云南夏季降水异常的影响因子及物理统计预测方法

云南夏季降水年际变化较大,影响因子众多,夏季降水的预测较为困难。使用1965—2017年云南省122个气象观测站的逐日降水资料和NCEP大气环流资料,采用年际增量的方法来预测云南夏季降水。文中基于云南夏季降水年际增量变化规律和影响夏季降水的环流形势及物理过程,选取了6个具有物理意义的预测因子,包括:前期2月南太平洋海温异常、前期2月东亚北部海平面气压异常、前期4月北美500hPa位势高度异常、前期5月太平洋北部海平面气压异常、前期1月印度半岛北部500hPa位势高度异常及前期2月澳洲以南地区200hPa高度场偶极子异常,来建立云南夏季降水预测模型。并对预测模型进行逐年交叉检验和1998—2017年逐年独立样本检验。交叉检验中夏季降水年际增量预测值和观测值的相关系数为0.85,相对均方根误差为8.0%。回报检验中夏季降水年际增量的相对均方根误差为9.1%,63.0%的异常年份预测值能够准确地预报出夏季降水异常。该预测模型有较好的预测能力。     

年际增量方法在西南夏季降水预测中的应用

利用中国西南地区80站逐月降水资料及NCEP/NCAR再分析资料等,采用降水预测新方法——年际增量法,考察影响中国西南地区夏季降水年际增量的前期冬、春季大气环流年际增量状况,并选取5个关键影响因子,采用多元回归法建立中国西南夏季降水年际增量预测模型。对降水年际增量进行预测,在1971—2010年的建模阶段,预测模型的拟合率为0.78,在2011—2017的后报检验7年中,有6年与实况值同位相。后报检验2011—2017年的降水距平百分率,均方根误差为16%。为考察对降水异常分布型的预报效果,逐站建立回归方程,并进行趋势预报检验,近5年的趋势异常综合评分高于发布预测,预报效果较好。因此,该方法的应用及模型的建立对提高西南地区夏季降水预测水平有重要意义。      

第二松花江流域夏季降水年际增量预测模型研究

利用1980—2016年第二松花江流域（SSR）夏季（6—8月）平均降水量资料、NCEP/NCAR再分析月平均环流场资料、NOAA的月平均海温场资料，采用年际增量预测方法，通过分析与SSR夏季降水年际增量相关的环流及海温，确定了超前12个月内的6个预测因子，包括：11月东亚200hPa纬向风、12月西藏高原-2指数、12月赤道中东太平洋200hPa纬向风、2月印度洋海温、10月西太平洋暖池海温、4月东亚100hPa经向风。在此基础上利用这 6个预测因子，利用1980—2010资料建立SSR夏季降水年际增量的统计预测模型，最后根据年际增量给出SSR夏季降水的预测结果。经检验，1981—2010年，SSR夏季降水年际增量的预测拟合系数是0.83，SSR夏季降水预测结果拟合系数为0.67，SSR夏季降水预测结果相对均方根误差为15%，均通过了显著性检验；对2011—2016年进行试报实验，该模型也很好的预测出降水的年际增量变化趋势，除2014年以外，SSR夏季降水预测结果相对均方根误差绝对值都控制在23%以内，2016年仅为-9.9%。因此，通过预测降水的年际增量，进而再预测降水的方法，具有一定的预测技巧，可作为有效方法投入实际业务应用。     

基于年际增量法的青藏高原南部汛期降水预测研究

针对青藏高原南部汛期降水预测研究少和预测难度大的问题,通过分析1981-2010年青藏高原南部汛期降水与国家气候中心发布的88项大气环流指数、26项海温指数和16项其他指数年际增量的相关性,采用逐步回归法筛选出与降水相关的最优预测因子组合,在此基础上建立了高原南部汛期降水年际增量与预测因子的物理统计预测模型,并对2011-2019年的汛期降水进行了独立样本回报检验。结果表明,该模型的预测准确率很高,降水年际增量和距平同号率均达到7/9,距平百分率均方根误差为13%,降水相对误差在±15%以内的年份占比高达8/9。可见,该模型能够提高高原南部汛期降水预测能力。最后,利用NCEP/NCAR再分析月平均资料和NOAA海表温度月平均资料研究了预测因子影响高原南部汛期降水的物理机制。     

陕西汛期降水年际增量预测新技术研究

应用年际增量预测方法,通过分析影响陕西汛期降水的物理机制,建立了具有较高预测效能的陕西汛期降水年际增量预测模型。研究表明,赤道太平洋中东部海温年际增量、500 hPa高度年际增量与陕西汛期降水具有很好的相关性。当前一年秋、冬季赤道太平洋中东部海温增量在南北方向上表现为“－＋－”分布型时,陕西当年汛期降水偏多,反之,陕西当年汛期降水偏少。当前一年秋、冬季500 hPa高度年际增量在赤道附近呈带状正值分布时,陕西当年汛期降水偏多;呈带状负值分布时,陕西当年汛期降水偏少。国家气候中心提供的74项环流特征量、陕西省0 cm地温增量因子与陕西汛期降水也有很好的相关关系。在对预测因子物理意义分析的基础上,用逐步回归方法引入因子,建立陕西10个气候区域的汛期（6—8月）降水总量和各分月（6、7、8月）的降水年际增量预测模型（共40个）,汛期降水总量预测模型交叉检验距平同号率达78.4%。对2010—2013年汛期降水总量和各分月降水量进行试报,其准确率PS评分分别达到75.8和66分。增量预测方法具有较强的预测能力,能够在一定程度上提高陕西汛期降水预测水平,可作为有效方法投入实际业务应用。     

长三角地区冬季霾污染日数的季节预测

将霾日数年际增量作为预测对象、前期外强迫因子作为自变量,分别运用多元线性回归方法和广义相加模型建立长三角地区冬季霾日数预测模型。综合考察"去一法"交叉验证和循环独立样本实验的结果,选出适用于各个模型较优的建模方法,并对比长三角地区冬季霾日数预测模型(MODEL1)和长三角地区冬季霾日数分月预测模型(MODEL2)。MODEL1、MODEL2的均方根误差(解释方差)分别为2.69(80.01%)、2.76(79.04%),两类模型均能成功捕捉霾日数的年际-年代际趋势和极值。MODEL2预测的霾日数距平同号率(97.3%)优于MODEL1(86.49%),具有良好的距平符号捕捉能力。MODEL1采用11月之前的外强迫因子,可提前一个季度预测冬季霾日数;MODEL2采用更新的外强迫因子,可不断预测每月霾污染状况。通过两类模型组合使用,可更准确预测长三角地区冬季霾日数,为霾污染治理提供可靠的科技支撑。     

淮河流域夏季极端降水事件的统计预测模型研究

采用年际增量预测方法, 通过考察与淮河流域夏季极端降水事件发生频次(HRF)年际增量相关的环流, 确定了5个预测因子:冬季北太平洋涛动、12月南极涛动、春季3～4月南印度洋气压、春季3～4月白令海气压、春季3～4月印尼—澳洲附近经向风垂直切变;然后利用这5个预测因子, 通过多元线性回归方法建立HRF年际增量的预测模型, 进而预测HRF。交叉检验表明, 在1962～2005年的后报中, 这个预测模型对HRF显示了较高的预测技巧, 预测结果与实测间的相关系数为0.67, 表现出较高的预测潜力, 对淮河流域夏季极端降水事件的预测具有较大的应用价值。     

中国东部冬季降水的动力结合统计预测方法研究

针对中国东部6个气候关键区,首先,通过相关分析指出,冬季降水既与前期气候因子有关,又受同期大气环流的影响。因此,有必要采用动力与统计相结合的方法进行气候预测研究。然后,从实时预测的角度出发,综合考虑前期预测因子的观测信息和具有数值可预测性的同期气候因子的数值模式结果,使用多元线性回归分析方法就各区域平均冬季降水逐一建立了短期气候预测模型,并在预测模型中考虑了模型结果中系统误差的订正。交叉检验分析结果表明,所建立的各区域预测模型普遍具有较好的预测效果,预测优势主要表现在对冬季降水的变化趋势、年际变化、以及异常符号的预测准确率上。就6个区域平均而言,1982—2008年交叉检验结果与实况间的相关系数和距平同号率分别为0.69和78%,表明该预测思想具有可行性。     

利用年际增量法对西北东部汛期降水的定量预测研究

通过分析1965~1999年西北东部汛期降水与相关物理量年际增量的相关性,筛选出可作为西北东部汛期降水的预测因子,并研究其影响该区域汛期降水的物理机制。在此基础上,采用多元线性回归方法建立了汛期降水年际增量与预测因子的物理统计预测模型,并对2000~2014年的汛期降水进行预测。结果表明,5月Nio3.4指数、1月北太平洋环流指数和西太副高强度指数、5月北半球极涡中心强度指数和东亚大槽强度指数的年际增量等5个变量可作为西北东部汛期降水的预测因子;该预测模型对2000~2014年汛期降水的预测准确率很高,预测与观测的汛期降水演变趋势非常一致,相对误差在±15%以内的有12 a,距平同号率达到10/15,距平均方根误差为15%,可用于西北东部汛期降水的预测,能够提高其预测水平。     

近几年我国霾污染实时季节预测概要

近些年,中国东部经历了严重的霾污染,对人体健康、交通安全、生态系统以及社会经济有巨大的危害。在1周以内的霾污染预报之外,季节尺度的霾污染预测可以给减排治污措施的制定提供更长时间尺度的科学支撑。本文以年际增量为预测对象,选取前期外强迫因子为自变量,分别针对京津冀和长三角区域建立逐月的冬季霾日数季节尺度预测模型,并开展了实时的季节预测。总体来看,京津冀和长三角区域预测模型的性能大体处于相似的水平,均方根误差在2 d左右,对距平符号的捕捉率在80%以上,对霾日数变化的长期趋势具有很好的再现能力。在2016/2017年冬季京津冀霾日数实时预测中,模型预测的结果相对于常年值的定性结论全部准确,相对于前一年污染状况的结论大多数准确。在2017/2018年冬季长三角霾日数实时预测中,12月和1月的预测误差较小,2月的预测误差在2 d左右。     

广东开汛日期的多尺度物理统计预测模型

采用小波分析、Lanczos滤波器、相关分析、最优子集回归和交叉检验等方法,研究了广东开汛日期的多尺度变化特征及其与全球不同地区前期海温场、500hPa高度场的关系,建立了广东开汛日期的多尺度最优子集回归预测模型并进行了检验。结果表明,广东开汛日期存在显著的准6年和较明显的准17年周期振荡。广东开汛日期在年际和年代际变化尺度上与前冬海温场和500hPa高度场上共有20个显著相关区域,分别取对应时间尺度上显著相关区域的平均值作为预报因子,对相应时间尺度的广东开汛日期做最优子集回归,建立了相应的预测模型,以年际和年代际尺度上的预测值之和为广东开汛日期的预测值。所建立的预测模型具有较好的拟合效果,其中拟合值与实况值相差在5天以内的事件命中率为41.5%,10天以内的为60.4%。1951—2010年的交叉检验结果表明,广东开汛日期预测值和实况值之间的相关系数为0.33,通过了α=0.01的显著性水平检验。预测值与实况值相差在5天以内的事件命中率为26.7%,10天以内的为45.0%,因此,所建立的多尺度最优子集回归预测模型对广东开汛日期具有较好的预测能力。     

汛期我国主要雨季进程成因及预测应用进展

汛期内我国中东部地区的雨季是东亚夏季风推进过程中的重要产物,主要包括华南前汛期、梅雨、华北雨季和华西秋雨等,各地雨季决定了我国中东部地区汛期的旱涝布局和旱涝演变,是我国汛期预测和服务的重点。该文回顾了4个雨季特征及影响因子方面的研究进展,在此基础上梳理物理概念预测模型。研究显示:海温异常是影响各区域雨季的重要先兆信号,但不同雨季的年际和年代际变化特征不同,海温作为外强迫信号的影响程度和时空形式也有差异。利用热带太平洋东西海温差指标能更好地解释华南前汛期降水的年际变化。而与梅雨的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带,与年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度。华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关,更多受到ENSO演变速率的影响。而影响华西秋雨的海温关键区随着年代际背景的变化发生了改变,需要重新诊断和建模。     

A STATISTICAL PREDICTION MODEL FOR SPRING RAINFALL OVER NORTHERN CHINA BASED ON THE INTERANNUAL INCREMENT APPROACH

The spring (March-April-May) rainfall over northern China (SPRNC) is predicted by using the interannual increment approach. DY denotes the difference between the current year and previous years. The seasonal forecast model for the DY of SPRNC is constructed based on the data that are taken from the 1965-2002 period (38 years), in which six predictors are available no later than the current month of February. This is favorable so that the seasonal forecasts can be made one month ahead. Then, SPRNC and the percentage anomaly of SPRNC are obtained by the predicted DY of SPRNC. The model performs well in the prediction of the inter-annual variation of the DY of SPRNC during 1965-2002, with a correlation coefficient between the predicted and observed DY of SPRNC of 0.87. This accounts for 76% of the total variance, with a low value for the average root mean square error (RMSE) of 20%. Both the results of the hindcast for the period of 2003-2010 (eight years) and the cross-validation test for the period of 1965-2009 (45 years) illustrate the good prediction capability of the model, with a small mean relative error of 10%, an RMSE of 17% and a high rate of coherence of 87.5% for the hindcasts of the percentage anomaly of SPRNC.     

云南雨季开始期演变特征分析

应用EOF分析方法、小波分析方法及云南16个地州代表站1961～2002年共42年逐日降水量资料,对云南雨季开始期的空间分布、时间演变及多尺度周期变化等特征进行了诊断研究.结果表明:1)云南雨季开始期的空间分布,第一主要特征是全省雨季开始期一致偏早(晚);第二主要特征为云南滇中及以东、以南地区与云南西部雨季开始期反向变化的空间异常分布型态;2)云南雨季开始期存在明显的40年左右长周期、28年左右的年代际周期和8年左右的年际周期.从小波方差看,云南雨季开始期的变化以40年和28年左右的变化周期的振动最强,变化最显著,而年际变化相对较弱;3)云南雨季开始偏早期与偏晚期5月份500 hPa高度距平场有着明显区别;4)印度季风与南海季风对云南雨季开始爆发也起着积极的作用.     

滇中雨季早晚对前期热带环流异常的响应

使用云南省中部玉溪站1971—2007年逐年雨季开始期资料和同期1—5月NCEP/NCAR再分析月平均气压场、高度场及风场资料,用相关分析、诊断分析和EOF等方法研究了滇中雨季开始期对冬、春季热带环流异常变化的响应关系,并利用太平洋东部副热带高压及大西洋亚速尔高压的平均气压与印尼和孟加拉湾地区的平均气压之差,定义了滇中雨季预测指数(MYRSPI)。结果表明：滇中雨季开始期对前期热带环流的异常变化会产生较强响应,当冬、春季热带高度场异常升高(降低)和MYRSPI为负(正)距平时,初夏500 hPa西太平洋副热带高压偏强(偏弱)、偏西(偏东),滇中雨季偏晚(偏早)。统计表明,MYRSPI对滇中雨季早晚有较强的预测能力,可在实际业务中运用。     

Development of a Downscaling Method in China Regional Summer Precipitation Prediction

A downscaling method taking into account of precipitation regionalization is developed and used in the regional summer precipitation prediction (RSPP) in China. The downscaling is realized by utilizing the optimal subset regression based on the hindcast data of the Coupled Ocean-Atmosphere General Climate Model of National Climate Center (CGCM/NCC), the historical reanalysis data, and the observations. The data are detrended in order to remove the influence of the interannual variations on the selection of predictors for the RSPP. Optimal predictors are selected through calculation of anomaly correlation coe±cients (ACCs) twice to ensure that the high-skill areas of the CGCM/NCC are also those of observations, with the ACC value reaching the 0.05 significant level. One-year out cross-validation and independent sample tests indicate that the downscaling method is applicable in the prediction of summer precipitation anomaly across most of China with high and stable accuracy, and is much better than the direct CGCM/NCC prediction. The predictors used in the downscaling method for the RSPP are independent and have strong physical meanings, thus leading to the improvements in the prediction of regional precipitation anomalies.     

ON THE PROCESS OF SUMMER MONSOON ONSET OVER EAST ASIA*

Using daily observational rainfall data covered 194 stations of China from 1961 to 1995 and NCEP model analyzed pentad precipitation data of global grid point from 1979 to 1997,the distribution of onset date of rainy season over Asian area from spring to summer is studied in this paper.The analyzed results show that there exist two stages of rainy season onset over East Asian region from spring to summer rainy season onset accompanying subtropical monsoon and tropical monsoon respectively.The former rain belt is mainly formed by the convergence of cold air and the recurred southwesterly flow from western part of subtropical high and westerly flow from the so-called western trough of subtropical region occurring during winter to spring over South Asia.The latter is formed in the process of subtropical monsoon rain belt over inshore regions of South China Sea originally coming from south of Changjiang (Yangtze) River Basin advancing with northward shift of subtropical high after the onset of tropical monsoon over South China Sea.The pre-flood rainy season over South China region then came into mature period and the second peak of rainfall appeared.Meiyu,the rainy season over Changjiang-Huaihe River Basin and North China then formed consequently.The process of summer tropical monsoon onset over South China Sea in 1998 is also discussed in this paper.It indicated that the monsoon during summer tropical monsoon onset over South China Sea is the result of the westerly flow over middle part of South China Sea,which is from the new generated cyclone formed in north subtropical high entering into South China Sea,converged with the tropical southwesterly flow recurred by the intensified cross-equatorial flow.     

An analysis of onset date and rainy season duration over Zambia

Summary This study investigates the onset and cessation dates of the main summer rainy season over Zambia, their interannual variability, and potential relationships with ENSO and regional circulation anomalies. Focus is placed on onset and cessation dates because these rainy season characteristics are often of more relevance than seasonal rainfall totals to user groups such as farmers, water resource managers, health and tourism officials. It is found that there is substantial interannual variability in these parameters with some indications of a relationship between anomalies in onset date and those in Ni?o3.4 SST, particularly over the northern part of the country. A strong gradient exists between the south and the north in terms of rainfall amount, mean onset date and mean cessation date and all areas of the country experience significant variability. Analysis of circulation anomalies for early (late) onset seasons over northern Zambia shows that they are characterised by anomalous ridging (troughing) over and south of South Africa, a weaker (stronger) Angola heat low and enhanced (reduced) low level moisture flux into eastern Zambia from the Indian Ocean. The connection with ENSO during the onset season of austral spring appears to arise both through changes in the amount of subsidence over southern Africa as well as via the so-called Pacific South America pattern that extends across the South Pacific and South Atlantic towards southern Africa. Authors’ address: S. Hachigonta, C. J. C. Reason, M. Tadross, Department of Oceanography, University of Cape Town, Private Bag, Rondebosch 7701, South Africa.