低频扰动增量法在华南冬季低温延伸期预报中的应用研究

通过扰动物理量分解方法和增量预报方法,提出低频扰动增量的定义,分析冬季大气低频扰动信号与华南低温事件的可能联系,构建基于低频扰动增量的华南冬季低温延伸期预报模型,为低温延伸期预报提供科学参考依据。分析表明:(1)东半球500 hPa高度场低频扰动变化显著区域主要位于中高纬度45°×80°N地区,尤其在乌拉尔山脉附近及其以西的东欧地区和贝加尔湖以北的中西伯利亚地区;(2)500 hPa中高纬高度场和风场低频扰动增量的前两个EOF模态反映了周期为20 d左右低频振荡的传播型模态,EOF1反映的是导致中高纬度两槽一脊型的环流形势得以维持的低频扰动特征,EOF2反映的是中高纬度高空槽东移后出现的低频扰动特征,研究揭示了华南最低气温低频扰动增量与该低频传播模态的关系十分密切;(3)基于低频扰动增量的延伸期预报准确率明显优于直接应用原始场的延伸期预报,重点抓住大尺度环流的低频扰动增量及由其引起的预报量的扰动增量,可以提高延伸期预报的准确率。     

黑龙江省区域寒潮气候特征及延伸期预测评估

利用1961-2013年黑龙江省62个气象站逐日日最低气温资料,在单站寒潮的基础上定义了黑龙江省区域寒潮标准,统计分析了黑龙江省区域寒潮的气候特征和环流特征,在此基础上,基于国家气候中心月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)1983-2013年对黑龙江地区的回报试验结果,对黑龙江省区域寒潮的11-30 d的延伸期预测进行了检验评估。结果表明:黑龙江省区域寒潮大都发生在冬半年,频次总体呈减少趋势;冬季各月寒潮频次与亚洲纬向环流呈正相关关系,与鄂霍次克海高压呈反相关关系;DERF2.0在11-30 d的延伸期预报上对黑龙江省的区域寒潮有一定的预测技巧,预测准确率可达到40%左右,但仍有较大的改进空间。     

2011年5、6月长江中下游旱涝转折的大气低频特征及其预报

基于国家气候中心2011年5、6月长江中下游降水量、降水过程和气象干旱、洪涝区域等统计资料,以及同期NCEP/NCAR逐日纬向风（u）、经向风（v）和水汽（q）资料,对2011年5、6月长江中下游旱涝转折的大气低频环流特征进行分析。结果表明,气象干旱的5月和暴雨洪涝的6月在大气低频系统分布、低频气流交汇和低频水汽输送等方面有显著不同。5月（6月）我国东部以东洋面,850 hPa等压面先后维持西风带低频反气旋或低频气旋（西太平洋低频反气旋）,导致长江中下游为单一的低频偏南或偏北气流（低频偏南气流与低频偏北气流交汇）。而且5月（6月）从西南-东北和东南-西北的低频-qv（qv）交汇于120 °E,30 °N及其附近地区。长江中下游地区水汽通量散度为辐散区（辐合区）。另外,5月无（6月有）自60 °E,沿30 °N向东传播的低频偏南风与自60 °N,沿120 °E向南传播的低频偏北风在长江中下游交汇。低频环流的不同特征,有利于5月干旱（6月洪涝）的维持。并对此次旱涝转折在延伸期预报（10～30 d）时效内的预报取得较好的预报结果。      

基于DERF2.0模式1～52天最低温度逐日预报的检验评估

利用国家气候中心第二代月动力延伸预报模式系统(DERF2.0)1983 2013年历史回算数据中20个全样本集合平均的最低温度数据,对3月中国中纬度地区模式最低温度1~52天逐日预报能力进行了评估。结果表明,通过计算绝对误差的绝对值AE、均方根误差RMSE和相关系数R发现前10天预报可信度较高,预报时效越短,可信度越高,超过10天之后预报可信度越来越低。为了分析模式误差的深层次原因,利用集合经验模态分解方法(EEMD)对数据进行分解,DERF2.0模式和观测数据的高频分量IMF1和趋势项R为主要分量,低频分量IMF2占的比重较少。分析发现,DERF2.0模式在10天之后预报能力下降的主要原因是高频分量IMF1的预报能力下降。通过分析历年的结果,发现各项方差贡献率年际变化不大,比较稳定,高频分量IMF1和低频分量IMF2方差贡献率和观测数据相比普遍偏低,趋势项R方差贡献率和观测数据相比每年都偏高。DERF2.0模式应该针对高频扰动继续加强研究,提高DERF2.0预报升温降温过程的能力。     

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。     

云南冬季气温变化的主要模态及其影响的关键环流因子

为了揭示云南低纬高原地区冬季气温变化的主要特征及影响的关键环流因子,本文利用云南124站地面气象站月平均气温观测资料、 NCEP/NCAR大气环流再分析资料,以及CPC和NCC提供的部分大气遥相关型和环流特征指数,首先分析了云南冬季气温变化的主要特征,表明冬季气温年际变率东部大于西部,主要空间分布有全区一致、东西差异、经向三级差异、西北-东南差异四种型态,前四个模态占EOF总方差贡献的90%,其中前三个模态线性变化趋势明显,第四模态主要表现出显著的年代际波动特征。分析发现相应不同气温模态,中高纬度异常波列呈现出明显不同的形势和走向,与500 hPa中高纬度异常波列相关的四个关键区的高度异常,以及孟加拉湾地区的高低层环流异常对气温主要模态有十分重要的影响：第一模态与东亚中低纬度南（20°N-30°N, 90°E-120°E）北（45°N-60°N, 90°E-120°E）两个区域经向差异密切联系,北低南高（北高南低）形势有利于全区一致偏暖（冷）;第二模态与中高纬度纬向波列有关,当东亚-西北太平洋区域（25°N-45°N, 120°E-160°E）高度偏高（低）、 700 hPa孟加拉湾北...     

广西一次持续性暴雨过程的延伸期预报及模式应用检验

2019年5月25—30日广西出现了持续性暴雨过程,引发洪涝和衍生灾害。利用国家气候中心大气监测资料和第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)预报资料,研究了这次持续性暴雨的背景特征,并对这次暴雨过程的延伸期预报效果进行评估。结果表明:(1)此次持续性暴雨发生在一次MJO对流活跃区东传的背景下。(2)DERF2.0模式提前10-30d预报出广西5月第6侯降雨偏多的趋势,并在4月30日、5月10日分别预测出这次暴雨过程出现前后有强降雨,但有1-3d的误差,且对过程强度的预测不够精准。     

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.     

北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

利用NCEP/DOE的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料,首先分析了2012/2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征,然后分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系,最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结果有:（1）2012/2013年冬季东北区域平均温度存在很强的30～60 d的周期振荡特征,同时伴随较强的10～30 d低频振荡,后者与实际降温过程对应关系更好;（2）对10～30 d的低频振荡而言,在东北地区低频温度变化降低最大的位相7（位相3升高最大）,500 hPa上,我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强引导气流中;同时在850 hPa上,我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制,这使得东亚冬季风环流系统加强（被抑制）,东北区域则经历一次大幅度的低频温度降低（升高）过程,这些高低空低频环流系统的配置和演变导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区,并导致极端低温事件的出现;（3）沿着乌拉尔山-贝加尔湖-我国东北地区-西北太平洋传播的500 hPa低频波列,是驱动2012/2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。     

华南夏季12-30 d持续性强降水的低频特征分析

利用1982-2011年夏季（5-8月）中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料、NOAA逐日向外长波辐射和海表温度资料集,通过选取低频降水事件的方法,分析了华南夏季12-30 d持续性强降水事件的基本特征,然后利用位相合成法对持续性强降水期间伴随的低频大气环流型以及低频信号的来源和传播情况进行研究,同时也分析了低频海-气耦合过程对持续性强降水的影响。结果表明：（1）华南夏季降水具有显著的12-30 d低频振荡特征,持续性强降水事件在6月发生次数最多,低频降水期间的雨带自东南向西北传播。（2）在持续性强降水发生期间,华南及邻近海域低层受强大的低频气旋式环流控制,低频上升运动显著,而中国南海-菲律宾海一带则是强的低频反气旋式环流,其西侧向北的低频水汽输送不断将中国南海的水汽送至华南及邻近海域进行辐合上升。低层的低频信号来源于热带西太平洋和中国南海-菲律宾海一带低频振荡的西北向传播,同时伴随着西太平洋副热带高压明显的西伸东退过程。（3）在高层,华南北侧（22°-45°N,95°-130°E）区域强大的低频气旋式环流和孟加拉湾-中国南海一带的低频反气旋式环流相互配合,使华南高层处于强大的辐散环境中,从而加强了华南低层的辐合与低频上升运动,造成持续性强降水的增强。高层的低频信号来源于低频罗斯贝波列的东南向传播。（4）低频大气环流异常通过云辐射和热通量过程改变低频海表温度异常,而由大气强迫的低频海表温度异常通过影响低层大气的稳定性来对大气施加明显的反馈作用,该海-气耦合过程有利于大气低层低频信号向华南地区传播,从而影响了华南持续性强降水的发生、发展与结束。     

基于南海夏季风季节内振荡的降水延伸预报试验

利用代表南海夏季风季节内振荡特征的850 hPa纬向风EOF分解的前两个主成分,定义南海夏季风季节内振荡指数,并利用美国国家环境预测中心第2代气候预报系统 (NCEP Climate Forecast System Version 2, NCEP/CFSv2) 提供的1982—2009年逐日回算预报场计算了南海夏季风季节内振荡指数的预报值,用于我国南方地区持续性强降水的预报试验。试验结果表明:利用南海夏季风季节内振荡实时监测指数与模式直接预报降水量相结合的统计动力延伸预报方法,能够有效提高季节内降水分量的预报效果。同时,该方法能够避免末端数据损失,修正了对模式预报降水直接进行带通滤波而导致的负相关现象,并起到消除模式系统误差的作用。     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

2009 年我国汛期降水形势总结与三个常用模式预报效果检验

利用实况24小时降水、形势场资料及T213、T639、Japan模式降水、形势场的预报资料,对2009年汛期(5-9月,下同)中国降水时空分布进行分析,并对T213、T639、Japan三个常用模式对2009年汛期的天气形势、降水及其影响系统的预报做主客观检验,以期得出2009年汛期降水分布特点及三个模式的降水预报效果对比.结果表明:(1) 2009年汛期华南地区降水量为全国之最,长江中下游和西南东部地区其次,东北和华北地区再次.(2)从TS评分看,Japan模式的小雨～大雨量级评分较高,T639模式暴雨～大暴雨量级评分较高;T213模式对华北地区暴雨、大暴雨量级降水预报评分高于Japan和T639模式.(3)从降水预报偏差看,T213模式对华北预报明显偏强,T639模式对华北预报强度较为适中,两模式对其他区域中等以下强度降水预报偏强,对强降水预报偏弱;T639对中等以下强度降水预报偏强程度明显小于T213,而对强降水除华南和东北区域外,预报偏弱程度明显大于T213;Japan模式预报偏差随降水量级增大而减小,对大雨以上各量级预报均明显偏弱,且偏弱程度明显大于T213、 T639.(4)由代表性形势场预报检验结果可知,除T213对500hPa高度场、850hPa温度场预报效果好于其他两模式外,各模式预报效果相差不大.(5)三个模式对500 hPa副高总体预报偏东、偏北、偏强,但Japan预报效果明显好于T213、T639.(6) T639模式对台风和低涡的预报相对较好,T213较差.     

动力延伸预报产品在广西月尺度降水滚动预测中的释用

对广西88个站全年各旬月尺度降水距平百分率作自然正交展开(EOF分解),选取累积方差贡献接近75%的前几个主成分为预报量.利用1982年至今的国家气候中心月动力延伸集合预报资料或回算实验资料,从月尺度平均500hPa位势高度、700hPaU、V向水平风速延伸预报场中选取初选预报因子,并运用EOF分解构建成综合预报因子,分别选取其中与各个预报分量相关程度高的主成分建立预报方程,滚动制作广西月尺度降水量预报.91个独立样本试验和实际应用证明,预报效果较好.     

Skill as a function of time scale in ensembles of seasonal hindcasts

Forecast skill as a function of time lead and time averaging is examined in two 6-member ensembles of seasonal hindcasts. One ensemble is produced with the second generation general circulation model of the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (GCM2) and the other with a reduced resolution version of the numerical weather prediction model of the Canadian Meteorological Centre (SEF). The integrations are initiated from the NCEP/NCAR reanalyzed data. Monthly sea surface temperature anomalies observed prior to the forecast period are maintained throughout the forecast season. A statistical forecast improvement technique, based on the singular value decomposition of forecast and reanalyzed fields, is discussed and evaluated. A simple analogue of the hindcast integrations is used to examine the behavior of two common skill scores, the correlation skill score and the explained variance skill score. The maximal skill score and the corresponding optimal forecast in this analogue are identified. The total skill of the optimal forecast is a sum of two terms, one associated with the initial conditions and the other with the lower boundary forcing. The two sources of skill operate on different time scales, with initial conditions being more important in the first one-two weeks and the atmospheric response to the boundary forcing becoming more dominant for longer time leads and time averages. This suggests that these sources of skill should be considered separately in forecast optimization. The statistical technique is moderately successful in improving the skill of monthly to seasonal forecasts of 500 hPa height (Z ₅₀₀) and 700 hPa temperature (T ₇₀₀) in the Northern Hemisphere and in the North Pacific/North America sector. The improvement is better when the forecasts for the first week and for the rest of the season are optimized separately. The SEF model produces better Z ₅₀₀ and T ₇₀₀ forecasts than GCM2 in the first one-two weeks whereas GCM2 performs slightly better at longer time leads. The skill of zero time lead forecast decays rapidly with averaging interval for time averages up to about 30–45 days and stabilizes, or even rises, for longer time averages. Excluding the first week from seasonal forecasts results in substantial degradation of predictive skill. Received: 1 November 1999 / Accepted: 24 May 2000     

国家气候中心短期气候预测模式系统业务化进展

该文简要介绍了国家气候中心短期气候预测模式系统的研发成果,并侧重于从海洋资料同化系统、陆面资料同化系统、月动力延伸预测模式系统、季节气候预测模式系统4个方面介绍了第2代短期气候预测模式系统的业务化进展。第2代海洋资料同化系统已初步建成,其对温盐的同化效果总体上优于第1代同化系统;陆面资料同化系统正在研发中,目前已完成其中的多源降水融合子系统的业务建设工作,可为陆面分量提供实时的大气降水强迫分析场;第2代月动力延伸预测系统基于国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.2建立,已于2012年8月进入准业务运行阶段;第2代季节预测模式系统基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m) 建立,将于2013年底投入准业务运行。初步评估表明:第2代月动力延伸预测模式系统和季节气候预测模式系统分别对候、旬、月和季节、年际时间尺度的气候变率体现出了一定的预测能力,其对降水、气温、环流等要素的预测技巧总体上要高于第1代预测系统。     

月动力延伸预报产品的评估和解释应用

该文用3种客观评分方法对国家气候中心的月动力延伸预报结果（500 hPa位势高度场）进行了全面评估。结果表明,延伸预报环流的旬和月平均场预报准确率明显高于持续性预报,有一定的预报技巧和业务参考价值,但仍未达到可用于实际业务预报的技巧。对形势预报进一步分析发现,500 hPa的部分环流特征量模拟效果好,其预报技巧高于整个形势场的预报。根据已有的经验和研究成果,这些环流特征量和要素预报有较好的相关,可以直接在业务中应用。该方法为动力产品的解释应用提供了又一条途径。     

月动力延伸预报产品在三峡工程建设服务中的应用

用3种客观评分方法对国家气候中心为三峡库区提供的月动力延伸预报产品（500hPa位势高度场）进行了全面评估，结果表明，延伸预报月平均环流场预报准确率明显高于持续性预报和气候预报，有一定的预报技巧，对三峡工程气象服务有参考价值，从动力统计相结合的角度出发，利用推导的月降水距平与月环流场的关系，建立了三峡库区代表站点月降水距平预报议程，利用月动力延伸预报的500hPa高度场和实际降水场资料反演出月降水距平预报方程的系数，经过1999年降水预报试验，证明效果较好。     

青藏高原低频振荡对2013年夏季长江流域高温热浪的影响

利用1971~2013年台站逐日最高气温、平均气温站点资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料，通过小波分析、Butterworth带通滤波、相关分析、合成分析等方法，分析了青藏高原的低频振荡特征及其对长江流域高温热浪的影响。结果表明:2013年夏季，长江中下游地区最高气温、平均气温均存在40~70d和10~20d的两个振荡周期，并且，高原季风变化存在显著的40~70d振荡周期， 200hPa上空南亚高压也以40~70d周期变化为主；在40~70d的低频振荡尺度上，高原季风偏强对应600hPa从伊朗高原到青藏高原再到长江中下游地区均为低频气旋环流系统，南亚高压偏强对应200hPa高原主体为低频反气旋系统；长江中下游地区受到高原和东海地区低频系统的影响，近地面气压升高，可能导致温度上升；高原季风的低频分量增大（减小）可能导致滞后其20d的长江中下游地区温度升高（降低），而南亚高压的低频分量增加（减少）可能导致滞后其13d的长江中下游地区温度升高（降低）。