评估的埃塞俄比亚高原夏季天气预报耦合模型

文摘

本研究评估季节性降雨的预测和埃塞俄比亚高原对面的最高温度在1981 - 2006年期间耦合的整体模型,与网格相比观察产品(NMA + GPCC / CRU3)。赛季初从耦合预测系统预测(CFS)比欧洲共同体稳定中程预测(ECMWF)。CFS和ECMWF 4月6月预测(环流)降雨量达到显著的健康(0.25职责。),但ECMWF预报往往与干旱低估了一个狭窄的范围。赛季初环流最大温度较弱的预测模型;因此预测水资源收益可能比损失。季节性气候预报的一个目的是确保农作物产量跟上埃塞俄比亚不断增长的人口。农民使用预测技术更明智的避免风险在干旱年和生成湿年盈余。

1。介绍

农业生产计划通常是在一系列的气候条件,考虑每十年洪涝或干旱的可能性。商业农场主获得技术和金融,而农民得到本地资源(1- - - - - -4]。根据粮农组织统计,目前76%的埃塞俄比亚的8800万人15%的土地上从事农业。地形雨和丰富的植被(图1(一)),但人口密度> 100人/公里²和作物产量< 2吨/公顷粮食供应带来了压力。干旱,例如在1992 - 1993和2002 - 2003年,造成营养不良,要求国家援助7 - 10几百万人5]。

在非洲东北部气候观测网络,虽然足够的(图1(b)),从公民不稳定和金融约束。虽然大气观测卫星补充,季节性预报模型需要在上层海洋测量。这些都是增强通过全球海洋观测系统(6,7)扩展的浮标和流浪者在非洲([8),图1(c))。新的表面通量数据通过卫星对耦合模型可用蒸腾,估计土壤水和海洋风。

气候的可预测性是部分归因于太平洋厄尔尼诺南方涛动(ENSO)及其上覆纬向环流(9]。在ENSO暖阶段,对流在大多数非洲国家是抑制10,11)和温水利差向西穿过印度洋(12- - - - - -14]。大西洋经向海洋温度影响西非对流(偶极子15]。三个热带海洋盆地各有不同的节奏,那可能会影响或相辅相成的16]。除了大尺度海气耦合,有当地来源迫使可以改变气候信号传入的。这些来自地表通量之间的快速反馈和低层大气17]。十年降雨周期在埃塞俄比亚被发现(18)向东缓慢移动的空气压力波(16],季节性预测即使在ENSO过渡提供了机会。埃塞俄比亚国家气象局(NMA)和区域气候前景论坛(GHACOF)使季节性预测自1990年代使用统计方法[19]。可以针对这些集成目标,如作物产量(20.]或河流量但假设历史复制的缺点。最近耦合的整体模型测试和用于季节性预测(21]。

除了纬向环流,哈德利细胞诱发大量年度周期在埃塞俄比亚:土壤水分消耗1月和6月后补充后,当赤道槽达到最北的极限。鉴于高原作物种植和收获10月6月,用户需要在暖春季节季节性预测(3)。本研究评估耦合的整体模型预测(如[22,23]),认为埃塞俄比亚气候波动的影响因素,并讨论了潜在的应用。

2。数据和方法

回顾从耦合的整体模型预测与6月到8月环流)观察1981 - 2006年期间使用数据从气候资源管理器网站(http://climexp.knmi.nl)。模型包括CFSv2(耦合预报系统,24])和ECMWFv3(欧洲共同体中期天气预报,25,26])。三个观察产品作为参考:NMA插值雨量计(27),GPCCv5降雨(全球降水气候中心,28,29日])和CRUv3(气候研究单位,30.)最高温度,根据每月50公里网格站数据。补充观测包括低分辨率satellite-interpolated降雨GPCPv2(全球降水气候学的项目,31日,32从慢性疲劳综合症])和高分辨率可利用33]和ECMWF [34]。相互比较的高地area-average (7-14N 36-40E) NMA降雨插值收益率GPCCCFS CRU3 GPCP 0.92, 0.85, 0.71, 0.54和ECMWF,连续1981 - 2006年的月度数据。形成了观察高原环流降雨数据集,NMA, GPCC异常是平均的。

评估耦合的整体模型,预测和观察之间的相关性环流季节性降雨和最高温度(Tx)分析了异常在不同交货期从1月到6月,第一次和第二次样品(断点1993)的一半。相关地图计算确定模型性能的空间格局,在时间趋势评估使用高地7-14N和36-40E的平均值。这个目标是大到足以捕获气候信号在很长的时间内单一的气候制度(35]。在季节性模型评估,达到统计学意义(90%置信)26自由度。散点图的预测和观察到的环流异常对边坡进行评测,范围和异常值。使用异常有助于抵消平均偏差和操作离职的预测是一致的。全球信号驱动当地气候波动的相关性进行了研究摘要(36纬向风,温度、湿度、和垂直运动在高原南北垂直切片。卫星植被(NDVI)数据(37标准差)进行了分析,衡量农业脆弱性年度同比波动。

3所示。结果

3.1。环流模式和年度周期

1981 - 2006年的气候学的降雨和最高温度模拟和观测数据中所示2(一个)和2 (b)。CFS和ECMWF模式表现出凉爽潮湿的偏见而CRU3和GPCC / GPCP观察环流季节(例如,Tx ~ 2°C以下观察,毫米/天以上)。模型的输出可能是“真正的”鉴于大多数观测被城市机场位于温暖干燥的峡谷。ECMWF环流降雨模式改变了远东,这表明地形隆起在悬崖上40 e是夸大了。CFS环流最高温度模式是交通便利但很酷。的年度周期模型输出遵循和Tx观察(数据2(一个)和2 (b))。ECMWF太多的雨水在环流(符合[23]),而CFS反映早期出现降雨符合观察到季节性的形状。这两个模型都采用最高温度的年度周期以冷静的偏移量。ECMWF和CFS Tx气候学匹配在雨季,但ECMWF温暖在旱季和接近CRU3观察。

3.2。空间的性能

慢性疲劳综合症相关的地图和ECMWF模式输出GPCC和CRU3观察1981 - 2006年期间在图33月和4月的预测。CFS降雨量的预测达到统计学意义在东北部和南部高地但不是在东部和西部高。雨ECMWF预报只有重要的东北部和西南部实际上负高地尤其是在3月。最高温度的预测都弱于降雨模型。CFS获得重要值在中央高地淡出在3月4月,虽然ECMWF Tx预测仅仅是重要的在南部高地和弱或负在北方。预测更适合比Tx,表明模型分辨率(~ 1°)并不是一个问题。

3.3。时间性能

条形图之间的高地area-averaged相关性预测和观察和Tx预测发布从1月到6月在图4。CFS环流降雨预测是温和的,而且与ECMWF(图4(一)),4月后,符合Ndiaye et al。21萨赫勒地区]。ECMWF降雨预测(图4 (b))3月下降和上升。CFS area-averaged环流最高温度(图3月预测软弱和崛起4 (d)),而ECMWF Tx预测从3月开始在1月和衰退(图4月4 (e))。预测显示轻微的改善随着时间的推移(图4 (c))主要为CFS最高温度,可能由于改进卫星和海洋测量(模型技术是固定的)。赛季初的稳定性预测评价图4 (f),在看到1月预测的CFS输出保持稳定和Tx。然而ECMWF预测1月下滑2月和3月后建议更好的价值。人们认为太平洋ENSO的季节性疲软38与大西洋和印度洋[]和模棱两可的耦合39)不稳定的原因。

散点图area-averaged CFS 3月和4月ECMWF预报和观测环流季节性异常数据中所示5(一个)- - - - - -5 (d)。很明显,ECMWF预报的范围窄和Tx因此倾向于平均超过CFS。ECMWF降雨预测表现出一个合适的1:1斜率与1984年干旱是局外人。CFS降雨预测分布,显示最高(27%),但平面0.29斜率表示over-prediction。惊喜地,Tx预测过于分散在两个模型,因此有无关紧要的合适(10%)。考虑到离群值:CFS预测Tx太温暖的1986年,ECMWF预报Tx太温暖的1994年。两种模型under-predict 2002年预测中性条件而不是干旱。的散点图equations-of-fit建议潜在的调整操作模型输出。

3.4。气候信号

熟练的预测依赖于模型能够模拟海气耦合和传播全球环流异常东北非洲(9,40- - - - - -43]。1981 - 2006年期间,模型模拟的年际变化迫使值得关注。Quasi-Biennial振荡(QBO 30 mb热带纬向风)和ENSO(太平洋海温EOF1)指标与关键变量在南北片研究区域(数据6(一)和6 (b))。都表现出非常相似的模式。在西方阶段QBO ENSO和温暖的阶段,东风加速低于500 mb,开车离开刚果水分。下沉运动温暖低层大气,而西风超过300 mb剪切对流和抑制印度季风流出。考虑到足够的性能由CFS和ECMWF模式上面所提到的,很可能这些信号初始化和传播。然而预测技能是边缘化的混杂影响从大西洋和印度洋,和一个反对ENSO响应在埃塞俄比亚南部赤道槽变化迅速在春天44]。它是超出了本文的范围诊断评价模型。

3.5。脆弱性

考虑植被的振幅(NDVI)应对气候变化带来的影响在1981 - 2006年期间,标准差是每月计算字段和离职(数字7(一)和7 (b))。前者确定年度范围,后者年际波动。年度最大范围是苏丹边境附近的西塔纳湖,在最高温度超过35度(cf图2 (b))。年度范围较低的大型湖泊和东部低地总是温暖的地方。年际波动是最大的在南部高地和沿东部陡坡上40 e。同比变化整个北部高地的归一化植被指数很低(提格雷,阿姆哈拉)。因此在南部高地气候,东部陡坡和西方低地,使预测的吸收有食品安全的关键。

3.6。应用程序

埃塞俄比亚农业研究所(EIAR)使用季节性预测的NMA / GHACOF和CFS / ECMWF建模中心开发一个最初的赛季前景,引导农民播种面积是多少,哪些使用杂交种子。最初的前景是两月一次的更新和报告优化农业活动。商业部门带来更大的风险和更顺应技术输入比生存领域。随着赛季的进行,归一化植被指数异常剪裁区域分析(http://pekko.geog.umd.edu/usda/test/,cf。1(一))和EIAR获得直接的反馈从农场联络官员。农业气候信息网络是用来帮助农村人口避免风险在干旱年和湿年获取资源。干预措施是在种植时,在发生洪水或干旱和收集获取数据。在Melkassa EIAR实验农场,人员监测作物和开发方法来提高产量。这是至关重要的,因为一个向上的趋势~ 0.1公顷⁻¹/年埃塞俄比亚需要跟上不断增长的人口。

4所示。总结

本研究评估夏季降雨和最高温度预测了ECMWFv3和CFSv2模型(cf。22,23通过空间相关性)地图和area-averaged时序分析。参考数据组成的网格NMA + GPCC在埃塞俄比亚高原和CRU3 Tx观察7-14N 36-40E。两种模型模拟环流的意思是空间格局酷湿10%偏差,和夏季的预测关联3 - 4月积极观察从1981年到2006年。考虑到成本效益可能与模型“适合”(一半以上45),这样的技能达到CFS和ECMWF环流预测4月降雨量的大部分高地(cf数据3,4(一),4 (b))。然而,限制图的可预测性是显而易见的5,25 - 27%的方差为最高温度降水和9 - 10%。进一步工作建议理解导致赛季初期不稳定的预测,确定为什么最高温度预测弱,雇佣更健壮的参考数据(46),和制定改进的模型偏差修正能力。EIAR实验农场,数值计算和统计预测相比,利用开发缓解策略,提高作物产量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

本研究是洛克菲勒基金会项目的一部分埃塞俄比亚农业研究所Melkasa。

引用

1. p·c·斯特恩和w·e·Easterling Eds。使气候预测问题,国家科学院出版社,华盛顿特区美国,1999年。
2. r .退缩”,季节性气候预测:谁可以使用它和它应如何传播?”自然资源的视角47岁的海外发展研究所,伦敦,英国,1999年。视图:谷歌学术搜索
3. j·w·琼斯,j·w·汉森,f·s·罗伊斯,和c·d·梅西纳,“潜在的气候预报对农业的好处,”农业、生态系统和环境,卷82,不。1 - 3、169 - 184年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. g . l .锤j·w·汉森,j·g·菲利普斯et al .,“气候预测在农业中的应用的发展,“农业系统,卷70,不。2 - 3、515 - 553年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a . s . Taffessee”分解谷物产量的增长在埃塞俄比亚:农业的作用,“DFID的报告,经济学协会。,Addis Ababa, Ethiopia, 2008.视图:谷歌学术搜索
6. m . r .陪审团和m . s . j .哈里森”在非洲气候研究,战略计划”塑膜内部报告,1999年。视图:谷歌学术搜索
7. d . Roemmich和w . Brechner欧文斯,”阿尔戈项目:全球海洋观测对于理解和预测气候变化,“海洋学,13卷,不。2,45 - 50,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . j . McPhaden g·迈耶斯,k安藤et al .,“罗摩:研究停泊数组African-Asian-Australian季风的分析和预测,“美国气象学会的公告,卷90,不。4、459 - 480年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. a . Yeshanew和m . r .陪审团,”北非洲气候变化。第2部分。热带环流系统”,理论和应用气候学,卷89,不。1 - 2,37-49,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. c . f . Ropelewski和m . s . Halpert oscillation-precipitation南部量化关系,“杂志的气候,9卷,不。5,1043 - 1059年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 美国j·梅森和l·戈达德“概率降水异常与ENSO相关,”美国气象学会的公告,卷82,不。4、619 - 638年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. w·b·怀特,耦合罗斯比波在印度洋年际时间尺度,“《物理海洋学,30卷,不。11日,第2988 - 2972页,2000年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. m . r .陪审团和黄,”罗斯贝波的印度洋气候变化的关键机制,“深海研究我:海洋研究论文,51卷,不。12日,第2136 - 2123页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. t .山形,s . k . Behera j j。罗,马森,m . r .陪审团和s . a . Rao“热带印度洋海气耦合变化”地球气候:海洋大气相互作用卷,147地球物理专题系列,页189 - 212,美国地球物理联盟,华盛顿特区美国,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. p . Chang, t .山形,p . Schopf et al .,“气候波动的热带耦合系统:海洋动力学的作用,“杂志的气候,19卷,不。20日,第5174 - 5122页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. w . b .白色和y·m·图尔,”全球海温/二波,在20世纪,“《地球物理研究快报,30卷,不。12日,53-57,2003页。视图:谷歌学术搜索
17. h . Chikoore和m . r .陪审团”的降水量卫星动力学变化和植被在南部非洲,”地球的相互作用,14卷,1-26,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . r .陪审团,”埃塞俄比亚年代际气候变化。”理论和应用气候学,卷101,不。1,29-40,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. d . Korecha和a·g·Barnston”的可预测性jagatsinghpur降雨在埃塞俄比亚,”每月天气回顾,卷135,不。2、628 - 650年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. m . r .陪审团,”埃塞俄比亚高原罪气候预测:1979 - 2009,”应用气象学和气候学杂志》上,52卷,不。5,1116 - 1126年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. o . Ndiaye m . n .病房和w·m·Thiaw“季节性萨赫勒地区降雨使用这个模型的可预测性和更换模具的改进通过使用一个耦合模型,”杂志的气候,24卷,不。7,1931 - 1949年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 小时。金、p•j•韦伯斯特和j . a .咖喱“季节性预测技能的ECMWF系统4和NCEP CFSv2回顾性预报北半球冬季,“气候动力学,39卷,不。12日,第2973 - 2957页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. e .南美洲f . di朱塞佩•f . Wetterhall和f . Pappenberger“季节性干旱在非洲的预测盆地使用标准化降水指数”水文和地球系统科学,17卷,不。6,2359 - 2373年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 萨哈,s . Moorthi H.-L。潘et al .,“NCEP再分析气候预测系统,”美国气象学会的公告卷,91年,第1057 - 1015页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. j . Vialard f . Vitart m·a . Balmaseda t . n .斯托克代尔和d·l·t·安德森,“一代季节性预测方法与海洋大气耦合模式,”每月天气回顾,卷133,不。2、441 - 453年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. t . n .斯托克代尔·d·l·t·安德森·m·a·Balmaseda et al .,“ECMWF季节性预报系统3和海洋表面温度的预测,”气候动力学,37卷,不。3、455 - 471年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. m . m . Bitew和m . Gebremichael”评估卫星降水产品介质的流速及流水量模拟流域的埃塞俄比亚高地”水文和地球系统科学,15卷,不。4、1147 - 1155年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 美国施耐德,t·a·福克斯,a . Meyer-Christoffer b·鲁道夫,“GPCC全球降水分析产品,”全球降水气候学中心代表,2008年。视图:谷歌学术搜索
29. 美国施耐德,a·贝克尔,p .手指,a . Meyer-Christoffer m . Ziese和b·鲁道夫”GPCC新地表降水气候学基于原位质量受控数据及其在量化全球水循环,作用”理论和应用气候学,卷115,不。1 - 2日,15 - 40,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. t·d·米切尔和p·d·琼斯”,提出了一种改进的方法构造一个月气候观测数据库和相关的高分辨率网格,”国际气候学杂志,25卷,不。6,693 - 712年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. r·f·阿德勒·g·j·霍夫曼,a . Chang et al .,“全球降水气候学项目(GPCP)版本2月降水分析(1979年至今),“水文气象学杂志,4卷,不。6,1147 - 1167年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. g·j·霍夫曼,r·f·阿德勒·d·t·Bolvin g .顾,“改善全球降水记录:GPCP 2.1版本,”《地球物理研究快报,36卷,不。17日,文章ID L17808, 2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. 萨哈,s . Nadiga c Thiaw et al .,“NCEP气候预测系统”,杂志的气候,19卷,不。15日,第3517 - 3483页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. d·p·迪,s m . Uppala a·j·西蒙斯et al .,“ERA-Interim再分析:数据同化系统的配置和性能,”季度皇家气象学会杂志》上,卷137,不。656年,第597 - 553页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. m . r .陪审团h . Rautenbach m . Tadross和a·菲利普”评估空间尺度上的气候变化在撒哈拉以南非洲,”理论和应用气候学,卷88,不。3 - 4、169 - 177年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. e . Kalnay m . Kanamitsu et al ., r·基斯特勒公司“40年NCEP / NCAR再分析项目,“美国气象学会的公告,卷77,不。3、437 - 471年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. c·j·塔克j·e·平邹,m·e·布朗et al。”一个扩展的AVHRR 8公里与MODIS NDVI数据集兼容和现货植被NDVI数据,”国际遥感杂志》上,26卷,不。20日,第4498 - 4485页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
38. b . p . r . Wu Kirtman, h . van den Dool,“ENSO的分析预测技能CFS回顾预测,“杂志的气候,22卷,不。7,1801 - 1818年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. C.-P。Chang, p .冷雾,j .居“大西洋循环的可能角色弱化印度季风rainfall-ENSO关系,“杂志的气候,14卷,不。11日,第2380 - 2376页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. d·康威m . Krol j .阿尔卡莫和m·休姆,“未来的水在埃及:全球的互动,区域,和盆地规模的驱动力在尼罗河流域,”中记录,25卷,不。5,336 - 342年,1996页。视图:谷歌学术搜索
41. p . Camberlin“尼罗河源地区降水异常与印度夏季风和他们联系,“杂志的气候,10卷,不。6,1380 - 1392年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
42. 华盛顿和t·r·e·唐宁,”非洲降水季节性预测:预测、反应和家庭粮食安全”地理杂志,卷165,不。3、255 - 274年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
43. z . t . Segele p . j .羊肉和l·m·莱斯利”Seasonal-to-interannual可变性埃塞俄比亚/非洲之角季风。第一部分:协会wavelet-filtered大规模大气环流和全球海洋表面温度,“杂志的气候,22卷,不。12日,第3421 - 3396页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
44. e·e·里德尔和k·h·库克,”突然降水转换在非洲之角越大:观察和区域模型模拟,”地球物理研究杂志D: atm,卷113,不。15篇文章ID D15109, 2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
45. a·h·墨菲“预测验证,”天气和气候预测的经济价值r·w·卡茨和a·h·墨菲,Eds。,Cambridge University Press, Cambridge, Mass, USA, 1997.视图:谷歌学术搜索
46. 通用Tsidu”,高分辨率月降雨量为埃塞俄比亚数据库:均质化,重建和网格”杂志的气候,25卷,不。24日,第8443 - 8422页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2014马克。r .陪审团。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。