2011年江西汛期降水低频分量的延伸期预报试验

利用2011年2-8月逐日降水量序列及东亚地区850hPa经向风场资料建立多变量时滞回归(multivariable lagged regression, MLR)模型,对5-7月江西降水10-30d和50-70d低频分量分别进行延伸期逐日预报实验。结果表明：2011年江西降水存在显著的10-30d和50-70d的振荡周期。降水50-70d低频分量延伸期预报技巧明显优于10-30d低频分量延伸期预报技巧,平均预报技巧高达0.86。降水50-70d低频分量延伸期预报可准确预报降水低频位相的正负转换,能为江西延伸期强降水过程发生的时段预测提供预报信号。     

多变量时滞回归模型在江南地区初夏降水低频分量延伸期预报中的应用

利用江南地区77个台站的日降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,基于不同时间尺度的江南地区降水低频分量和东亚地区850 h Pa低频经向风主成分,建立了多变量时滞回归(Multivariable Lagged Regression,MLR)模型,并对2011年5—7月江南降水低频分量进行延伸期逐日预报试验。结果表明,50~70 d时间尺度的江南低频降水的平均预报技巧高达0.92,可准确预报持续性强降水过程和降水低频位相的正负转换。对利用2001—2012年资料分别构建的MLR模型的历史回报预测试验表明,在50~70 d振荡较强和正常的年份,模型能提前30 d做出初夏江南低频降水分量预报。模型结果也表明,850 h Pa低频经向风的发展和演变是影响初夏江南低频降水未来30 d变化的显著信号,可作为延伸期强降水预报的关键因子。     

基于20—30d振荡的长江下游地区夏季低频降水延伸期预报方法研究

用长江下游降水低频分量和环流低频主成分,构造多变量时滞回归模型(MLR)和主成分复数自回归模型(PC-CAR)的混合预报模型(MLR/PC-CAR),对长江下游降水低频分量进行延伸期逐日变化预报,延长预报时效。通过2011年6—8月预测试验表明,20—30 d时间尺度的长江下游低频降水预测时效可达50 d左右,采用南半球中高纬度地区850 hPa低频经向风的主成分作为预测因子的模型的预测精度明显高于东亚地区低频经向风作为预测因子的模型。这表明在20—30 d时间尺度上,长江下游降水与南半球中纬度绕球遥相关(SCGT)型有关的主分量的时滞相关更加密切。进一步对于较强20—30 d振荡的多年资料构建的MLR/PC-CAR混合模型预测试验表明,SCGT是预测夏季长江下游低频降水未来50 d变化的显著信号。基于SCGT的发展和演变,对于把握类似长江下游地区2011年6月初旱涝急转和7月中旬持续降水和强降水过程异常变化过程很有帮助,SCGT可以作为夏季长江下游20—30 d低频降水和强降水过程进行延伸期预报的主要可预报性来源之一。     

2013年初夏长江下游降水低频分量延伸期预报的多变量时滞回归模型

用长江下游降水低频分量和南半球中纬度地区850 hPa低频经向风主成分,建立多变量时滞回归 (multivariable lagged regression, MLR)模型,对2013年6—7月长江下游降水低频分量进行延伸期逐日变化预报试验。结果表明, 20~30 d时间尺度的长江下游低频降水预测时效可达25~30 d。进一步对2001—2012年资料分别构建的MLR模型的历史回报预测试验表明,对于20~30 d振荡较强和正常的年份,南半球中纬度绕球遥相关(south circum global teleconnection, SCGT)波列是预测初夏长江下游低频降水未来30 d变化的显著信号。基于南半球SCGT的发展和演变,对于提前20 d以上预报长江下游地区2013年7月上旬持续强降水过程异常变化过程很有帮助,南半球热带外环流低频变化是影响初夏长江下游地区延伸期强降水变化的重要因子之一。     

基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法

本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。     

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。     

NCEP/CFS模式对东亚夏季延伸预报的检验评估

利用NCEP的气候预报系统（Climate Forecast System, CFS）所提供的1981—2004年历史回报试验结果,检验和评估了该系统对夏季东亚地区大气环流的预报技巧和系统误差;在此基础上通过提取模式预报和观测的10~20 d及30~60 d低频振荡分量,重点对我国南方3次典型持续性暴雨过程的预报技巧进行检验和诊断分析。结果表明:CFS系统对东亚整体大气环流逐日预报的可靠时效为5 d左右,60°N以北的对流层中高层高度场预报系统性偏低,而在40°~60°N则为系统性偏高。系统性误差随预报时间的延长而增加,但10 d以上预报的系统性误差大小和空间分布逐渐趋于稳定;CFS系统对低频分量的延伸期预报技巧好于对其整体大气环流的预报技巧,并且在典型持续性暴雨过程中,CFS系统对影响强降水过程的主要环流系统低频振荡特征有一定预报能力。     

江苏省汛期强降水过程的延伸期预报试验

针对汛期延伸期降水预报问题,根据大气低频振荡特性,运用低频天气图预报方法,通过分析关键区低频天气系统(低频气旋和低频反气旋)的活动特征,建立低频系统与强降水过程间的对应关系,通过低频系统的活动特征来预报降水过程。在2011年7—9月江苏省延伸期强降水过程预报试验中,低频天气图预报方法的预报效果较好,且预报时效为10~30 d,可以在延伸期业务预报中加以应用。此外,还运用模式统计降尺度方法预报降水落区,为强降水过程的发生提供背景依据和参考信息,具有一定的实用意义。     

广州逐日降水振荡及其延伸期预报的简谐波模型

利用1951—2010年广州逐日降水资料,采用功率谱、小波变换、Lanczos 滤波器和简谐波拟合等方法研究了广州逐日降水的振荡特征及其延伸期预报方法。结果表明,广州逐日降水振荡主要表现为2～4.1 d、8 d、13.3 d、40～60 d和120 d变化等5种时间尺度的准周期振荡,其中准单周变化、11～21 d、21～80 d的季节内振荡具有振幅和周期接近的1～2个振荡周期性循环出现的特征。利用小波变换揭示出近期逐日降水距平5 d滤波序列变化的主要周期,采用简谐波拟合的方法建立了广州逐日降水5 d滤波序列的延伸期预报模型。对1990—2009年近20年的后报结果分析表明,所建立的延伸期预报简谐波模型除第24 d和29 d外,前33 d的预报值与低通滤波值之间的相关达到0.05的显著性水平。对未来34 d降水低频分量极大值的预报与实况低通滤波极大值相差在0～2 d的概率最高,可为中期与延伸期降水过程出现时段的预报提供重要参考。      

低频天气图在陕西汛期降水预报中的应用

利用陕西省2008—2013年5—9月日降水资料及NCEP 500hPa的u、v风场资料,基于低频天气图的预报原理,统计降水时段500hPa风场上低频气旋和反气旋的空间分型、位置和出现次数,归纳出影响降水过程的9个高影响区,以及不同低频气旋和反气旋的配置类型与降水过程间的联系,通过低频系统的活动特征来预报降水过程。在2013—2015年陕西省延伸期强降水过程预报试验中,低频天气图预报方法的预报效果较好,且预报时效为10~30d,可以在延伸期预报业务中加以应用。     

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。      

低频天气图方法在湖南省雨季强降水过程预报中的应用

利用2006—2010年4—6月NCEP/NCAR 500 hPa高度场和700 hPa风场逐日格点资料及湖南省97个地面气象观测站逐日降水观测资料,运用低频天气图方法,确定影响湖南强降水过程天气关键区,分析影响湖南强降水过程的低频天气系统活动周期、变化路径及低频天气系统与强降水过程的配置的基础上,建立了湖南省4—6月延伸期强降水过程预报模型,回报拟合率以4月最高,平均为64.4%;5月次之,平均为54.9%;6月最低,平均为50.7%;10、15、20、25和30 d等不同预报时效的准确率以提前30 d的回报准确率最高。应用于2011年4—6月强降水过程预报,准确率为70%,其中报对7次强降水过程,空报3次,无漏报。     

考虑不同背景场低频降水的延伸期预测

基于中国国家气象观测站的逐日降水资料、NCEP逐日全球再分析资料和NOAA逐日向外长波辐射资料,选取与10—30 d低频降水相关显著的热带、中高纬环流作为影响因子,针对1979—2013年江南4—6月延伸期低频降水,依照不同背景场下低频降水与影响因子之间的相关性,进行了预测试验。结果表明:江南4—6月降水以10—30 d的低频周期最为显著。印度洋、印尼附近的热带对流和欧亚高纬度地区的大气环流共同影响着我国江南4—6月低频降水,可作为延伸期降水的预测因子。当欧洲及西西伯利亚地区位势高度出现负距平、北美及贝湖以西附近位势高度正距平,且热带对流异常偏弱时,对应江南低频降水异常偏少,异常中心主要位于长江中下游地区; 30 d以上的大尺度500 h Pa低频位势高度场主要表现为3种空间分布型,根据这3种分布型可将逐日降水个例的大尺度背景场划分为3类,每种背景场下低频降水与热带、中高纬度环流因子在前期30 d内的相关特征均不同; 30 d以上时间尺度的500 h Pa低频环流可为10—30 d延伸期变化提供相对稳定的大尺度背景场,不同背景场下区域低频降水与相应低频环流之间的关系演变不同。考虑不同背景,其相关性增强,且显著相关超前的时间更长。     

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。     

基于低频振荡的西北地区中西部延伸期降水预报研究

对1980—2014年的NCEP/NCAR 3个层次(200 h Pa、500 h Pa和700 h Pa)多个要素场逐日格点资料进行Butterworth带通滤波,保留周期为30~60 d的低频信号,通过周期分析、双评分标准筛选和最优子集回归方法对2011—2014年全球6—8月各要素场预报日前150 d的低频数据进行逐日外延(至未来30 d)。在此基础上,通过逐步相似过滤方法对西北地区中西部44个台站2011—2012年夏季降水进行10~30 d的预报及效果检验。结果表明:(1)对低频要素场的拟合准确度随预报时效增长逐步降低,后期趋于稳定;且各层次各低频要素相应的大部分关键区通过0.05显著性水平检验;(2)当相似个例中降水个例数≥3时预报当日有降水,其对应的Cs评分最高,44个台站的Cs评分均值为0.585,且Cs评分整体高于气候概率值。因此,利用该预报方法进行降水预报是可行的,可用于实际业务中。     

10～30d延伸期数值天气预报的策略思考——直面混沌

针对大气系统的混沌特性,提出了10~30 d延伸期数值天气预报的策略思考。可预报性问题,实质上是时空尺度问题,10~30 d的预报虽然超出了逐日天气的可预报时限,但仍存在着可预报的分量。以数值模式为基础,阐述了10~30 d延伸期可预报分量的提取方法。在此基础上,提出了针对可预报分量和混沌分量应采用不同的策略和方法。该设想可借鉴利用现有数值模式的变分同化系统,且无需构建新的模式,因此具有可行性。     

１０～３０ｄ延伸期数值天气预报的策略思考———直面混沌

针对大气系统的混沌特性,提出了10~30 d延伸期数值天气预报的策略思考。可预报性问题,实质上是时空尺度问题,10~30 d的预报虽然超出了逐日天气的可预报时限,但仍存在着可预报的分量。以数值模式为基础,阐述了10~30 d延伸期可预报分量的提取方法。在此基础上,提出了针对可预报分量和混沌分量应采用不同的策略和方法。该设想可借鉴利用现有数值模式的变分同化系统,且无需构建新的模式,因此具有可行性。     

中国东南部地区4-6月强降水的低频变化特征

利用全国2 400多台站逐日降水资料,分析了中国东南部地区4—6月10~30 d低频强降水的时空变化特征。结果表明:4—6月10~30 d低频强降水的方差大值区在中国的长江及其以南地区,中心位于江南的中东部,东南部地区4—6月10~30 d低频强降水距平的第一模态反映该区域呈一致变化。功率谱分析表明第一模态时间变化的周期以10~30 d低频分量为主。根据区域强降水及其10~30 d低频强降水、区域强降水正交经验函数(EOF)分析的第一模态时间系数(PC1)及PC1的10~30 d低频分量的年际方差,结合它们两两之间逐年的相关系数,确定了区域强降水10~30 d强振荡典型年份。对典型年降水异常分布的方差分析,表明强振荡年区域总降水量异常主要是由10~30 d强降水的低频变化引起的。     

江苏省汛期强降水过程的延伸期预报试验

针对汛期延伸期降水预报问题,根据大气低频振荡特性,运用低频天气图预报方法,通过分析关键区低频天气系统(低频气旋和低频反气旋)的活动特征,建立低频系统与强降水过程间的对应关系,通过低频系统的活动特征来预报降水过程.在2011年7-9月江苏省延伸期强降水过程预报试验中,低频天气图预报方法的预报效果较好,且预报时效为10 ～30 d,可以在延伸期业务预报中加以应用.此外,还运用模式统计降尺度方法预报降水落区,为强降水过程的发生提供背景依据和参考信息,具有一定的实用意义.     

NCEP/CFS模式对东亚夏季延伸预报的检验评估

利用NCEP的气候预报系统(C1imate Forecast System,CFS)所提供的1981-2004年历史回报试验结果,检验和评估了该系统对夏季东亚地区大气环流的预报技巧和系统误差;在此基础卜通过提取模式预报和观测的10～20 d及30～60 d低频振荡分量,重点对我国南方3次典型持续性暴雨过程的预报技巧进行检验和诊断分析.结果表明:CFS系统对东亚整体大气环流逐日预报的可靠时效为5 d左右,60°N以北的对流层中高层高度场预报系统性偏低,而在40°～60°N则为系统性偏高.系统性误差随预报时间的延长而增加,但10 d以上预报的系统性误差大小和空间分布逐渐趋于稳定;CFS系统对低频分量的延伸期预报技巧好于对其整体大气环流的预报技巧,并且在典型持续性暴雨过程中,CFS系统对影响强降水过程的主要环流系统低频振荡特征有一定预报能力.