东亚夏季风次季节变化研究进展

东亚夏季风次季节（10~90 d）变化是中国夏季持续性强降水、高温热浪等高影响天气事件的重要环流载体,处于天气预报上限和气候季节预测下限之间的预报过渡区。研究表明:东亚夏季风次季节变化是东亚夏季风的固有物理特征,它和季节进程之间的时间锁相关系是东亚夏季风次季节变化潜在可预报性的重要来源。东亚夏季风次季节变化与Madden-Julian振荡（MJO）存在显著差异,试图通过MJO来预测东亚夏季风次季节变化的不确定性较大。东亚夏季风次季节预测的另一重要来源是下垫面外强迫,包括欧亚大陆春季积雪、中国东部春季土壤湿度和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件。此外,去趋势偏-交叉相关分析统计方法能够分析东亚夏季风多因子和多时间尺度问题。目前,亟需解决的科学问题包括:东亚夏季风次季节模态的客观定量描述、造成东亚夏季风次季节模态年际变化的关键物理过程、不同外强迫因子对东亚夏季风次季节模态的共同影响。     

国家气候中心MJO监测预测业务产品研发及应用

热带大气低频振荡 (MJO) 和北半球夏季季节内振荡 (BSISO) 对全球范围天气气候事件有重要影响,是次季节-季节 (S2S) 预报最主要的可预报性来源之一。国家气候中心 (BCC) 基于我国完全自主的T639全球分析场数据、风云三号气象卫星射出长波辐射 (OLR) 资料以及BCC第2代大气环流模式系统的实时预报,发展了MJO实时监测预测一体化业务技术,建立了ISV/MJO监测预测业务系统 (IMPRESS1.0),已投入实时业务运行,在全国气象业务系统得到应用。该文着重介绍该系统提供的MJO和BSISO指数监测预测数据和图形产品,并描述了这些业务产品在2015年对MJO典型个例的实时监测预测应用情况。监测分析和预报检验表明,基于我国自主资料的监测结果能够较为准确地表征MJO和BSISO指数的振荡和演变过程,该系统对MJO和BSISO事件分别至少具备16 d和10 d左右的预报技巧。因此,基于IMPRESS1.0的MJO/BSISO监测预测一体化业务产品可为制作延伸期预报提供重要的参考依据。     

次季节—季节(S2S)预测数据分析与应用

S2S（Sub seasonal to Seasonal）国际合作计划的主要目标是提升次季节〖CD*2〗季节多模式预测能力，重点关注0～60 d的预报预测技巧。中国气象局承担了S2S数据的归档备份任务，收集参与该计划的11个中心S2S模式数据，本文梳理了该数据资源的基本情况，介绍了数据的模式、要素及文件，研究了数据的读取和分析方法，评估了数据的正确性、完整性和时效性，运用模式回算数据，计算候、周、旬时间尺度的预测值和距平值，开展了相关数据产品的可视化工作，对照同期ECMWF距平图形产品进行分析，推动S2S数据产品在中国气象局预报预测业务中应用。     

11个S2S模式对MJO预报效果的评估分析

利用次季节—季节预报研究计划(Subseasonal to Seasonal Prediction Project, S2S)的多模式产品集,系统评估了产品集中11个模式对MJO的实际预报技巧。如果以距平相关系数ACC为0.5作为有效预报技巧的阈值,S2S各模式的MJO实际预报时效为8～32 d。S2S各模式预报普遍低估了MJO的振幅强度,且预报的MJO传播速度偏慢。通过分析发现,在一个集合预报系统中,集合离散度与均方根误差越接近,它的MJO预报技巧越高。此外,分析S2S各模式MJO预报技巧对起报时间、季节和起报时MJO信号强弱的敏感性发现,当起报时间为冬季且起报时MJO为强信号时,MJO的实际预报技巧较高。     

北京气候中心次季节-季节预测系统对西南地区夏季降水次季节预报技巧评估及误差订正

利用北京气候中心(BCC)次季节-季节(Sub-seasonal to Seasonal,S2S)预测系统20年(1994-2013年)回报试验数据,在评估BCC S2S预测系统对中国西南地区夏季降水次季节预报性能基础上,进而采用基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的误差订正方案对预测结果进行订正。结果表明:BCC S2S预测系统对西南地区夏季降水的次季节预报技巧随起报时间的提前不断下降,在起报时间提前10天以内具有一定预报技巧,而在起报时间提前10天以上基本无技巧,同时存在明显的区域性和年际差异。采用SVD误差订正方案能够较好改善BCC S2S系统对西南地区夏季降水的次季节预测水平,起报时间提前0～10、11～20、21～30天原始预测结果与观测间的异常相关系数分别为0.50,0.31和0.25,订正后分别提高至0.70,0.75和0.70,同时订正后的预测结果与观测间的空间相关系数在起报时间提前0～10天提高了0.3左右,尤其对起报时间提前11～30天的预测结果改进更加明显,空间相关系数提高了0.6左右。     

预测夏季南海季节内振荡的一种新方法

通过研究印度洋热带东传季节内振荡(MJO)活动和南海地区季节内振荡(ISO)活动的关系,发现MJO与南海ISO之间存在较稳定的高滞后相关,因此有可能利用春季和初夏MJO的活动来预测后期初、盛夏南海ISO的活动。通过对MJO活动与南海地区ISO活动物理关系的揭示,有可能以季节内振荡理论为基础,对夏季南海ISO活动提前15～50天进行预测。这样的预测试验在2008年取得了成功。这种建立在季节内振荡理论物理基础上的预测方法,较单纯的经验、统计预测有一定的进步,希望能为我国短期气候预测服务提供一种新的思路和理论依据。     

基于改进版NUIST CFS1.1的热带大气季节内信号及其对中国气温降水影响的预测评估

基于南京信息工程大学次季节气候预测系统(NUIST CFS1.1),通过调整成员的大气初始化方案并优化了集合预测方案,构建了性能更优、计算成本更低的9成员NUIST CFS1.1 Pro系统。进一步基于实时多变量Madden-Julian Oscillation(MJO)指数和两类北半球夏季季节内振荡(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO)指数BSISO1和BSISO2,评估了该预测系统对热带不同季节的大气季节内振荡(ISO)的预测技巧。结果表明,NUIST CFS1.1 Pro能分别提前26、17、12 d有效预测(距平相关高于0.5)MJO、BSISO1、BSISO2,对强事件(振幅>1)的有效预测时长能分别延长到30、21、13 d。此预测性能对比国内其他最新次季节动力模式如BCC_CSM2和FGOALS-f2有一定优势,同时在与国际S2S计划的8个主要业务预测系统的技巧对比中,NUIST CFS1.1 Pro在冬季MJO和夏季BSISO1预测上处于较为领先的水平,BSISO2的预测则处于中等水平;对不同位相的计算技巧显示,冬季MJO和夏季BSISO1的2、3、6、7位相较其他位相技巧更高。进一步的分析表明,NUIST CFS1.1 Pro能提前5候准确把握冬季MJO的东传特征,并能在一定程度上预测出其对我国气温异常的影响,尤其是对位相2、3时候的冷异常预测;而在夏季,则能提前4候正确预测BSISO1的北传、西北传特征,尤其能较好地预测西北太平洋上的对流和低层环流异常,从而成功预测出BSISO1造成的我国东部地区降水异常的空间形态。然而预测的强度较观测偏弱,这需要进一步的工作来改进。     

时空投影模型(STPM)的次季节至季节(S2S)预测应用进展

随着数值天气预报技术和季节动力预报系统的发展,短期天气预报及长期气候预测的能力持续提高,然而介于两者之间的次季节至季节(S2S,两周至三个月)预测技巧偏低,成为当今气象学界和业务服务的难题。南京信息工程大学国家特聘专家李天明教授团队于2012年研发了基于时空投影技术的统计预报模型(STPM),成功地对中国大陆降水和气温距平,以及区域极端降水、夏季高温、冬季低温和西太平洋台风群发事件等高影响天气进行提前10~30 d的预报,并在国家气候中心及多个省份开展了业务应用。STPM也成功应用于台湾春雨预报、南海季风爆发和ENSO预测等季节至年际变化的预测。本文对S2S预测的理论基础、STPM的发展和应用进行了完整的介绍,并讨论了S2S预测业务中所面临的挑战和未来展望。     

MJO对我国天气气候影响的新事实

在次季节时间尺度上,热带大气季节内振荡(MJO)是全球气候变率的首要模态。MJO不仅对热带天气气候产生直接影响,还能够通过传播和激发大气遥相关等方式对热带外地区产生重要影响,成为目前次季节—季节气候预测最重要的可预报性来源。MJO对于我国天气气候影响的探索由来已久,在很多方面有了显著进展,但仍需深入研究。首先对MJO影响我国天气气候的过往研究进行了回顾,并进一步利用新的观测资料诊断分析,发现了MJO对我国气候影响的一些新事实。初步结论包括:MJO对我国冬季降水的影响主要局限在江南—华南区域,而夏季扩展到南方和青藏高原地区;对冬季气温的影响较大,其范围覆盖了东北、华北以及西部广大区域,而夏季解释方差有所减小,其区域位于除了黄河流域以外的广大地区;在去掉高频噪音后,纯粹MJO信号对我国主要区域气温和降水低频变化的解释方差可接近30%;MJO对我国冬夏季温度降水的影响存在明显滞后效应,应在使用MJO信号进行我国气象要素预报时加以考虑。     

MJO对我国降水影响的季节调制和动力-统计降尺度预测

利用1981—2016年中国区域CN05.1格点降水资料和EAR-Interim再分析资料,研究了季节循环对于热带大气季节内振荡(MJO)对我国降水影响的调制作用,并基于模式对MJO的预报建立了针对延伸期降水的动力-统计降尺度模型。结果表明,MJO对我国季节内降水异常的影响明显受到季节循环的调制。当MJO对流在热带印度洋活跃时,我国降水偏多的区域随季节由南向北推进;当MJO对流位于海洋性大陆地区时,在秋、冬季我国东部和高原大部分地区降水异常偏少,而到了春、夏季该关系反转。MJO对流和基本气流(特别是副热带西风急流)的位置和强度的变化所引起热带外环流响应的不同是造成这种季节性差异的重要原因。模式检验表明,BCC_AGCM2.2对目标候MJO的预报技巧可达18d以上,在此基础上利用模式预报MJO信息构建了随季节演变滚动的MJO动力-统计降尺度预测模型。独立样本检验表明,该模型在较长时效(10~20d)下对MJO高影响区低频降水异常的预报技巧高于模式的直接预报,特别是在MJO活跃时期对降水预报技巧的提升更加明显,这为MJO信号释用提供了新的思路。     

热带大气季节内振荡与西北太平洋热带气旋活动的季节预测:统计事实研究

应用NOAA气候预测中心提供的热带大气季节内振荡(MJO)客观业务指数及中国气象局上海台风研究所提供的西北太平洋热带气旋(TC)最佳路径资料集,定量统计榆验了MJO对夏季西北太平洋TC活动的调制作用.结果表明:MJO对TC的生成、强度、路径和登陆活动都有显著的调节作用.当高空辐合中心位于120°E～160°E(MJO位相3～5)时,西北太平洋TC生成偏少,且生成位置偏北;而当高空辐合中心位于10°W～70°E(MJO位相8～10)时,西北太平洋TC生成偏多,且生成位置偏南;随着TC强度加强,能达到显著调节作用的MJO位相逐渐减少,当高空辐合辐散中心位于70°E(MJO位相10)时,对TC强度调制最显著.在路径调节方面,MJO位相1～4和10时,TC活跃于菲律宾以东的西北太平洋上,主要路径为西北偏北行,可能登陆华东、华北;而位相5～8时,TC主要活跃在菲律宾附近及以西到南海,以偏西行路径为主,可能登陆华南.MJO对登陆华南TC也有显著影响.该定量统计检验结果可为TC活动季节内预测提供依据.     

MJO预报研究进展

热带大气季节内振荡 (Madden-Julian oscillation,MJO) 是次季节-季节时间尺度气候变率的支配模态。它不仅对低纬度地区天气气候产生重要影响,还能够通过经向传播和激发大气遥相关波列对中高纬度地区产生影响,是延伸期尺度最重要的可预报性来源。因此,MJO预报是次季节-季节气候预测中极为重要的部分,近年来受到国际学术界广泛关注。该文回顾了MJO预报发展历史,概述了当前国际上主要科研业务机构的MJO预报发展现状。目前基于统计方法和气候模式的MJO预报研究取得了较大进展,特别是多个耦合气候模式和一种基于时空投影方法的统计模型均能够显著提升MJO预报技巧 (有效预报可达20 d以上)。该文还介绍了中国气象局国家气候中心在MJO预报技术发展和业务系统研制方面的新进展,当前基于第2代大气环流模式的MJO业务预报填补了国内空白,技巧为16~17 d,而耦合气候模式试验的技巧已达到约20 d。总体来看,利用耦合模式预报MJO是未来发展的主要方向,其中,面向MJO的模式初始化和集合预报新方法研究将是关注重点。     

热带大气季节内振荡与2008年初中国南方雪灾的关系

利用热带大气季节内振荡(MJO)指数、向外长波辐射(OLR)资料和NCEP/NCAR全球逐日再分析资料以及中国南方地区降水资料,应用合成分析等探讨了MJO与2008年初南方雪灾的关系,进而从MJO角度研究雪灾过程成因。结果表明：雪灾过程中,MJO存在明显的东传现象,即由西太平洋向东传送至印度洋附近。伴随着MJO的向东传播,中国南方降水强度及集中区也在随之变化,MJO在一定程度上对雪灾过程有调制作用。通过对OLR的分析,表明2008年初中国南方4次异常降水(雪)过程受到了MJO两次东传的影响,第一次导致西太平洋副热带高压持续偏强,第二次导致南支槽活跃;副热带高压西侧偏南风带来的暖湿气流,以及南支槽带来的印度洋和孟加拉湾的暖湿气流不断向中国输送,为中国南方强降水过程提供了水汽条件。     

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征、热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和ElNino的关系、MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景。     

长江下游地区降水50-80d低频分量的次季节预测研究

用1979-2000年逐日长江下游降水的50-80 d低频分量和全球850 hPa低频纬向风主成分,构建了长江下游降水低频分量的次季节预测的扩展复数自回归模型（ECAR）。这种基于数据驱动建模的气候预测方法,不仅能在复数空间上反映全球环流主要低频主分量和长江下游降水低频分量之间的时滞变化信息,而且能更好地描述气候系统的主要分量在低维空间中的变化规律。对2001-2014年长江下游降水低频分量进行次季节逐日变化回报试验的结果表明,50-80 d时间尺度的长江下游低频降水分量的预测时效可达52 d左右,预报能力明显优于自回归模型（AR）,而且6-8月的预报技巧最高。基于全球环流主要50-80 d振荡型的发展和变化以及与长江下游低频降水相关的时间演变,对于提前50-60 d预报长江下游地区持续多（少）雨过程很有帮助（尤其是夏季）,其中,东亚经向三极子型（EAT）是影响长江下游地区季节内降水变化的最主要的环流因子之一。      

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征,热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和El Nino的关系,MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景.     

与中国东部天气气候相关的大气季节内振荡研究及业务应用

回顾了近年来国内外对大气季节内振荡(ISO)活动影响东亚地区,尤其是影响我国东部地区冬夏季降水变化的研究成果,重点阐述了夏季影响我国长江流域的ISO来源及影响路径,并对目前国际上基于热带大气季节内振荡活动开展的次季节-季节预测研究计划和业务应用以及我国热带大气季节内振荡的业务现状进行评述。      

S2S模式对四川汛期极端降水的预测技巧分析

基于1995—2010年四川气象台站降水资料和世界气象组织次季节—季节(S2S)预测计划中8个模式的回报数据,采用命中率、误警率、Heidke技巧评分、误差和偏差5个指标评估分析了各模式对四川汛期极端降水事件的预测能力。结果表明,S2S各模式对四川极端降水的预测技巧整体较低,表现为"低命中率,高误警率,预测值远小于实际值,偏差较大"的特征。各模式的预测技巧随着起报时间的临近而提高,在天气尺度高于次季节尺度。各模式的最高定性预测技巧出现在川西高原南部,最低出现在盆地东部或攀西地区。预测偏差基本呈现出"盆地大,攀西地区次大,川西高原小"的分布特征,最大值均位于盆地西部沿山地区。各模式在汛期各月的预测技巧不同,定性预测技巧在主汛期尤其是盛夏高于其他时段,但定量预测技巧却在盛夏最低。综合定性和定量预测技巧,英国气象局(UKMO)和意大利国家研究委员会大气科学与气候研究所(CNR-ISAC)的模式分别在天气尺度和次季节尺度中对四川极端降水的预测能力较高。分区来看,对于盆地—攀西地区预测能力较高的模式与全省一致。而在川西高原,韩国气象局(KMA)的模式在天气尺度中预测能力较高,澳大利亚气象局(BoM)和CNR-ISAC的模式则在次季节尺度中预测能力较高。     

天山北坡次季节-季节尺度降水集合预测北大核心CSCD

在新疆天山大地形背景下,实现了中国气象局研发的高分辨率气候业务预测系统CMA-CPSv3(China Meteorological Administration-Climate Prediction System version 3)在天山北坡经济带的本地化应用,分别评估控制预报、传统集合平均预报以及改进后的最优概率阈值集合方法(deterministic ensemble forecast using a probabilistic threshold,DEFPT)对该区域次季节-季节降水的预测水平。评估结果表明:基于CMA-CPSv3预测系统的DEFPT方法可以提升天山北坡次季节-季节尺度1~5 mm阈值降水落区以及持续性的预测效果,优于传统集合平均预报和控制预报。从2016年7月29日—8月2日、2017年6月7—12日以及2020年7月8—12日时段发生在天山北坡的降水事件个例分析结果看,不论从降水落区、降水异常还是降水持续性,DEFPT集合预报在天山北坡西部和南部均有更好的效果,但在天山北坡东部和北部预测能力相对略低,这与该区域水汽的预报偏差增大有关。     

NCEP/CFSR再分析耦合资料中MJO对ENSO的影响研究

基于1979—2008年NCEP/CFSR再分析耦合数据集,研究了冬季MJO对ENSO事件的影响。结果表明,在年际时间尺度以及长期的年代际时间尺度上,热带印度洋MJO活动的强弱性都可以影响热带中东太平洋ENSO事件的发生和发展。在年际时间尺度上,ENSO发生前期征兆的赤道中东太平洋的西风爆发事件(Westerly Wind Burst,WWB),作为MJO影响ENSO的主要途径,存在着显著的次季节时间尺度的变化。相对于气候平均的赤道太平洋西部暖池区上升而东部下沉的Walker环流,MJO正位相东传后的西风异常,减弱了低层东风和赤道东太平洋海水上翻。这一上升海流的减弱导致了中东赤道太平洋的海温升高,从而有利于ENSO暖海温事件的发生。而在年代际时间尺度上,MJO范围和强度在1998年前后出现了明显的转变,1998年之前MJO的东移范围更东,强度更强,从而导致了西太平洋西风爆发区的次季节西风异常事件更加显著,在Bjeknes正反馈机制下对应了年代际时间尺度下的强尼诺事件出现,1998年之后则与之相反。冬季MJO对ENSO影响的这一年代际特征主要体现在晚冬季节,而在早冬伴随着印度洋的增暖,MJO强度一直在逐年增加。