Display System,格點(diǎn)分析和顯示系統(tǒng))[23]、NCL(NCAR Command Language，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的命令語(yǔ)言)[24]和Python[25]等。擁有解釋器的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性，為用戶(hù)提供較靈活的二次開(kāi)發(fā)框架。而缺乏解釋器的系統(tǒng)，功能相對(duì)固定，不利于系統(tǒng)擴(kuò)展,也不利于氣象科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化供業(yè)務(wù)應(yīng)用。

為此，系統(tǒng)包含一種自主設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言。該語(yǔ)言可以對(duì)字符串進(jìn)行解釋?zhuān)脩?hù)使用該語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程交互控制。系統(tǒng)提供了腳本編輯器，在編輯器窗口腳本關(guān)鍵詞可高亮顯示；輸入關(guān)鍵詞時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出提示菜單，幫助用戶(hù)選擇相應(yīng)的控制函數(shù)。

遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言支持循環(huán)語(yǔ)句、條件語(yǔ)句、數(shù)組、系統(tǒng)函數(shù)和函數(shù)定義、四則運(yùn)算等，為遠(yuǎn)程控制提供極大方便。遠(yuǎn)程交互控制包括多種方式：鼠標(biāo)響應(yīng)、從控件顯示字符串與控制腳本交互、本地與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。使用遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言可從服務(wù)器中調(diào)取實(shí)時(shí)繪制的天氣圖制作動(dòng)畫(huà)。腳本語(yǔ)言與可視化編輯配合使用。遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言的控件管理通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)生成唯一標(biāo)識(shí)號(hào)實(shí)現(xiàn)(圖6)。根據(jù)標(biāo)識(shí)號(hào)控制腳本可訪問(wèn)交互頁(yè)面控件，改變控件顯示效果和狀態(tài)。

3.3 可視化交互系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)

CDDAS為用戶(hù)提供二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可使用該系統(tǒng)搭建自己的可視化子系統(tǒng)，搭建過(guò)程如圖7所示。

首先在服務(wù)器端預(yù)備各種運(yùn)行腳本，如模式運(yùn)行腳本、繪圖軟件(如MATLAB，NCL,GrADS等)控制腳本。其次，創(chuàng)建一個(gè)母版文件，將模式運(yùn)行腳本或繪圖軟件控制腳本的關(guān)鍵詞使用標(biāo)識(shí)符號(hào)替代(如xxx1標(biāo)識(shí)a,xxx2標(biāo)識(shí)b,xxx3標(biāo)識(shí)c)。第三，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程服務(wù)交互頁(yè)面，使用系統(tǒng)遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言,對(duì)交互頁(yè)面的控件以及預(yù)備的運(yùn)行腳本編寫(xiě)調(diào)用腳本，創(chuàng)建遠(yuǎn)程交互頁(yè)面文件，并上傳至服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)搭建。相關(guān)技術(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。

3.4 可視化客戶(hù)端設(shè)計(jì)

CDDAS客戶(hù)端(圖8)具有較強(qiáng)的文件管理和圖像處理功能，可將數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)下載至本地，通過(guò)圖像管理窗口，進(jìn)行圖像分割、合并重組。通過(guò)區(qū)域選擇窗口，使用鼠標(biāo)拖曳設(shè)置數(shù)值模式試驗(yàn)區(qū)域經(jīng)緯度。

圖7 交互系統(tǒng)搭建流程Fig.7 Interactive system of building process

①圖像管理窗口 ②交互界面窗口 ③圖形顯示窗口 ④區(qū)域選擇窗口圖8 CDDAS系統(tǒng)客戶(hù)端Fig.8 CDDAS client

4 系統(tǒng)及數(shù)據(jù)更新

CDDAS可提高用戶(hù)科研成果更新發(fā)布時(shí)效性，便捷地向相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)推廣。在使用過(guò)程中CDDAS客戶(hù)端無(wú)需重新下載升級(jí)，只需在后臺(tái)進(jìn)行子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)構(gòu)建或完善升級(jí)。子系統(tǒng)構(gòu)建升級(jí)完成后，將新的子系統(tǒng)在后臺(tái)掛接到CDDAS，供用戶(hù)實(shí)時(shí)調(diào)用。

CDDAS的數(shù)據(jù)更新部分，前期系統(tǒng)備份的全球海表溫度數(shù)據(jù)主要包括Hadley中心數(shù)據(jù)、OISST(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature,最佳插值海面溫度)數(shù)據(jù)、ERSST(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature,擴(kuò)展海面溫度)數(shù)據(jù)等，自2018年起將ERSST數(shù)據(jù)從版本4升級(jí)到版本5，保證用戶(hù)所采用海溫?cái)?shù)據(jù)的一致性。CDDAS備份的大氣再分析數(shù)據(jù)包括NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)數(shù)據(jù)、JRA(Japanese reanalysis,日本再分析數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)、ERA5(ECMWF reanalysis 5,歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心第5代再分析數(shù)據(jù))等數(shù)據(jù)。

5 CDDAS應(yīng)用實(shí)例

2018年7月我國(guó)北方地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性極端高溫事件，東北南部地區(qū)的高溫頻率和強(qiáng)度均創(chuàng)歷史極值，形成當(dāng)年夏季我國(guó)獨(dú)特的異常氣候現(xiàn)象，極端高溫同時(shí)也波及周邊國(guó)家，帶來(lái)嚴(yán)重影響，引起社會(huì)普遍關(guān)注[27]。為快速診斷此次東北亞極端高溫的成因機(jī)理，利用CDDAS開(kāi)展了相關(guān)診斷分析。

在此次高溫事件成因診斷分析中，利用CDDAS進(jìn)行常規(guī)的動(dòng)力熱力分析(如圖2操作對(duì)話框)。通過(guò)繪制2018年7月的大氣環(huán)流場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)水平分布圖，發(fā)現(xiàn)西北太平洋副熱帶高壓偏北。通過(guò)繪制位勢(shì)高度區(qū)域指數(shù)序列，發(fā)現(xiàn)2018年7月西北太平洋副熱帶高壓偏北異常為1958年以來(lái)歷史最高值。初步推斷副熱帶高壓異常偏北是2018年7月東北亞極端高溫的主要環(huán)流因子。

利用CDDAS開(kāi)展相應(yīng)數(shù)值模擬的動(dòng)力診斷分析。在相似年定義中，考慮到2018年7月東北亞高溫為歷史極值，僅選取2018年當(dāng)年為相似年。在關(guān)鍵區(qū)選取中，通過(guò)繪制海溫異常，發(fā)現(xiàn)2018年夏季在北大西洋海區(qū)海溫呈顯著的三極子異常分布結(jié)構(gòu)，由此選取北大西洋區(qū)域海溫作為關(guān)鍵因子(圖9)。同時(shí)也選取印度洋和太平洋多個(gè)區(qū)域作為海溫關(guān)鍵區(qū)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)作為對(duì)照，但這些區(qū)域海溫的模擬結(jié)果均未能展示出東北亞極端高溫的形態(tài)和相應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)，故后期排除了這些區(qū)域海溫異常對(duì)當(dāng)年?yáng)|北亞極端高溫的可能影響。需要說(shuō)明的是，該試驗(yàn)中海冰設(shè)為氣候態(tài)，即海冰異常為0。在數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置中，選用ECHAM5模式，進(jìn)行16組集合試驗(yàn)。在數(shù)值試驗(yàn)運(yùn)行中，可隨時(shí)查看作業(yè)進(jìn)度。在模擬結(jié)果分析中，通過(guò)繪制氣溫和位勢(shì)高度異常的水平分布(圖10)，發(fā)現(xiàn)北太平洋三極子海溫異常導(dǎo)致歐洲上空的異常大氣波源，該波源通過(guò)向東傳播的大氣定常波列導(dǎo)致西北太平洋副熱帶高壓北抬，進(jìn)而形成東北亞極端高溫事件。

圖9 2018年7月北大西洋海溫異常Fig.9 Sea surface temperature anomalies in the North Atlantic during Jul 2018

圖10 2018年5—7月北大西洋海溫異常強(qiáng)迫下大氣環(huán)流模式(ECHAM5)模擬的7月2 m氣溫異常(a)和200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常(b)Fig.10 Temperature anomalies of 2 m(a)and geopotential height anomalies of 200 hPa(b)in Jul 2018 simulated by ECHAM5 with the forcing of sea surface temperature anomalies in the North Atlantic from May to Jul in 2018

續(xù)圖10

CDDAS主要優(yōu)勢(shì)在于便捷快速地進(jìn)行診斷分析，得到影響氣候異常的最可能潛在因子(這里為北大西洋海溫異常)。

6 小 結(jié)

氣候動(dòng)力診斷和數(shù)值模擬是認(rèn)識(shí)氣候變化規(guī)律、提高短期氣候預(yù)測(cè)與科學(xué)決策服務(wù)水平的重要手段。自主研發(fā)的氣候動(dòng)力診斷和分析系統(tǒng)(CDDAS)較傳統(tǒng)的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯：

1)CDDAS提供數(shù)據(jù)更新備份、動(dòng)力診斷、多模式數(shù)值模擬、結(jié)果分析等4個(gè)功能模塊，這些模塊相互關(guān)聯(lián)，為數(shù)值模擬動(dòng)力診斷自動(dòng)化提供保障。實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端、服務(wù)器端、超級(jí)計(jì)算機(jī)三者之間的數(shù)據(jù)流雙向通信，實(shí)現(xiàn)氣候動(dòng)力診斷和數(shù)值模擬的實(shí)時(shí)交互。

2)CDDAS關(guān)鍵技術(shù)包括可視化編輯管理、遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言和系統(tǒng)及數(shù)據(jù)更新的自動(dòng)化等。該系統(tǒng)應(yīng)用可視化編輯和遠(yuǎn)程交互控制腳本語(yǔ)言，構(gòu)建與其他氣象分析和模式系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)，提供天氣氣候動(dòng)力診斷分析和多模式模擬功能及二次開(kāi)發(fā)接口，便于功能擴(kuò)展和更新，具有較好的可擴(kuò)展性和便捷性。提供的可視化技術(shù)和腳本語(yǔ)言方便用戶(hù)自行維護(hù)系統(tǒng)。

3)CDDAS在次季節(jié)-季節(jié)監(jiān)測(cè)診斷分析中有效提高了氣候動(dòng)力診斷效率，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，是氣象科研成果向業(yè)務(wù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化中一種有效的支撐工具。