工作单位：中国海洋大学

通讯地址：青岛市即墨区鳌山卫问海中路168号

电子邮箱：szhang1665@yahoo.com

研究领域：物理海洋学数值预报模拟 

主持项目：

1. 08/2013-07/2016 NOAA Climate Program Office/ESS. $393,171 3 Co-PI

2. 07/2010-06/2013 ENKF Proj, NSF $500,000 3 Co-PI

02/2003-01/2005 Dept. of Interior $241,524 2 Co-PI

成果及获奖情况等：

取得的学术成果，及其创新点、具有的学术价值、论文引用情况、所产生的经济和社会效益等：

    用大气-海洋-海冰-陆面过程的耦合气候模式与地球观测系统相结合进行气候的可预报性和预报应用研究，不仅是一个极具挑战性的科学热点课题，同时其研究成果具有巨大的直接社会经济价值。例如,在全球暖化的背景之下,人类已布设的观测系统是否能充分地监测到局地的天气气候？如何将地球观测系统与耦合的气候模式相结合对气候变率进行高精度的评估和预报？这些问题的回答不仅可以推动气候科学研究发展，同时可以对人类生存环境的变化进行监测和预警，从而将气候科学研究直接地转化为社会经济价值。

申请人长期以来对这些问题进行了深入的研究，主持研发了世界范围内第一个耦合模式资料同化系统，该系统所做的年代际尺度的气候预报代表美国国家海洋大气管理局（NOAA）参与国际政府间气候协作组织第五次评估报告(IPCC-AR5)。目前在所有IPCC-AR5预报系统中,该系统是唯一一个能一致性地制作季节到年代际预报的系统。描述该系统的论文荣获2008年美国国家海洋大气管理局杰出研究论文奖。由于申请人持续性地在气候评估和预报研究以及系统发展方面的优秀工作,申请人在2014年被美国联邦商业部授予研究和发展金牌奖。目前申请人是气候预报模式同化领域世界范围内的领军人物。申请人所作的创新性工作及成果得到国际同行的高度评价和国际媒体的广范关注以及美国政府的重视。主要集中在下列4个方面:

1)为依据全球气候模式开展气候估计和预报提供可靠的初始化方法，系统性地创建了耦合气候资料同化理论和相应的算法

由于对地球气候系统内物理过程的理解还很不完善，虽然通过巨大的努力人类已经使得集合了大气-海洋-海冰-陆面过程于一体的耦合模式能够合理地评估温室气体效应等造成的全球气候暖化，但是模式模拟的气候分布特征和变率与实际的气候特征和变率仍存在着巨大的差距。另一方面，观测系统提供的信息受人类观测手段的限制，其提供的数据服务有如盲人摸象，往往只是观测到了气候系统的局部。为了更准确地分析、估计和理解气候演变及进行气候预报的初始化，将地球观测系统与气候模式相结合从而产生更加接近现实并具有连续空间和时间分布的气候状态是气候科学研究的一个重要组成部分。受理论和技术所限，传统的方法是将大气的观测资料融入（通过“同化”这种技术手段）到大气模式，海洋的观测资料同化到海洋模式。

    申请人通过长期的研究发现，由于没有包括地球系统各分量之间的耦合机制，传统的气候资料同化方法在气候分析和预报的精度上有着极大的局限性，从而提出全球气候模式耦合资料同化的理论和算法。进而用逐点顺次的集合卡尔曼滤波方法为NOAA发展了全球第一个气候耦合资料同化系统，并参与IPCC-AR5的气候评估报告。耦合气候资料同化维持了气候信号发展过程中的耦合机制；在资料融入过程中各模式分量保持即时的信息交换，因而可以整合地球观测系统的观测信息，使耦合模式系统中的各个分量都得到观测调整，从而达到协调和一致以及物理的平衡。耦合模式系统中各个分量之间的协调一致和物理的平衡有利于提高气候分析和预报的精度。这项重要的研究和系统开发工作获得美国国家海洋大气管理局及联邦商业部的多个奖项。发表科研论文近30篇，并被国际同行广泛引用。

2)为减小气候模式系统性误差对气候估计和预测的障碍性作用，创造性地提出耦合模式参数估计理论和算法

    气候模式中物理过程的不完善和数值方案的近似性造成气候模式总是具有系统性误差。气候模式的系统性误差导致模式模拟和预报的气候状态总是从初始的观测状态发生飘移。这极大地影响了模式的模拟能力和可预报性，也是进一步提高气候估计和预报精度的主要障碍。

    申请人从信息估计理论出发，与合作者一起创造性地提出将耦合模式参数估计引入到耦合资料同化系统中的一整套理论和算法，可以有效地减小模式系统性误差并极大的减小它对模式模拟和预报的影响。这个成果开创了一个研究气候模式可预报性的新方向，引起欧洲研究指导委员(Europe Research Council)和美国国家自然基金委的重视，并开始提供研究经费鼓励广泛开展这个领域的专项研究。作为该研究领域的倡导者和世界领军人，申请人已发表的13篇科研论文将会成为该领域今后研究的重要指导方针。

3)为理解台风对全球和区域气候预报的影响，提出了一种包含海洋对台风调制作用的气候模式矫正方案

    气候分析和预报中另一个极具挑战性的课题是如何重建历史上的台风分布和时间变化，进一步理解历史上的台风活动对全球气候变迁的影响。由于将观测资料同化进入模式的过程具有平滑性质，当过去的全值调整资料同化方法用于高分辩气候模式的分析和预报时，象台风这样的较小尺度的扰动就被资料同化过程平滑掉了。台风这种强对流天气与大尺度环流的相互作用的缺失不仅限制了人们进一步理解历史上的台风活动及其对气候的影响，而且必然会对气候模式的预测精度产生影响；再者当模式预报始于没有台风活动的初始条件时，初始条件的不精确会导致额外的预报误差。在理解了大气中大尺度背景环流对中小尺度扰动的调制作用基础上，申请人提出了一个“大尺度背景调整方案”来解决这一经典的科学难题。提出的新方案在用观测信息较正模式状态的同时，能够把台风活动的空间分布和时间变率正确地反演出来，从而提高了气候分析和预报的精度。更重要的是，通过对新方案产生的气候估计的诊断分析，申请人发现，由于台风活动强化了热带海洋的混合效率，海洋作为一个整体提高了热含量，因而能够影响较长时间的气候变率，相应的具有台风活动的初始条件能够提高气候模式的可预报性。美国国家海洋大气管理局高度评价（highlight）这项研究成果，指出它不仅对理解高分辩气候模式的可预报性方面作出了重要贡献，同时对推进无缝隙天气-气候预报研究起到了重要作用。

4)首次将沿海港口的海面高度极端异常变化与受全球暖化影响的大尺度海洋环流联系起来，颠覆了人们对短期海平面高度变化的传统理解

申请人与其合作者在Nature Communications上发表的关于纽约港2009-2010年间海平面高度突然升高128毫米的机制分析文章颠覆了人们对短期海平面高度变化的机制理解。传统的理论认为像年际这样的短期尺度的海平面高度变化通常只与大气环流变化和海表海流变化相关，因此它的可预报性很小。他们首先揭示，这次海表高度在两年内突然升高128毫米，是历史上850年一遇的罕见事件。通过对模式模拟结果和结合观测信息的耦合资料同化结果的分析发现，与通常的海表高度异常变化不同，这次事件有30%的贡献来自于北大西洋经向翻转流的突然变慢。北大西洋经向翻转流是一个有着全球尺度影响力的海洋热盐输送环流，它本身受全球暖化的影响而变慢，受海洋大气耦合系统内部变率的影响，这次突然变慢是一个在全球暖化变慢基础上的一个加强。北大西洋经向翻转流与大尺度的海洋温盐结构和全球气候条件相关，因此有较长时间尺度的可预报性。这项研究首次将沿海港口的海面高度极端异常变化与能受全球暖化影响的大尺度海洋环流联系起来。这一方面预示在全球暖化的背景下，一些像纽约这样的港口城市海面高度异常升高事件发生的频度有可能升高。同时也表明，为像纽约这样的港口城市，对海面高度异常升高造成的海水倒灌引起的洪涝灾害提出预警是有可能的。因此，该项研究成果具有很大的潜在社会经济价值，受到超20家的媒体广泛关注和报导以及美国政府的重视。