基于BCC第二代短期气候预测模式系统的中国夏季降水季节预测评估

利用BCC第二代气候预测模式系统1996-2015年提前1～3个月的回报试验结果,评估了模式在季节尺度上预测中国夏季降水空间分布和降水异常的能力,分析了模式预报效果的年际差异,并探讨了模式预测误差产生的可能原因。结果表明,模式对中国夏季降水的季节预测具有一定的技巧,西南至长江中下游南部、黄淮平原西部、东北北部及藏北高原等地区季节预测技巧较高,同时,模式对降水距平预报效果整体较好,其中在长江中下游、黄淮地区、华南地区、西北地区及东北北部距平符号一致率较高。而模式对降水季节预测的偏差主要表现为我国东部降水量强度预测偏小,对夏季降水异常的预报技巧有限,且不同年份模式的预测效果差异较大。模式对夏季西太平洋及印度洋高海温区范围预测偏小,对副热带高压和东亚地区低层水汽辐合的强度预测偏弱,从而导致风场与环流场的配置与观测不一致,使得模式对我国东部夏季降水预测显著偏少。从模式预测效果年际差异来看,当华南地区实况降水量偏多、长江中下游及东北地区降水量偏少时,模式具有较高的预测技巧,反之,模式的预报技巧较低。分析中国东部降水与海温的相关关系发现,夏季西北太平洋、热带西太平洋和北印度洋是影响中国东部夏季降水的关键区域,模式中西北太平洋海温偏低对模式预报技巧具有重要影响,海温场、高度场、风场及水汽通量散度场不同的相互配置导致中国东部夏季降水的分布及强度差异,而模式不能合理把握各物理量场间相互作用过程,从而影响模式的预报效果。因此,改进模式对外强迫因子与降水异常相关关系的预测能力是提高我国夏季降水季节预测技巧的主要途径。     

动力模式产品在河南省夏季降水预测中的降尺度应用

利用NCEP/NCAR再分析资料和河南省106个站点夏季降水资料,建立了河南省夏季降水降尺度预测模型。该模型利用模式产品的500 h Pa高度场信息,通过统计降尺度方法,对河南省106个站点的夏季降水进行降尺度预测,实现了气候模式产品在河南省夏季降水预测中的降尺度解释应用,弥补了气候模式空间分辨率较低的缺陷。对该模型的历史回报检验表明,该降尺度模型对河南省夏季降水预测效果较好且较为稳定,尤其对北部、西部和豫南南部地区的效果最好。利用BCC-CGCM1和ECMWF-SYSTEM4模式资料,进行了独立样本的检验,结果表明,两种模式在5月起报的预测效果要优于3月起报的预测效果,BCC-CGCM1模式3月的预测效果要好于ECMWF-SYSTEM4的,两种模式在5月的预测效果相当。目前,此方法实现了可视化开发,并集成了检验方法,已应用于河南省气候预测业务中。     

重庆市动力气候模式产品降尺度应用检验评估分析

应用多种动力气候模式降尺度解释应用技术,经过2004~2008年的回算检验和2009年以来的业务应用,结果表明其对重庆市区域的月平均气温和降水量有较好的预测能力,MOS和PP两大类方法中,分别用逐步回归、相似离度和最短距离相似等建模方法,用车比雪夫多项式,涡度,动态区域,EOF和R方程等5种不同构建因子方案得出的预测结果Ps评分(中国气象局预测业务定量评分标准)显示,重庆市动力气候模式解释应用方法的预测能力超过了中国气象局的目标考核要求(降水≥60%,温度≥65%)。月降水量预测最佳方案是PP-回归-涡度和PP-回归-区域,月气温预测最佳方案是MOS-回归-涡度和MOS-回归-车氏。降水和气温预测效果最好月和最差月平均Ps评分差值分别达到14.5%和21.8%,表明预测效果存在明显的月际差异。由2006年3月个例分析可见,降尺度解释应用技术对月尺度气温降水正负距平空间分布形态有较好的预测能力。     

基于GCM模式预报的江西汛期降水降尺度预测模型

基于1951—2013年江西省87个台站逐日降水数据和NCEP/NCAR再分析资料,利用偏相关统计方法选取影响江西省汛期降水的强迫因子,并进行归因分析,最终基于GCM模式预报结果建立江西省汛期降水的降尺度预测模型。结果表明:对江西省汛期降水产生主要影响的两个强迫因子分别是蒙古500 hPa位势高度和前期1—3月黑潮延伸区海表温度,前者反映中高纬的冷空气活动,后者能影响西太平洋副热带高压的位置和强度,两者都将影响江西省汛期降水。利用这两个强迫因子建立降尺度模型能够准确拟合江西省汛期降水,可较好地把握汛期降水的主要趋势,因而可用于江西省汛期降水预测。     

降尺度CMIP6模式对新疆降水模拟评估

基于6个CMIP6模式的日降水量数据,采用降尺度方法将其统一分辨率到0.25°×0.25°,选取5个极端降水指数从降水气候态、极端性、季节性三个角度对新疆区域1961—2014年历史期降水模拟效果评估。结果表明,降尺度CMIP6模式能较好再现新疆区域降水的空间分布特征,最大年均降水量误差小于30 mm,夏季降水模拟效果最佳相关系数均高于0.8。模式在春秋季对降水的模拟效果差异较小,标准差比值均在1.00 ~ 1.25之间,ACCESS-CM2模拟效果最佳。模式集合均值能模拟出观测降水增多趋势,但低估了降水的年际变率,模拟结果提示新疆80年代的降水转折可能与人类活动有关。在降水极端性和季节性方面,降尺度数据对新疆的极端降水和季节性降水均有较好的模拟性能,降尺度数据对季节性降水的模拟能力（与观测均值误差小于0.001）比原始分辨率的数据（与观测误差大于0.005）效果更好。     

长江流域年降水预测动力-统计降尺度方法及其应用

基于站点资料、再分析数据和动力气候模式回报数据,利用经验正交函数分解（EOF,Empirical Orthogonal Function）迭代和年际增量方法,探讨了长江流域年尺度降水异常的动力-统计降尺度预测方法及其应用效果。结果表明,基于再分析数据的年尺度环流场,建立的长江流域年尺度降水异常增量的统计降尺度预测方案,其26 a回报检验的距平相关系数（ACC）平均达0.6,证明该方案具有较高的可预报性。进一步利用模式预测的年尺度环流场,建立了年降水异常增量的动力-统计降尺度预测方案,其ACC平均为0.42,显示了较高的回报技巧,远优于模式直接输出的年降水动力预报结果。通过分析调制年降水预报技巧高低的因素发现,赤道中东太平洋年平均海温距平为负值时,预报技巧更高,ACC平均达0.5以上。在拉尼娜发展年或拉尼娜持续年的冷水背景下,利用EOF迭代选取的特征向量偏多时,多尺度的大气环流信息被纳入预测模型中作为预测信号,预测技巧得到了提高。     

BCC第二代气候预测模式系统对2015年一次寒潮过程的预报能力评估

利用BCC第二代气候预测模式系统(BCC_CSM2)的回报试验结果,评估了BCC_CSM2对2015年1月27—31日一次强寒潮过程的次季节预报能力,结果表明:(1)此次寒潮过程主要由新地岛以西的短波槽不断东移发展而形成的,模式能够提前10 d较好地预报过程期间降温以及高空环流形势,相关系数、距平符号一致率以及均方根误差都定量表明模式在10 d左右具有较好的预报能力,但是对降温程度的预报能力随起报时间的延长逐渐降低;(2)为了探讨随起报时间延长模式预报能力降低的原因,从位势倾向方程出发,分析相对涡度平流和温度平流随高度变化发现,在模式提前10 d之内的预报时段内,模式预报的相对涡度平流和温度平流随高度变化与再分析资料的诊断结果基本一致,能够合理预测短波槽的东移和槽脊的强度变化,当预报超过10 d后,模式中相对涡度平流的配置不利于短波槽的东移,模式预报的低层出现暖平流,并随高度增加而减小,不利于槽的加深,使模式预报的环流形势产生偏差,导致模式预报能力降低。     

WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

为了解国家气候中心第二代季节预测模式系统（BCCv2）预测产品在重庆地区的动力降尺度效果,利用WRF模式对BCCv2的2016年汛期预测数据进行动力降尺度试验,对比了动力降尺度前后预测的重庆地区汛期平均降水的差异及采用不同边界层参数化方案对降水预测的影响。试验结果表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对重庆地区汛期降水预测整体偏少的情况,且在降水空间分布特征上与观测更加接近。对比采用不同边界层参数化方案（MYJ、MYNN2、YSU和ACM2）后的降水预测结果可知,YSU方案偏差较小;但从整体看,各方案间差异并不明显。对环流场的偏差分析以及进一步利用松弛逼近法进行的试验表明,动力降尺度能较好地改善BCCv2对青藏高原以南和中国南部地区位势高度预测的正偏差,并能改善降尺度前其对高原南部偏西风水汽输送预测的偏弱,但对两广一带向北水汽输送预测依然较弱;边界场在环流形势预测中的偏差可能与动力降尺度预测的重庆地区汛期降水整体偏少存在联系。

     

S2S模式对四川汛期候尺度降水预测技巧评估和误差订正

针对四川汛期候降水距平百分率（PAP）,采用距平相关系数（ACC）、时间相关系数（TCC）、符号一致率（SCR）和趋势异常综合评分（PS）4种预测评分方法对S2S计划中10个模式的预测技巧进行检验评估,并在误差分析的基础上提出“正负概率异常订正”方案对各模式候降水距平百分率预测结果进行订正。结果表明,随着预测时效延长,多数模式的预测技巧快速降低,模式间预测技巧的差距缩小。至第10天左右,各模式进入低技巧时段,预测技巧随时效变化的幅度减小,各模式仅对降水趋势异常有一定预测能力,其中BoM模式明显高于其他模式。除BoM模式外的其他模式对降水年际变化幅度都存在低估,降水距平百分率异常偏差为?33%—?18%,不随预测时效发生太大变化,但空间分布不均。经过误差订正各模式的距平相关系数和符号一致率有所提高,趋势异常综合评分有效提高,并且对次季节尺度的订正效果优于天气尺度。订正后,各模式在次季节尺度的平均趋势异常综合评分均高于76.8, 66.7%的模式评分为79.2—80.2,超过业务评分标准（72.0）近8分。订正效果在4 a独立样本检验中也得到验证。      

WRF模式对中国夏季降水的动力降尺度模拟研究

采用NCEP的FNL再分析资料驱动WRF模式,对中国10 a(2000—2009年)夏季降水进行双重动力降尺度(双重嵌套)模拟,将子、母区域模拟结果和观测进行对比,以检验双重动力降尺度对中国夏季降水模拟的"增值"能力。结果表明:单重动力降尺度(单重嵌套)方法能较好模拟出中国10 a夏季平均降水的空间分布,对季风雨带"北跳"特征模拟较好,但模拟降水具有系统性正偏差。在母区域的强迫下,双重动力降尺度模拟的降水分布与单重动力降尺度相比,没有发生根本性变化。但由于子区域的分辨率要高于母区域,双重动力降尺度比单重动力降尺度能提供更多有价值的降水细节。双重动力降尺度的这种"增值"能力存在地域依赖性,在华南地区和江淮地区,双重动力降尺度模拟出的降水分布、量值和逐日演变都要好于单重动力降尺度。但在华北地区,双重动力降尺度没有表现出明显的"增值"。     

基于BCC_CSM模式的山西省盛夏降水降尺度预测

降尺度方法是目前弥补气候系统模式预测结果不足的重要手段,为获得具有较高预测技巧的山西盛夏降水客观化预测产品,本文选取1990—2017年6月起报的BCC_CSM气候系统模式输出盛夏结果和同期NCEP/NCAR再分析资料同时与山西盛夏降水异常典型模态具有统计显著的因子,利用逐步回归方法建立了山西盛夏降水降尺度模型。进一步研究发现,降尺度模型的预测能力与BCC_CSM对影响山西盛夏降水关键区海温的预测技巧密切相关。检验回报与观测的时间和空间距平相关系数(TCC和ACC)、回报与观测的距平符号一致率(PC)以及趋势异常综合评分(PS),表明降尺度模型对山西盛夏降水的预测技巧较BCC_CSM输出有明显改进,BCC_CSM模拟降水TCC在山西全区没有通过95%信度检验,降尺度模型回报TCC在山西大部分地区通过95%信度检验,中南部通过99%信度检验;相应的ACC由-0.02提高到0.35,PC由53.3%提高到66.8%,PS由65.6%提高到78.9%。2018年盛夏业务试运行,ACC为0.42,PS为70.8%。     

成都区域中心动力气候模式产品降尺度应用业务系统

利用动力气候模式(T63)产品进行降尺度解释应用,是目前以及未来开展气候预测的主要手段。本系统基于国家气候中心下发的气候模式产品、NCEP/NCAR 500 hPa高度场、西南区域84个代表站温度降水历年资料,采用动力统计相结合的技术方法,建立了“成都区域气象中心动力气候模式解释应用系统”,该系统以统计降尺度方法在西南区短期气候预测中的业务化应用为目的,实现了统计方法与动力模式相结合的业务化,经过5年业务回报试验和近2年的预测业务运行,结果表明:该系统对西南区域的月尺度温度和降水有较好的预报能力,已成为西南区域气候中心日常业务的主要参考依据。本文主要介绍该系统平台的各子系统性能及采用的技术方法。     

成都区域中心动力气候模式产品降尺度应用业务系统

利用动力气候模式（T63）产品进行降尺度解释应用,是目前以及未来开展气候预测的主要手段。本系统基于国家气候中心下发的气候模式产品、NCEP／NCAR500hPa高度场、西南区域84个代表站温度降水历年资料,采用动力统计相结合的技术方法,建立了“成都区域气象中心动力气候模式解释应用系统”,该系统以统计降尺度方法在西南区短期气候预测中的业务化应用为目的,实现了统计方法与动力模式相结合的业务化,经过5年业务回报试验和近2年的预测业务运行,结果表明：该系统对西南区域的月尺度温度和降水有较好的预报能力,已成为西南区域气候中心日常业务的主要参考依据。本文主要介绍该系统平台的各子系统性能及采用的技术方法。     

华北汛期降水分离时间尺度降尺度预测模型的改进

本文采用偏相关预报因子挑选法和条件降尺度法,对已有的华北汛期(7~8月)降水时间尺度分离(TSD)降尺度模型进行了改进.利用偏相关法,找到一个新的影响华北汛期降水年际分量的前期预报因子,即6月北大西洋—欧亚遥相关(AEAT).该因子将扰动信号储存于北大西洋三极子结构,并在7~8月释放出来影响下游贝加尔湖低压系统的发展,从而影响华北汛期降水.利用6月Ni?o3指数和AEAT指数,本文建立了条件TSD统计降尺度模型,即按照预报因子的强度进行逐年分类,对于每个分类设计相应的预报模型,从而避免信息较弱因子的干扰.条件TSD降尺度方法显著改善了华北汛期降水的预测技巧,在独立检验阶段,预报降水与观测降水的相关系数由原模型的0.61提高到0.77,符号一致率从70%提高到87%.     

1966—2016年重庆南川降水的多尺度分析

利用1966—2016年南川国家站的逐日降水观测资料,分析了南川降水的年内分布及次季节变化和暴雨的气候变化特征、年际、年代际和趋势变化特征。结果表明:南川降水的年内分布差异大,降水量峰值出现在6月,月降水强度最大在7月;南川的降水具有明显的次季节变化,且准双周变化信号(10~25 d)大于低频季节内振荡(25~90 d);南川的暴雨日数和暴雨量与年降水量有很好的正相关性;暴雨出现在3—11月,其分布呈单峰型,峰值出现在6月;年平均暴雨日为2.5 d,暴雨日数年际变化的线性趋势不显著;暴雨日总降水量在1966—1994年存在10~12 a的年代际变化信号,在1996—2016年主要存在13~15 a的年代际变化信号,在1976—1984年还存在2~4 a的年际变化信号;南川的暴雨特征量年际、年代际变化大,但没有显著的升降趋势,说明南川暴雨的总体气候特征是比较平稳的。     

1966-2016年重庆南川降水的多尺度分析

利用1966–2016年南川国家站的逐日降水观测资料,分析了南川降水的年内分布及次季节变化和暴雨的气候变化特征、年际、年代际和趋势变化特征。结果表明：南川降水的年内分布差异大,降雨量峰值出现在6月,月降水强度最大在7月;南川的降水具有明显的次季节变化,且准双周变化信号（10–25天）大于低频季节内振荡（25–90天）;南川的暴雨日数和暴雨量与年降雨量有很好的正相关性;暴雨出现在3–11月,其分布呈单峰型,峰值出现在6月;年平均暴雨日为2.5d,暴雨日数年际变化的线性趋势不显著;暴雨日总降水量在1966–1994年存在10–12a的年代际变化信号,在1996–2016年主要存在13–15a的年代际变化信号,在1976–1984年还存在2–4a的年际变化信号;南川的暴雨特征量年际、年代际变化大,但没有显著的升降趋势,说明南川暴雨的总体气候特征是比较平稳的。     

动力气候模式降水预测能力初步评估

利用1982-2002年陕西省94个气象观测站逐月降水实况资料、国家气候中心制作的月动力延伸预测模式集合预报500hPa高度场资料,降尺度内插出94个站点月降水预测值,采用预报评分法（P）和距平符号异同评分法对内插预测结果检验。结果表明：预报评分法（P）评价结果较距平符号异同评分法评价结果整体偏高,二者在评分趋势上基本相同,尤其体现在降水较少的月份。     

动力气候模式降水预测能力初步评估

通过对山西省210余个年产量在90万吨以上的煤炭生产单位进行调查,确定西山煤电为重点调查对象。接受调查的人员主要为各单位总工、矿长、调度、技术人员、一线工人和财会人员,调查内容包括降水、雷电、高温、湿度、大风等对煤炭的影响。结果表明,2003年至2007年西山煤电的产量从2708．9万吨增加到3360万吨,产值由65亿增加到101亿,生产总值年年攀升,气象服务增加或节省的产值也在逐年增加。山西省煤炭行业对气象敏感度的综合评价为敏感,其中对气象雷电预警、降水灾害预警、连阴雨等尤其敏感。预警天气提前3h～6h通知即可做好防范。