春季陆面植被对长江流域夏季降水可预报性的影响分析

利用美国全球监测与模型研究中心(GIMMS)1982—2006年逐月归一化植被指数(NDVI)、美国国家海洋和大气局(NOAA)1854—2008年海温资料以及中国国家气候中心(NCC)1951—2006年160站月降水资料,通过旋转经验正交函数分解(REOF)和相关分析获得了长江流域夏季降水预报序列和植被、海温预报因子集。基于最优子集回归方法(OSR),并借助交叉验证(CV)以及空间重建等手段,构建了单独以前期春季海温为预报因子和同时引入前期春季海温与归一化植被指数为因子的两类预报模型,对比分析引入陆面植被因子前后长江流域夏季降水预报效果改善状况,评估春季陆面植被对长江流域夏季降水可预报性的影响及预报效果的稳健性。结果表明:(1)相对于海温因子,春季陆面植被因子对长江流域夏季降水预报具有同样重要性,引入春季归一化植被指数后,长江流域夏季降水预报得到明显改善,相关系数平均由0.49提升到0.66,提高0.17左右,模型解释方差提升平均60%左右,其中单纯海温因子预报效果较差的汉江—淮河地区和淮河流域地区,相关系数更是提高了0.20—0.30,模型解释方差提升1倍左右;(2)交叉验证预报表明,相对于仅考虑海温因子模拟情形,交叉预报相关系数下降较多,模型稳健性较低,引入归一化植被指数后,长江流域夏季降水预报稳健性得到明显提升,长江中下游及其以南的长江三角洲地区、洞庭湖—鄱阳湖地区改善尤为明显;(3)长江流域降水可预报性存在明显的区域差异,嘉陵江流域地区、汉江—洞庭湖地区预报效果最好,汉江—淮河地区、淮河流域地区、长江三角洲地区预报效果最差,但引入归一化植被指数后预报效果提高最明显,而洞庭湖—鄱阳湖地区虽然模拟效果较好,但预报稳健性较低,交叉验证相关系数降幅达到0.27,这也从侧面说明了长江流域夏季降水分区预报的重要性。     

青藏高原冬、春季植被特征及其对西南地区夏季降水的影响

本文利用西南地区96个气象台站1982-2001年夏季(6-8月)月平均降水资料和归一化植被指数(GIMMS NDVI)资料,分析了青藏高原冬、春季植被特征及其对西南地区夏季降水的影响,得到以下几点认识:青藏高原冬、春季植被呈现东南部覆盖较好,逐渐向西北部减少的特征.近20 a来,高原冬、春季植被总体呈增加趋势,其高原中西部、南部、北部增加明显,而南部侧边界和中东部呈减少趋势.相关分析和奇异值分解表明:高原冬、春季植被对西南地区夏季降水有较明显影响,且这种影响也存在一定的区域差异.高原前期植被变化可以作为西南地区夏季降水长期预报综合考虑的一个参考因子.     

影响长江中下游夏季降水的前期潜在预报因子评估

利用1951～2006年美国NOAA海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和青藏高原雪深等资料,根据前期海—陆—气因子对夏季长江流域降水的影响,本文搜集并整理了影响长江中下游夏季降水的40个预报因子,并讨论了前期因子与夏季降水在不同阶段的相关稳定性.通过相关和历史回报方法,讨论了前期关键因子与东亚夏季大气环流之间的关系...     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

塔里木盆地夏季降水和海温的关系

基于1961—2015年6—8月新疆塔里木盆地34个站点的逐日降水数据和全球逐月海温数据,分析了塔里木盆地夏季降水和全球海温的关系。结果表明,塔里木盆地夏季降水和冬季及春季的南印度洋中部、赤道东太平洋以及南大西洋西部等区域海温具有良好的正相关关系,当上述区域海温偏暖时,对应塔里木盆地夏季降水偏多。进一步的分析发现,前期海温影响显著的时段主要集中在1月和5月。基于海温和降水数据,通过分析前期不同季节关键区的海温序列与降水序列的相关系数,取了8个关键区的海表温度作为预报因子,得出逐步回归预报方程。预测结果说明该预测方程对塔里木盆地夏季降水具有较好的预测技巧。     

我国东部地区NDVI与气温、降水的关系研究

利用东部地区的1982—2001年归一化植被指数(NDVI)资料以及131个标准气象台站的气温、降水资料,用相关分析、奇异值分析(SVD)方法研究了该地区的植被与气温、降水的相互作用,得到以下几点认识：NDVI的最大值滞后于气温最高值的时间尺度在一个月左右。前期气温与后期NDVI的相关系数在春夏为负值,在秋冬却以正值为主。前期植被与后期气温的相关系数以负值为主。NDVI最大值滞后于降水最大值的时间尺度在两个月左右,同期NDVI与降水的相关系数为负值,而无论降水超前于NDVI或者NDVI超前于降水的时间尺度大于1个月时,二者的相关系数转为正值。由SVD方法得到东部地区7月份的NDVI与8月份的气温、降水有较好的相关关系。河南西南部及东北部区域NDVI与大部分地区的气温为正相关;长江流域NDVI与32 °N以南地区的降水有较好的负相关。因此,前期植被的变化特征可以作为后期气温、降水的预报的一种参考因子。     

海表温度和地表温度与中国东部夏季异常降水

主要研究太平洋与印度洋海表温度和地表温度场与中国东部夏季降水的相关关系,以及异常大降水产生的下垫面条件.研究结果表明:(1)夏季黑潮区海温与同期长江流域的降水存在明显正相关,北方地区夏季降水与靠近非洲东岸的印度洋海域存在明显负相关.(2)夏季海温异常与同期中国降水异常场之间的相关分析(SVDI)表明,20世纪70年代后期当海温由La Nina多发期向El Nino多发期转变后,长江流域向异常多雨转变,而其北方和南方地区则向异常少雨方向发展.(3)中国东部区域降水与陆面温度的明显相关区有:(a)春,夏季热带非洲和夏季亚洲大陆部分地区地表温度与当年长江流域夏季降水存在显著正相关;(b)春季4、5月份部分亚洲大陆地表温度与当年华北地区夏季降水有明显负相关.(4)通过对比分析发现:长江(1954,1998和1999年)或江淮(1991年)流域几次特大异常降水的下垫面条件是黑潮区为海温正距平,同期欧亚大陆主要为正地表温度距平场.     

西北太平洋海温变化对贵州夏季降水的影响

利用1952-2001年贵州15个测站夏季降水和前期太平洋海温场资料,及3因子最佳子集回归求最大复相关系数的方法,把前期不同时间步长、不同时段的海温场作为预报因子与夏季降水求相关。结果发现：用前期海温场作为预报因子对贵州夏季降水进行预报,其预报因子的最佳时间尺度为单月滑动,并且存在着较好的“隔多季度相关”现象。预报因子具有实际预报意义的最佳时段为上1年的8～11月。影响贵州夏季降水的最佳预报因子主要集中分布在海温场具有重要天气气候意义的关键区域。2002、2003、2004年的回报试验结果与实况进行对比分析发现,根据上述理论和预报思路得到的预测试验,具有一定效果,并且对指导贵州夏季降水预测具有一定的参考价值。     

春季海温对中国夏季降水影响的诊断研究和预测试验

文中利用季降水异常集合的典型相关预测模式 ,以全球春季 (3～ 5月 )海温场作为因子场 ,对中国夏季降水场进行了诊断研究 ,并对 1998,1999及 2 0 0 0年这几个典型的中国夏季降水进行了回报试验。结果表明 ,春季海温与中国夏季降水之间存在较好的关系 ,春季海温在较大程度上决定了中国夏季降水雨带及其分布类型。考虑面积因子的集合典型相关预测方案对中国夏季降水具有较强的回报能力 ,此模式不仅能诊断出降水场和海温场中一些比较典型的空间模态和时间变化规律 ,而且可以再现 1998和 2 0 0 0年中国大部分地区的旱涝灾害。揭示了全球春季海温的异常变化在中国夏季 (6～ 8月 )降水异常中的作用。     

南海海温和西南地区土壤湿度异常与中国东部夏季降水的可能联系

利用1958—2001年NOAA海温资料、欧洲中心(ECMWF)ERA40土壤湿度再分析资料和中国100 °E以东444站的降水资料,探讨了南海海温和土壤湿度异常与我国东部夏季降水之间的可能联系,并初步讨论其可能的物理过程。结果表明,春季南海海温与西南地区东部土壤湿度的异常变化之间存在显著的负相关关系,而土壤湿度的异常与我国东部夏季降水之间也存在密切的联系。当春季南海海温异常偏高(低)时,我国西南地区东部的土壤通常出现异常偏干(湿),而夏季长江流域降水偏多(少)、东南沿海地区降水偏少(多)。进一步分析表明,春季南海海温异常偏高(低),有利于我国南部区域低层西南风减弱(偏强),西南地区东部水汽输送减少(增加),导致该地区春季的降水异常减少(增加)、土壤偏干(湿);通过蒸发反馈机制使得夏季西南地区东部地表温度偏高(低),引起副高西伸(东退)发展,最终导致我国东部地区夏季降水的异常。      

青藏高原冬、春植被归一化指数变化特征及其与高原夏季降水的联系

青藏高原气候独特,影响高原夏季降水的原因是十分复杂的和多方面的。文中利用1982—2001年的卫星遥感植被归一化指数(NDVI)资料和青藏高原55个实测台站降水资料,应用经验正交分解(EOF)、奇异值分解(SVD)等方法分析了青藏高原冬、春植被变化特征及其与高原夏季降水的联系,得到以下几点初步认识:青藏高原冬、春季植被分布基本呈现东南地区植被覆盖较好,逐渐向西北地区减少的特征。其中高原东南部地区和高原南侧边界地区NDVI值最大,而西北地区和北侧边界地区NDVI较小。EOF分析表明,20年来冬、春季高原植被的变化趋势是总体呈阶段性增加,其中尤以高原北部、西北部(昆仑山、阿尔金山和祁连山沿线)和南部的雅鲁藏布江流域植被增加明显。由SVD方法得到的高原前期NDVI与后期降水的相关性是较稳定的。青藏高原多数区域冬、春植被与夏季降水存在较好的正相关,且这种滞后相关存在明显的区域差异。高原南部和北部区域的NDVI在冬春两季都与夏季降水有明显的正相关,即冬春季植被对夏季降水的影响较显著。而冬季高原中东部玉树地区附近区域的NDVI与夏季降水也存在较明显的负相关,即冬季中东部区域的植被变化对夏季降水的影响也较显著。由此可见,高原前期NDVI的变化特征,可以作为高原降水长期预报综合考虑的一个重要参考因子。     

三江源地区春夏季降水与太平洋海温的关系

从预测三江源地区春季、夏季降水趋势的需要出发,利用聚类分析法将三江源地区春、夏季降水场分为3个区域。通过对3个区春、夏季降水指数与前期太平洋海温相关普查,定义了与3个区春、夏季降水指数相关的海温分布型指数。冬季西太平洋海温偏低(偏高),赤道中、东部太平洋海温偏高(偏低)的海温分布型造成三江源1区、3区春季降水减少(增加);冬季赤道太平洋中部、加利福尼亚海域海温偏高(偏低)的海温分布型造成2区、3区夏季降水减少(增加)。对冬季太平洋海温分布型与后期春、夏季500 hPa北半球高度场的相关分析结果表明:当冬季西太平洋海温综合指数高(低)时,春季高度场印度高压、中西伯利亚槽及阿留申低槽加强(减弱),三江源地区春季降水偏少(偏多);而当冬季太平洋中部、加利福尼亚海域海温综合指数高(低)时,夏季高度场伊朗高压、中西伯利亚高脊加强(减弱)及西太平洋副高位置偏南(偏北),夏季降水偏少(偏多)。     

长江流域梅雨的多尺度特征及其与全球海温的关系

利用EOF和小波变换方法讨论了长江流域梅雨期降水的多时空尺度特征.长江流域梅雨期降水空间分布主要存在3种类型:(1)江南北部多雨、黄淮少雨型;(2)长江中下游多雨、江南南部少雨型;(3)江淮流域、华南东南部多雨及江南北部、华北地区少雨型.时间尺度主要周期为:准2年、3～5年、准10年振荡和线性增加趋势.长江流域梅雨期降水的各主要周期与前期(秋、冬和春季)全球海温相关分析表明,前期各季海温相关以冬季相关最好.年际、准2年及3～5年振荡周期对应的海温关键区,主要在热带和副热带地区;年代际及准10年振荡周期对应的海温关键区,主要在温带海洋;线性增加趋势的海温关键区,则遍布全球海洋.选取显著性水平达到0.05的相关区域海温距平的平均值作预报因子,利用逐步回归方法对梅雨期降水距平进行回报和预报试验的结果表明,综合考虑不同时间尺度的海温因子共同作用后建立的预测模型,对预测我国梅雨期降水距平的分布,有一定的预报能力.     

用逐步回归模型预测肇庆市汛期降水

用逐步回归方程对肇庆6县(市)分县汛期降水做预测，选取北半球500hPa高度场和太平洋海温场的若干个主分量作为因子(共1748个)。这些因子包含着气候背景场的主要信息，通过对预报量和预报因子群的相关筛选，选取相关系数最大的因子建立逐步回归模型。结果表明：所建立的预报方程的复相关系数高，对肇庆汛期降水预报效果好。     

用低纬黑潮区冬季海温制作夏季逐月南海高压高度指数及副高西伸脊点预报

近几年随着对副热带系统研究的深入,尤其是对副高诸特征量与我国夏季降水关系研究的进展,不少同志提出夏季南海高压高度指数、西太平洋副高西伸脊点与我国大部分地区降水关系密切,无疑做好南海高压高度指数及西太平洋副高西伸脊点预报,将对我国夏季降水趋势估计起得积极作用。本文运用模糊数学原理,并以前期冬季(12—3月)各月海温为因子制作夏季(5—8月)逐月南海高压高度指数及西太平洋副高西伸脊点预报,取得较好效果。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963-2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因.结果表明:耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验(单独的大气模式),对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动.对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963-2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小.对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致.对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟.     

夏季黑潮区域SSTA及其与中国夏季降水的联系

采用海温、降水、OLR和NCEP／NCAR40a再分析资料，利用REOF方法，研究了夏季北半球海温异常(SSTA)的变化特征，结果显示：第4个REOF空间型是黑潮海温异常的典型形态。相关、合成分析表明，夏季黑潮海温正异常年时，长江流域降水偏多，洞庭湖流域显著偏多；负异常年时则反之。     

中南半岛春季植被覆盖变化及其与ENSO的联系

利用归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）、气候资料以及环流场数据,探讨了中南半岛地区植被覆盖变化特征及其与ENSO（El Niño-Southern Oscillation）的联系。研究表明,降水是影响春季植被生长的主要因子,与NDVI呈显著的正相关关系;而温度、辐射与NDVI呈负相关关系。进一步分析表明,当前期冬季赤道中东太平洋海温异常偏暖（发生厄尔尼诺事件）时,中南半岛附近海平面气压偏高、850 hPa风场辐散,上升运动偏弱,不利于云和降水形成,而有利于太阳辐射增加和温度升高,降水减小和温度升高均抑制春季中南半岛植被生长;反之,当前期冬季发生拉尼娜事件时,有利于中南半岛植被生长。     

黑龙江省夏季降水主模态异常型前兆信号分析

基于主成分回归法,利用1981—2010年黑龙江省15个地面气象站夏季降水观测资料、1980—2015年NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)再分析资料和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)月平均海表温度资料,建立了黑龙江省夏季降水统计预测模型,并分析了影响黑龙江省夏季降水主模态的前兆信号。结果表明:影响黑龙江省夏季降水主模态异常型前兆信号为前一年11月新地岛和喀拉海以南地区的高度场、前冬北太平洋中部海温和加利福尼亚附近区域海温的反相变化、南印度洋的异常海温。1981—2010年逐年交叉回报检验和4 a独立样本预测检验均表明,建立的降水预测模型对黑龙江省夏季降水具有较好的预报能力,并在2015年实现业务化,对2015年黑龙江省夏季降水的预测效果较好,具有一定的参考价值。     

欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季大气环流的显著联系

地表植被覆盖的变化能通过改变陆面参数,以及生地化循环过程,对区域和全球气候产生重要影响.文中利用1982-2002年欧亚大陆春季归一化植被指数(NDVI)和欧洲中期数值天气预报中心再分析资料,采用奇异值分解分析方法,研究欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季大气环流的关系.结果表明,贝加尔湖以西区域(55°-65°N,60°-100°E)春季植被状况与东亚夏季大气环流存在显著联系.当春季该区植被指数偏高时,在对流层高层从巴尔喀什湖、贝加尔湖至日本北部,以及中国华南和中南半岛上空存在显著的纬向风正异常,中国华北地区和江淮地区以北为显著负异常,异常中心自北向南依次为"正-负-正"分布,说明东亚夏季200 hPa西风急流轴偏南;相应的在对流层中层15°-25°N地区西风偏强,伴随偏强上升气流,而在25°-42°N地区西风偏弱,并且在32°N附近存在显著下沉气流;在对流层低层,中国江淮流域以北、华北及贝加尔湖以东地区存在明显的反气旋型风场异常,而华南存在东北风异常.这种环流特征说明东亚夏季风偏弱,雨带偏南,并且使得中国华南降水偏多,华南以北大部分地区降水偏少,同时中国东南以及青藏高原东南部温度偏低,而中国北方以及江淮流域温度偏高.欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季风的显著关系为东亚夏季风预测提供了有用的帮助.