Extended Range Forecast Experiment Based on Intraseasonai Oscillation

2～4周的延伸预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向.本文以江淮梅雨区降水为例,在利用集合经验模态分解(EEMD)及多变量EOF方法获取梅雨区降水及其影响系统低频信号的基础上,采用最优子集回归方法、经验波传播(EWP)方法及全球海气耦合模式产品,对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行了预报和试验,以期为建立延伸期预报业务提供科学依据.试验结果表明:(1)大气季节内振荡对梅雨区降水的延伸预报具有重要的应用价值,可能是联系天气过程和异常的重要系统.(2)通过EEMD方法提取前期降水演变及影响因子的季节内振荡信号,采用最优子集回归统计学方法对梅雨区逐候降水量演变进行超前30天预报是有可能的.(3)EWP经验动力方法对热带ITCZ活跃异常的未来40天东传可能具有较好的预报效果,还可能较好地预报出延伸期的梅雨区风场距平演变,具有一定应用价值.(4)全球海气耦合动力模式输出产品在延伸期环流形势趋势预报及20天左右的MJO指数预报方面有一定的参考价值.     

基于MJO的延伸预报

近10年来,2～4周的延伸预报成为天气和气候业务预报发展的一个方向。目前比较有效的方法是根据季节内振荡的传播,尤其是MJO振荡(30～60天周期)的传播来制作延伸期预报。国际上一些天气-气候预报中通过数年的业务试验已取得了初步结果。作者首先介绍了MJO振荡及季风的季节内振荡(MISO)特征,并从季节内振荡与中纬度相互作用的角度讨论了制作延伸预报的理论依据;进一步对延伸预报的可预报性、预报方法及国内外业务应用进展进行了综述,并以江淮梅雨为例探讨了我国延伸预报的可预报性及信号;最后阐述了延伸预报的发展趋势。     

东亚梅雨季节内振荡的气候特征

影响中国、日本、朝鲜半岛的东亚梅雨是夏季风向北推进过程中的特有雨季。利用NCEP/NCAR逐日再分析资料、CMAP降水资料,将夏季风影响及夏季风降水的季节转换相结合,定义东亚梅雨的入、出梅指标;进而采用集合经验模态分解信号提取方法对东亚梅雨区降水季节内振荡及其大尺度环流条件的气候特征进行了详细分析;并对东亚梅雨季节内振荡对降水事件的指示作用进行讨论,为东亚梅雨区降水的延伸预报提供依据和参考。研究结果表明:(1)采用标准化候降水量的空间覆盖率,同时兼顾夏季风影响等条件确定的东亚梅雨入、出梅划分指标可较好地反映东亚梅雨的气候特征及东亚梅雨期的大尺度环流形势。(2)东亚梅雨全年降水量存在三峰型分布特征,峰值分别位于第27、36及47候。该三峰型特征主要受10—20及30—60d的低频振荡影响。比较而言,30—60d振荡对梅雨区降水三峰型的贡献较10—20d振荡大。(3)东亚梅雨区峰值降水与热带环流及北方高位涡冷空气输送的低频演变密切关联。在梅雨区北侧,中高纬度里海附近冷空气(高位涡)低频波列的东传及鄂霍次克海高位涡的西南向输送共同影响东亚梅雨区。在梅雨区南侧,通过热带低频异常强对流的激发作用,热带西太平洋至中国东北—鄂霍次克海地区形成沿经向分布的低层气旋-反气旋-气旋-反气旋波列,进而导致梅雨区低层形成低频偏北风和偏南风的辐合;而印度西海岸和阿拉伯海地区异常对流活动产生的波列向东北方向传播,亦对梅雨区低频峰值降水产生影响。对于低频谷值降水的大气低频演变,情况与上述基本相反。(4)东亚梅雨区降水不同位相下出现极端降水事件的概率有明显差异。梅雨区降水低频峰(谷)值位相下出现异常多(少)降水量的概率约为30%。因此,上述梅雨区降水低频振荡演变相关的大气低频振荡特征对梅雨区降水事件的延伸预报具有参考价值。     

大气季节内振荡在华南降水预报中的应用

大气季节内振荡(ISO)在天气气候演变中扮演着重要角色,是中期和延伸期预报可预报性来源之一,同时大气ISO的年际变化与区域季节降水量的年际变化密切联系,对短期气候预测有指示意义。对热带大气ISO的年际变化研究做了简要回顾;重点介绍了ISO对华南降水的影响及其业务应用情况,主要包括赤道MJO对华南降水的影响、基于准两周振荡的汛期暴雨过程预报、热带ISO与热带外系统多尺度相互作用对强降水的影响、ISO对季节降水的影响、基于ISO建立的降水延伸期定量预测模型;最后对进一步加强ISO应用研究提出了几点思考。     

10~30 d延伸期可预报性与预报方法研究进展

10~30 d延伸期的可预报性既依赖于初始条件,也与缓变的下垫面有关,寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征,识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展,提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明,海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离,基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报,表现出一定的预报技巧。     

大气低频振荡与延伸期预报

为了能从大气低频振荡角度研究延伸期降水过程预报问题,引入了一种新的预报方法—低频天气图,并且分析了低频天气图的技术要点和技术方法。在低频天气图上,低频天气系统(低频气旋和低频反气旋),以及它们的活动特性可以被用来定性地确定南、北气流(暖、冷空气)的汇合,引起降水过程。2009年6~10月利用该方法进行上海地区延伸期降水过程预报表明,强降水过程预报效果较好,且预报时效为15~45天,可以在延伸期业务预报中应用。     

大气季节内振荡的研究进展及其在延伸期预报中的应用

回顾和总结了大气季节内振荡(ISO)的主要研究成果,尤其是新近的研究成果,主要包括大气ISO 的基本特征和活动规律、与ENSO 的相互作用、动力学机制及其对我国天气和气候的影响;重点讨论了季节内振荡在延伸期预报中的可能应用,并从季节内振荡的角度提出了制作延伸期预报的思路和流程.     

上海梅汛期候降水异常的低频信号及延伸期预报

提高汛期降水过程的延伸期预报能力是目前天气预报和气候预测发展的重要方向。本文以上海梅汛期降水为例,利用非传统滤波方法提取多变量季节内分量,分析了梅汛期季节内候降水异常及其相联系的延伸期关键低频信号,进一步综合多变量低频信号建立了梅汛期候降水异常延伸期预报方法,并开展了多年的回报和试报检验。结果表明:①梅汛期候降水异常季节内分量具有显著的40～60d低频振荡周期,与降水异常实况具有显著的正相关和较高的符号一致率;②梅汛期季节内候降水异常与超前10～35d的热带及中高纬低频信号有关,主要包括:热带MJO(Madden Julian Oscillation)自阿拉伯海的向东传播、西太平洋副热带高压季节内活动的西北向传播、PNA(Pacific-North American)遥相关型的季节内位相转换以及东北亚冷空气的持续性异常影响;③综合上述多变量低频信号建立了延伸期候降水异常预报模型,对提前10～35d的延伸期候降水异常的季节内分量具有预报技巧,也能较好地预报实际的候降水异常趋势。     

Experimental 15-day-lead statistical forecast of intraseasonal summer monsoon rainfall over Eastern China

1996年长江中下游、2002年华中南部以及2006年华南沿海地区出现了显著洪涝,并均伴随强季节内降水活动。在30–60天和10–20天这两个时间尺度上,季节内降水异常均与亚洲季风区大气季节内振荡密切相关。本文选取亚洲季风区大气季节内振荡的关键要素作为预报因子,应用贝叶斯小波频段方案对季节内降水进行了预报时效为15天的延伸期预测。该方案对这三年的季节内降水中心的预测水平均较好,预测与观测的季节内降水相关系数均在0.6以上。     

1991年江淮梅雨与副热带高压的低频振荡

利用NCEP/NCAR再分析资料和观测的台站降水资料研究了1991年梅雨期间江淮洪涝区降水的季节内振荡及其环流特征,着重考察了不同层次副热带高压的低频变化与降水的关系。小波分析表明1991年江淮梅雨期间降水低频振荡的主周期是15~35 d。在低空,15~35 d振荡以异常反气旋(气旋)的形式在中国东南沿海地区交替出现,调控着西太平洋副热带高压进入(退出)南海。低空的这种低频环流型与高空的偶极型涡旋对相耦合,偶极型涡旋对使得南亚高压东伸(西退),形成有利(不利)江淮流域降水的环流形势。江淮流域降水的低频振荡与500hPa北太平洋副热带高压的低频变化及其传播密切相关。当北太平洋西部的位势高度偏高、中部位势高度偏低时,江淮流域降水偏多;反之偏少。这种低频振荡可能起源于北太平洋中部夏威夷群岛附近,然后沿着副热带高压脊线附近向西传播到中国东南沿海。     

MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程延伸期预报的影响分析北大核心

通过对贵州省主汛期季节内振荡(Intra-Seasonal Oscillation,ISO)活跃年进行低频对流场和降水的合成分析,确定了影响贵州主汛期ISO和降水的热带印度洋(Indian Ocean,IO)低频对流关键区和南海(South China Sea,SCS)低频对流关键区,并利用MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程开展了延伸期预报试验。将贵州省主汛期ISO位相划分为发展、峰值、减弱、抑制、谷值和恢复6个位相,发现贵州主汛期ISO活跃年的降水与本地区低频对流具有较好的对应关系,即在峰值位相时低频对流最强、降水正异常强度最强;在谷值位相时低频对流最弱、降水负异常强度最强。同时,热带和副热带低频对流场在贵州主汛期ISO波动的第1、4位相、第2、5位相及第3、6位相均呈反位相特征。在热带印度洋低频对流发展、并东传的过程中,有两条传播路径分别激发了孟加拉湾西南季风ISO活跃和南海热带季风ISO活跃共同影响贵州主汛期降水;在贵州主汛期有3个低频对流活跃期,IO关键区和SCS关键区ISO都有3次提前的低频对流加强。基于上述研究,分析MJO活动轨迹对贵州主汛期区域强降水过程的影响,发现热带印度洋MJO活动中心强度在贵州区域强降水过程发生前15 d~前3 d具有较好的持续性预报信号,提前9 d时正相关性最好。与延伸期预报业务规定的预报时段(未来11~30 d)相结合,通过确定贵州典型区域强降水过程发生前(提前量为10 d)至过程结束时段的MJO活动轨迹在历年中的最相似时段,发现MJO活动中心轨迹和强度对贵州区域强降水过程的趋势预报具有较好的指示意义。     

Influence of the Madden Julian Oscillation on precipitation and surface air temperature in South America

The regional influence of the Madden–Julian oscillation (MJO) on South America is described. Maps of probability of weekly-averaged rainfall exceeding the upper tercile were computed for all seasons and related statistically with the phase of the MJO as characterized by the Wheeler–Hendon real-time multivariate MJO (RMM) index and with the OLR MJO Index. The accompanying surface air temperature and circulation anomalies were also calculated. The influence of the MJO on regional scales along with their marked seasonal variations was documented. During December–February when the South American monsoon system is active, chances of enhanced rainfall are observed in southeastern South America (SESA) region mainly during RMM phases 3 and 4, accompanied by cold anomalies in the extratropics, while enhanced rainfall in the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) region is observed in phases 8 and 1. The SESA (SACZ) signal is characterized by upper-level convergence (divergence) over tropical South America and a cyclonic (anticyclonic) anomaly near the southern tip of the continent. Impacts during March–May are similar, but attenuated in the extratropics. Conversely, in June–November, reduced rainfall and cold anomalies are observed near the coast of the SACZ region during phases 4 and 5, favored by upper-level convergence over tropical South America and an anticyclonic anomaly over southern South America. In September–November, enhanced rainfall and upper-level divergence are observed in the SACZ region during phases 7 and 8. These signals are generated primarily through the propagation of Rossby wave energy generated in the region of anomalous heating associated with the MJO.     

MJO对春季中国东部大气环流和降水的影响

利用再分析资料分析了MJO（Madden-Julian Oscillation）不同位相对春季中国东部降水的影响。结果表明：MJO处于位相3时对应长江及其以南地区降水增多,处于位相7时该区域降水减小。当热带MJO对流从位相1东传至位相4,与其相伴的北向辐散辐合流会在印度东北部—长江及副热带西北太平洋地区的对流层中低层产生明显的辐合异常,且在MJO位相3时中国东部的辐合异常达到最大。从Rossby波源角度分析,这种辐合异常会增强对流层中低层气旋性环流,导致MJO处于位相3时长江流域及其以南地区降水增多。同时,利用现代次季节和季节预报业务系统探讨了MJO与降水的关系对降水预报技巧的影响,发现预报降水和再分析产品的相关系数在MJO处于位相3和7时有所增加。     

RELATIONSHIP BETWEEN SUMMER LOW-FREQUENCY RAINFALL OVER SOUTHERN CHINA AND PROPAGATION OF TROPICAL INTRASEASONAL OSCILLATION

This study investigates the relationship between summer low-frequency rainfall over southern China and tropical intraseasonal oscillation (ISO) in the atmosphere by examining systematically the propagation features of the tropical ISO in terms of focusing on five large-scale low-frequency rainfall regimes in summer over southern China. It is demonstrated that there is a close linkage between the five rainfall regimes over southern China and the northward propagation of the tropical ISO. The moist ISO signals, which influence the low-frequency rainfall events in different regions of southern China, mainly propagate northwestward from the tropical ocean to the southeast of China. The southeast China rainfall regime is intimately associated with the moist ISO signals propagating northwestward from the equatorial mid-western Pacific Ocean. For both the Yangtze River regime and South of Yangtze River regime, the moist ISO signals over the northern South China Sea show an evident northward propagation towards the Yangtze River region, and then propagate westward. It is further found that the interaction between the northward propagation of low-latitude ISO signals and the southward propagation of high-latitude ISO signals can also make a clear influence on the low-frequency rainfall in southern China. For the Southern China regime, the moist ISO signals show a significant northward propagation from the Philippines. Moreover, for the rainless regime, southern China is under dry ISO signals’ control, and the latter shows no clear propagation to southern China. This study may provide insights for the extended-range forecasting of summer rainfall in southern China.     

CFSv2在湖北省梅雨特征量延伸期预报中的应用

利用NCEP的气候预报系统第二版(CFSv2)提供的逐日降水模式资料,采用集合预报方法开展区域性夏季降水预报,使用出入梅日期均方根误差(RMSE)、准确率(ACCU),梅雨期长度均方根误差(RMSE)及梅雨雨强距平符号一致率(Pc)等3种方法评估模式资料对湖北省梅雨特征量的预报能力。结果表明:入梅预报提前13 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,出梅预报提前14 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,梅雨期长度预报提前14天的RMSE小于5 d,梅雨雨强预报提前14 d的Pc可达0.5以上。梅雨特征量总体预报时效为14 d左右,CFSv2模式资料对区域性夏季降水在梅雨延伸期时段表现出一定的预报技巧。     

时空投影法在上海地区梅汛期降水延伸期预报中的应用

本文基于2001—2010年上海市11个基本气象站的逐日降水量和澳大利亚气象局的逐日大气低频振荡(MaddenJulian Oscillation,MJO)指数(包括RMM1和RMM2)资料,选取MJO指数作为预报因子,上海地区梅汛期降水量作为预报对象,建立了基于时空投影法(spatial-temporal projection model,STPM)的上海地区梅汛期降水延伸期预报模型。利用该模型对近6年(2011—2016年)的梅汛期降水进行回报试验,其预报技巧评估结果表明:该模型对未来10～25 d的降水具有较好预报效果,可较准确地预报出梅汛期3/4左右的降水量级和降水发生时段。其中,预报时效为10～20 d的预报技巧较高,而提前21～25 d的预报技巧略有下降。总体而言,基于MJO活动的STPM预报模型在上海地区梅汛期延伸期降水预报中具有较好的参考价值。