DERF2.0模式对宁夏不同时间尺度降水的预测评估

基于DERF2.0 1983—2013年回报和2016—2017年预测的降水资料以及宁夏19个评分站降水实测资料,采用短期气候预测业务中常用的检验方法,对DERF2.0预测的宁夏未来1～50d月、候尺度降水及持续性异常降水过程进行了检验评估。结果表明:DERF2.0对月降水趋势异常预测综合评分(Ps)平均为53.2%,超前1～10d预测效果相差不大;Ps超过60%的仅有4月和11月,且年际间波动较大,最差年与最好年相差近30%。DERF2.0对月异常少雨预测Ps高于异常多雨,春、秋季Ps较高,夏季相对较低;对多雨年份降水预测Ps高于少雨年份。DERF2.0超前30d之内预测的候降水和实况以正相关为主,第1候相关最好,9月至次年3月相关系数相对较大;超前30d之内预测的候降水较实况偏大30%左右;对未来1～6候降水趋势预测正确率为40.8%,偏多趋势正确率达79.5%,明显高于偏少趋势;1月趋势预测正确率最小,8月最大;候降水偏多趋势预测正确率冬季高于夏季,偏少趋势则相反;随着超前时间的增长,趋势预测正确率下降;趋势预测正确率自北向南增大。DERF2.0对持续性异常降水过程预测的正确率为60.3%,超前时段为4～14d,对全区性过程预测效果较好,同一次过程南部预测效果好于北部,预测的降水量小于实况降水量。     

月动力延伸预报产品在新疆月尺度降水预测中的应用检验

利用新疆101个气象观测站点逐月降水实况资料和2001~2010年国家动力气候模式产品,进行月动力延伸预报产品的应用预测检验。采用PS评分和同号率对内插预测结果进行效果评估,并与业务评分进行对比。结果表明：月动力延伸预报产品对新疆地区月降水趋势预测Ps评分高于业务评分,而对各月降水距平百分率的同号率差异较大。夏、秋季Ps评分较高,冬、春季PS评分较低,季节转换时预测Ps评分变率较大。     

区域气候模式RegCM3在华东地区夏季的10年回报和2010年业务预报

利用国家气候中心全球海气耦合模式(BCC_CM1.0)嵌套区域气候模式RegCM3进行了近10年(1998-2007年)夏季回报及2010年华东夏季实时业务预报。从10年回报的模拟平均状况来看,模式基本能反映出中国东部夏季的平均状况,模式回报的夏季气温分布与实况较为相似,但回报的夏季降水量分布形态与实况有一定差异。使用国家气候中心六级Ps评分及简化的Ps评分对模式10年回报进行了评估。结果表明,该模式对华东地区夏季气温和降水有一定的跨季度预报能力,温度和降水10年平均Ps评分分别为69.9和60.9;对华东地区南部的气温及其东南部的降水有较好的回报效果。利用该模式进行了2010年夏季实时业务预报,预报检验表明,模式预报的2010年夏季温度距平和降水距平百分率分布与实况较为一致,夏季温度和降水的Ps评分分别为71.4和55.3;对影响较为严重的气候事件如江西降水极端偏多等也进行了准确预报。     

近50年环渤海地区夏季降水时空变化特征

根据环渤海地区1961-2008年夏季60个测站逐日降水资料序列,使用EOF和REOF方法将环渤海地区划分为4个区域,分析了近50年来环渤海不同区域夏季降水的时空变化特征.结果表明,环渤海地区夏季降水存在明显的区域一致性以及年际和年代际变化特征,降水总体呈下降趋势;各区夏季降水都存在2～3年的年际周期,辽东半岛和环渤海北部区域存在10～11年、环渤海西部和山东半岛存在14～15年的年代际周期;辽东半岛在20世纪60年代后期,山东半岛在70年代初期都发生了降水由多到少的显著突变,而环渤海北部和西部地区在90年代后期降水出现显著突变.     

动力延伸预报产品在辽宁短期气候预测中的释用

基于1961～2000年辽宁53个测站40 a逐年的月气温距平和月降水距平百分率资料,根据EOF(经验正交函数)展开的空间特征向量分布特征,将前3个主要特征向量时间系数作为预报量,将500 hPa高度场的高度距平、地转涡度作为预报因子,利用多元统计回归分析,建立了一套定点、定量预测辽宁各月气温与降水量的数学模型。利用该模型对2001~2005年辽宁53个测站的月气温距平和月降水距平百分率进行逐月预报试验。结果表明:对气温和降水量的趋势预报的评分均比较好,有87%以上的月气温距平预测结果的评分超过66.0分,各月的平均Ps评分均高于66.0分,年平均为75.5分或以上,总平均为83.1分;有70%的月降水距平百分率预测结果的Ps评分超过60.0分,各月的平均Ps评分都高于53.0分,年平均为58.0分以上,总平均为66.5分。但对异常气候的预测效果不明显。     

近一百年中国东部区域降水的年代际跃变

采用均生函数方法对1900～1950年中国东部测站降水资料进行补插, 通过与英国Climate Research Unit (CRU) 的网格点降水资料以及王绍武等 (2000) 重建的降水资料的对比分析, 构造1900～2006年中国东部华北、 长江中下游和华南地区的月平均降水指数序列, 并用一阶矩突变扫描式t检验对这三个区域降水的多时间尺度跃变特征进行分析。结果表明, 最近一百多年来长江中下游降水发生了5次年代际尺度的跃变, 华北以及华南的降水均发生了4次年代际尺度的跃变。各区降水同时在20世纪20年代初期、 40年代中期、 60年代中期以及70年代中期发生跃变。具体而言, 20年代初期长江中下游和华南的降水发生年代际减少, 而此时华北降水年代际增加; 40年代中期, 三个地区的降水都同时增加; 60年代中期, 华北降水减少, 相反地长江中下游和华南的降水发生年代际增加; 70年代中期, 华南和华北地区的降水出现年代际减少, 而长江中下游地区的降水在80年代初发生年代际增加。研究还表明, 降水跃变发生的时间尺度范围可以为我们预测跃变发生以后降水气候平均态的持续时间提供参考。     

甘肃省各区近代降水变化特征研究

利用甘肃省６个降水气候区近６０多年降水资料,用时间趋势方程等方法分析研究了甘肃省的降水变化,并与中国东部地区降水乃至全球陆地平均降水变化进行对比分析。分析结果表明,半个多世纪来,甘肃省中东部地区最干旱的时期是在４０年代初期前后,５０～７０年代干旱和多雨交替出现,８０～９０年代初全省多数地区偏旱少雨     

全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征

利用西北干旱区1961—2007年77个观测站的逐日降水资料序列,将西北干旱区分为5个主要气候区,分析了全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征,并预测降水的未来变化趋势。结果表明：西北干旱区降水存在显著的年际和年代际变化,其西部降水量呈显著上升趋势,尤其在新疆北部与伊犁河谷地区。降水具有5～6年或2～3年的年际周期与8～11年的年代际周期,但河西走廊地区例外。干旱区降水转型时期的空间差异显著,最早在1980年代初期从南疆开始,1980年代中期新疆北部降水出现异常偏多,伊犁河谷和河西走廊地区降水突变期则出现在1990年代初,但变化趋势相反;阿拉善高原地区降水没有明显的突变时间。由周期外推方法得到,在未来一个年代际周期中,西北干旱区的西部降水将以偏少的气候特征为主,直到2015年前后才会再次回到偏多的周期中来;阿拉善高原地区在未来8～11年中有可能向着降水增加的趋势发展。     

青藏高原气温和降水的年际和年代际变化

通过对青藏高原72个地面气象站1962～1999年的气温和降水变化的分析,以唐古拉山脉为界将高原分为青海区和西藏区,分别考察了两区冬春(上年10月～当年5月)和汛期(当年6月～9月)气温与降水的变化趋势、突变及其周期振荡,得出的主要结论为:近38年(1962～1999)来,青藏高原呈升温趋势,冬春大多数台站的升温率为0.02～0.03 ℃ a-1,汛期大多数台站的升温率为0.01～0.02 ℃ a-1;20世纪80年代以来,高原冬春气温的升温更为强烈,汛期青海区的升温变得强烈,但西藏区反呈微弱降温趋势,降温主要发生在西藏的江河谷地;全球性的1980年左右的暖突变在青藏高原是明显存在的;近38年来,青海区冬春降水和西藏区汛期降水存在相同的相位变化,即20世纪60年代基本偏多,20世纪70年代和20世纪80年代初偏少,20世纪80年代中到20世纪90年代偏多;青海区汛期降水与西藏区汛期降水的变化存在反向的关系,但它的转折点要滞后4～5年,青海区汛期降水20世纪60年代偏少,20世纪70年代和20世纪80年代偏多,20世纪90年代偏少;西藏区冬春降水呈现自己独特的变化,20世纪60年代到20世纪70年代初偏少,20世纪70年代中末期到20世纪90年代偏多;高原气温主要存在准3年、5～8年和准11年的周期振荡,高原降水主要存在3～5年、8～11年和准19年的周期振荡,这些周期振荡在高原气候演变的不同阶段显著性不一.     

西南地区春季及其各月降水的气候特征分析

利用1951～2017年我国西南地区26个台站的降水观测资料,本文研究了该地区春季及其各月降水的基本气候特征。结果表明:5月是春季我国西南地区降水最多的月份,其占春季总降水的55.3%,此外,5月降水年际变化强度最大;西南地区春季及其各月降水均具有显著的年代际变化特征,5月降水在春季降水的年代际变化特征中占据主导地位;在年代际突变特征方面,西南地区春季降水存在显著的年代际突变特征,其在1970年代后期发生了减少突变,而在1990年代中后期发生了增加突变;在变化趋势方面,春季西南区域平均降水的变化趋势不明显,但从空间上看,西南地区东部表现出显著增多的趋势,而西部则表现出显著减少的趋势;在周期方面,西南地区春季及其4～5月降水均具有显著的年际和年代际变化周期,需要说明的是,3月降水没有明显的年代际变化周期,总体上看,5月降水在春季降水周期变化中占据主导地位。     

近58年柳州市汛期降水特征分析

利用柳州市1951～2008年的月降水量资料,采用线性倾向估计和小波分析方法,分析了近58a柳州市汛期（4～9月）降水的变化特征。结果表明：近58a来柳州市汛期降水主要呈波动性变化,线性趋势变化不明显,但前汛期降水总体呈上升趋势,降水量约增加87mm;后汛期降水量总体呈下降趋势,约减少了89mm。因此,前汛期有变涝趋势,后汛期有变旱趋势。近58年柳州市汛期降水年代际变化的主要周期为20～25a,20世纪80年代以后,汛期降水存在周期10-15a的年代际变化。20世纪80年代以前,柳州市汛期降水主要的年际变化周期2～4a,以后的年际变化周期是4～8a。     

山东省汛期降水的变化及其与北极海冰的关系

首先对1951～1999年山东省汛期(7～8月)降水进行了Z指数转换、小波分析和滑动t检验。发现49a来．山东省汛期降水呈明显减少的趋势。在60年代到70年代雨涝出现频繁。而在80年代到90年代以干旱多见。山东省汛期降水在1979年前后发生一次明显的变化．1979年后降水显著减少。山东省汛期降水变化有11a左右的年代际变化周期和2～3a、7a左右的年际变化周期。最后利用相关分析方法分析了山东省汛期降水与北极不同分区海冰面积的相关关系。     

近45a辽宁夏季降水的气候特征

利用1961～2005年辽宁省53个测站,6～8月降水量资料,采用EOF、趋势分析等方法,对辽宁地区夏季降水量的空间分布特征和时间演变规律进行了诊断分析研究。结果表明：辽宁地区夏季降水的空间分布既有整体一致的性质,也存在东南部和西北部相反变化的差异。近45 a来,辽宁地区夏季降水有减少趋势,并且存在着4～6 a的周期变化。辽宁夏季及其各月降水都有明显的年代际变化特征,20世纪60年代夏季降水处于偏多时段,70年代偏少,80年代和90年代偏多,进入21世纪的前5 a降水偏少。     

近50年青藏高原东部降水的时空变化特征

选用1967～2012年青藏高原东部60个站点的降水资料,分析了该地区降水的时空演变特征,结果表明：高原东部降水呈由东南向西北递减的态势,高值区位于西藏东部和川西高原,低值区位于柴达木盆地;降水场可以划分为八个小区,分别是西藏东部和川西高原西部区、藏南谷地区、青南高原区、柴达木盆地区、藏北高原区、川西高原北部区、青藏高原东南缘区以及青海东北部区.年降水表现出强增加趋势,20世纪60年代后期到90年代后期相对偏少,20世纪末以来相对偏多;除川西高原北部区外,其余各区不同程度的表现出增加趋势.春季降水表现出“偏少～偏多”的年代际变化特征,在1995年附近发生由少到多的突变,20世纪60年代后期到90年代中期相对偏少,90年代后期以来相对偏多;八个分区均不同程度的表现出增加趋势.夏季降水呈增加趋势,20世纪60年代后期到90年代后期相对偏少,20世纪末以来相对偏多;八个分区均不同程度的表现出增加趋势.秋季降水的线性趋势趋近于零且没有表现出年代际变化特征;除川西高原北部区呈减少趋势外,各区均不同程度的表现出增加趋势.冬季降水表现出“偏少～偏多～偏少”的年代际变化特征,分别在1986和1996年附近发生由少到多和由多到少的突变,20世纪60年代后期到80年代中期相对偏少,80年代后期到90年代中期相对偏多,90年代后期以来相对偏少;除西藏东部和川西高原西部区及青海东北部区外,各区均不同程度的表现出“偏少～偏多～偏少”的年代际变化特征.     

匹配域投影降尺度方法在河南省夏季降水预测中的应用及检验

根据河南省夏季降水数据和BCC-CGCM、ECMWF-SYSTEM4模式资料,利用匹配域投影降尺度方法对河南省夏季降水进行预测,结果表明:1)匹配域投影降尺度方法对河南省夏季降水具有较好的预测能力,且较原始模式稳定。除了河南省中部地区外,其他大部分地区的Ps评分都在60分以上。2)在交叉验证期,两个模式的降尺度预测Ps评分分别比原始模式的提高了20.2%和16.3%,但ECMWF-SYSTEM4模式降尺度预测的平均分达到了71.2分,较BCC-CGCM模式的降尺度预测平均分偏高1.6分。在交叉验证期的26年中,有62%以上的年份,降尺度预测方法都对原始模式有正的订正技巧。3)2009—2013年的独立样本检验表明,匹配域投影降尺度方法比原始模式预测Ps评分提高了40%左右,表明该降尺度方法对夏季降水具有较好的预测能力。4)该方法可以在业务上应用,图形界面程序的研发,更方便了业务应用。     

基于LSTM网络的中国夏季降水预测研究

基于BCC-CSM季节气候预测模式系统历史回报数据和国家气象信息中心提供的中国地面降水月值数据,通过多方法对比并讨论了影响预测结果的因素,利用长短期记忆（Long Short-Term Memory,LSTM）网络预测2014年和2015年中国夏季降水。结果表明:LSTM网络的预测效果较逐步回归、BP神经网络及模式输出结果有一定优势。参数调优对于LSTM网络预测效果影响较大,重要参数有隐含层节点数、训练次数和学习率。选择合适的起报月份数据有助于提升季节预测的准确性,利用4月起报的数据预测夏季降水效果较好。海冰分量因子对降水季节预测有正贡献。在2014年、2015年夏季降水回报试验中,LSTM网络对降水整体形势有一定的预测能力,Ps评分分别为74分、71分,距平符号一致率分别为55.63%、55.25%,Ps评分的均值高于同期全国会商及业务模式。     

贵州夏季降水异常的区域特征

利用贵州省19个测站1951～2000年夏季逐月降水资料,计算了降水量的月平均（区域平均）标准化距平。并进行模糊聚类分析、经验正交函数分解（EOF）和小波分析,研究了贵州夏季降水异常的区域特征。结果表明,贵州夏季降水在近50 a中存在5个明显的气候段：20世纪50年代前期为多雨期;50年代中期到60年代前期为少雨期;60年代中后期为多雨期;70～80年代为少雨期;90年代以后进入多雨期;降水呈增多的趋势。全省一致性是贵州夏季降水的最主要特征,同时还存在区域差异。贵州夏季降水异常有5种空间分布型,即：全省旱（涝）型、东旱（涝）西涝（旱）型、南旱（涝）北涝（旱）型、中东旱（涝）西南涝（旱）型和西南旱（涝）其余涝（旱）型。各型降水具有多时间尺度振荡的特点,存在10～12 a、4～5 a、2～3 a的周期。     

SEAS5模式对新疆月尺度气温和降水的预测性能评估

检验评估气候模式，有利于发挥这一客观预测方法在新疆气候预测业务中的应用效果，提高新疆气候预测能力。基于欧洲中期天气预报中心第五代季节预测系统SEAS5模式的历史回报数据和新疆98个气象站的气温、降水观测资料，利用距平符号一致率Pc、趋势异常综合评分Ps、距平相关系数ACC、时间相关系数TCC等方法，综合评估了SEAS5模式对新疆1993—2019年月尺度气温和降水的预测性能。结果表明：SEAS5模式对新疆月气温、降水的总体预测性能较好，对降水趋势和量级有一定的预测能力。模式的预测性能存在明显的月际差异和空间差异。模式对新疆4—9月气温和4月、6—8月降水的预测性能较好。气温预测评分中，4月Pc最高（61.3分），7月Ps最高（74.4分），6月ACC最高（0.17）。降水预测评分中，4月Pc最高（58.7分），7月Ps最高（72.1分），4月ACC最高（0.16）。空间分布上，模式对1月、3月、6月和12月南疆的气温预测性能普遍高于北疆，对7月和9月南疆西部的预测性能低于其他地区。模式对南疆的降水预测性能普遍高于北疆。     

CFSv2模式资料在成都市延伸期降水预测中的应用评估

将CFSv2模式的延伸期预测资料应用于成都市14个国家站的延伸期降水预测,采用距平相关系数ACC、趋势异常综合检验Ps及Cs/Zs评分对2016年1月至2020年12月的预测回算进行预测效果评估,通过改进的消除偏差一元线性回归方法对模式预测进行订正和预测再回算、再评估。结果表明,CFSv2的延伸期预测与成都地区实际降水的ACC为0.13,略高于目前省级和国家级发布的月预测平均成绩,对成都西南部和东南部的预报效果较好; Ps评分平均为65.7分;期间主要降水过程的Cs评分为0.48,Zs评分为0.64,空报率为38%,漏报率为34%。经过订正后,预测效果的空间差异无明显变化,ACC提高0.04,Ps评分提高4.3分,Cs评分提高0.05分,Zs评分提高0.14分,空报率降低22%,漏报率降低5%,预测准确率明显提升。     

关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究

利用我国160个台站1951～2000年夏季(6～8月)降水和气温观测资料,以及NCEP/NCAR海温、风场和水汽的再分析资料,分析了我国夏季风降水和气温的年代际变化特征及其可能成因.分析结果表明,我国夏季降水有明显的年代际变化,在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,从1977年到2000年夏季长江流域的降水明显增加,而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重干旱.分析结果还表明,我国西北地区降水的振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5～8年,华北地区气候年代际时间尺度变化是从1977年起降水减少,气温上升;但西北地区从20世纪70年代开始,则温度升高,降水增多.此外,分析结果也表明我国气温同样有年代际变化,但不如降水年代际变化明显.作者还从热带太平洋SST(海面温度)的年代际变化及其对中印半岛和东亚上空水汽输送的影响,分析了上述我国气候年代际变化的可能成因.分析结果表明,热带中东太平洋的SST也有明显的年代际变化,从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖,出现了明显的"类似El Nino型"的SST距平分布,呈现出"年代际的El Nino现象".这种海温异常分布减弱了亚洲夏季风,从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送,造成水汽输送在长江流域辐合,使到达华北地区的水汽大大减弱,因此引起长江流域降水明显增加,而华北地区明显减少,出现了持续性严重干旱.