CFSv2模式对汛期黑龙江省延伸期时段降水预测检验评估

利用1999-2010年CFSv2模式资料,基于国家气候中心Ps和Cs检验方法,对汛期黑龙江省延伸期时段降水趋势和过程进行检验评估。结果发现：模式预测6月延伸期降水趋势效果较差,但从7月上旬开始至8月中旬模式预测技巧明显提高,Ps评分基本通过65分,距平符号一致率也达到50%以上。模式预测延伸期降水过程效果较好的时间为6月上旬、7月上旬、7月下旬和8月中旬,预测降水日数准确率在20%以上。预测结论可以为业务中延伸期降水预测提供参考依据。     

CFSv2模式对淮河流域夏季气温降水预测能力的评估

基于美国环境预测中心提供的CFSv2模式回报数据以及淮河流域172个气象台站的气温降水观测数据,评估了该模式对淮河流域夏季气温降水的预测能力。结果表明:模式对气温气候平均态的模拟与实况较为接近,降水虽然能够反映出南多北少的分布特征,但气候平均值明显偏小。模式对于气温和降水均方差的模拟均偏小。从频率分布来看,回报气温的频率分布与实况较为接近,回报降水不仅存在很大的负偏差,出现异常降水的频率也比实况明显偏低。对ROC曲线的分析进一步表明模式预测高温事件的能力明显好于低温事件,预测降水异常事件的能力在不同起报月有差异。从主要模态的时空结构来看,模式能够反映出其空间结构,对于增暖的趋势模拟也相当不错,但增暖的速率高于实况,虽然模式没有能够反映出降水主要模态的年代际变化特征,但对于年际变化有较高的预测技巧。这些评估为短期气候预测和模式解释应用提供了参考。     

CFSv2在湖北省梅雨特征量延伸期预报中的应用

利用NCEP的气候预报系统第二版(CFSv2)提供的逐日降水模式资料,采用集合预报方法开展区域性夏季降水预报,使用出入梅日期均方根误差(RMSE)、准确率(ACCU),梅雨期长度均方根误差(RMSE)及梅雨雨强距平符号一致率(Pc)等3种方法评估模式资料对湖北省梅雨特征量的预报能力。结果表明:入梅预报提前13 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,出梅预报提前14 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,梅雨期长度预报提前14天的RMSE小于5 d,梅雨雨强预报提前14 d的Pc可达0.5以上。梅雨特征量总体预报时效为14 d左右,CFSv2模式资料对区域性夏季降水在梅雨延伸期时段表现出一定的预报技巧。     

CFSv2对2018年浙江梅雨降水多尺度预测的性能评估

从梅雨预测的业务需求出发,系统开展了CFSv2模式对2018年浙江梅雨期降水预报能力的多时间尺度评估。结果发现3月1日—5月31日的起报结果整体上未能较准确地预测6月浙江大部降水偏少的趋势、仅5月31日的预测结果与实况相符;在延伸期尺度上,CFSv2预测的梅雨期总降水量较实况偏少30%左右;基于相关系数、均方根误差和新定义的综合预报技巧指数等指标分析模式的延伸期预报性能,发现对梅雨期总降水量、逐日区域平均降水量和逐日全省各站降水量的预报技巧有限,对浙江梅雨区的预报水平总体高于浙江全省。评估结果表明CFSv2预报产品表现出显著的系统性干偏差;在延伸期尺度上,随着预报时效的缩短,预报效果并非逐步提升、而是客观存在一个最佳预报时效,各起报日也分别对应着不同的最优预报时段,整体而言梅雨降水的延伸期预测可能对初值并不敏感。     

CFSv2模式对巴彦淖尔市夏季月气温和降水量预测能力的评估

基于美国环境预测中心的CFSv2模式输出的1984—2009年6—8月平均气温和降水量格点数据,以及巴彦淖尔市9个气象台站的气温和降水实况数据,评估该模式对巴彦淖尔市6—8月气温、降水的预测能力。结果表明:模式对气温气候平均态的模拟和实况分布存在差异,降水反映出东多西少的分布特征,但气候平均值明显偏小。模式预测气温明显高于实况,但能够较好地反映26a气温的变化趋势,两者年际变化相关显著;模式预测降水量平均仅为实况降水量的1/2,并且对>50mm月降水量的预测能力较差。Pc、Ps评分检验显示,6月评分高于7、8月,降水量高于气温,模式对降水量预测的Ps评分已达到业务考核标准,经量级订正后,可以业务应用。     

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。     

CFSv2模式产品在汛期海南热带气旋频数预测模型中的应用

利用1982—2014年汛期影响海南的热带气旋频数、NCEP/NCAR逐月再分析资料和CFSv2模式历史回报数据,分析了热带气旋频数特征及同期环流特征,并利用逐步回归构建基于模式有效预测信息的热带气旋频数预测模型。结果表明:汛期影响海南热带气旋频数的异常与同期大尺度环流变化密切相关,且CFSv2模式对其环流影响关键区具有较好的预测技巧,包括南海到热带太平洋的海平面气压、500 h Pa位势高度场、低层风及热带太平洋纬向风切变。据此,利用逐步回归构建热带气旋频数预测模型,其26 a交叉检验中实况与预测相关为0.88,距平同号率达88%;6 a预测试验仅2 a预测与观测反号,可见模型具有良好的稳定性和预测技巧,可为汛期热带气旋频数预测提供依据。     

CFSv2对浙江省延伸期逐日降水预报性能评估及解释应用初探

利用CFSv2长序列回报资料和近6 a实时预报数据,系统分析了模式对浙江短中期(Short-medium Range,SMR, 1~10 d)和延伸期(Extended Range,ER, 11~30 d)逐日降水的预测性能,并基于系统误差订正(Systematic Bias Correction,SBC)技术开展了解释应用。结果表明:(1)模式回报技巧在SMR时段快速衰减,而在ER时段的衰减明显趋缓;SMR时段的相关系数远高于ER时段,但这两个时段的均方根误差较为接近;(2)从季节演变来看,模式技巧在秋冬季较高而在春夏季相对较低;(3)模式回报结果表现出显著的系统性偏差,这一偏差在各个起报日(提前1~30 d起报)中稳定存在,采用SBC技术开展解释应用,发现订正后模式的回报技巧在ER时段显著提升;(4)进一步将SBC技术应用于实时预报,发现实时预报的技巧也得到了一定的改善,且ER时段的改进效果更为显著。     

基于CFSv2.0西南地区机场10～30 d延伸期预报产品设计与实现

延伸期逐日预报对于民航属于新兴气象业务。针对民航运行服务需求,根据CFSv2.0气候模式预报产品,运用双线性站点插值技术,基于5 d集合滑动平均和实况报文订正方案生成10～30 d西南地区各机场延伸期逐日最高温度、最低温度、降水量和风向风速的时序柱状曲线预报产品。选取2020年冬季双流机场和贵阳机场强降温和持续性降水过程进行预报效果检验,结果表明：机场延伸期逐日预报产品在强降温与持续性降水预报方面表现出较好的预报性能,能平均提前16 d预报强降温过程,提前20 d预报持续性降水过程。与实况数据相比,强降温和持续性降水预报的时段、强度略有偏差,但预报的变化趋势基本一致。     

月动力延伸预报产品在西北地区月降水预测中的释用

利用西北地区较密的163个气象观测站点逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料500 hPa逐月高度场和月动力延伸集合预报500 hPa高度场资料, 进行了气候预报、持续性预报、实况解释检验和月动力延伸预报产品释用预测试验的比较。结果表明:实况解释检验结果的准确率 (PS) 评分最高, 气候预报平均PS最低, 月动力延伸预报解释应用方法略低于实况解释检验, 高于气候预报和持续性预报。PS的空间分布表明, 月动力延伸预报解释应用结果和实况回报试验的分布非常相似, PS最大值分布在青海南部、陇南和陕西大部等各月降水气候值相对较大的地区, PS较小的地方则在新疆部分地区、甘肃河西西部等各月降水气候值相对较小的地区, 西北其他地区PS值相差不明显。此外, 利用密集站点资料进行解释应用的效果高于利用稀疏站点资料的结果, 表明更多观测信息的应用有利于改善预测技巧。     

CFSv2模式对春季逐月南极涛动预测效能及成因分析

系统评估了美国第二代气候预测系统（CFSv2）对1983～2019年北半球春季逐月南极涛动（AAO）的预测效能及可能成因。结果表明,CFSv2模式对3月、4月和5月AAO空间模态预测效能较好,但是耦合模式仅对3月的AAO年际变化具有较好的预测能力,对4月和5月AAO年际变化的预测能力较差。热带中东太平洋和澳大利亚以东太平洋海温异常有可能是3月AAO年际变化的可预测性来源。一方面,3月厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）与AAO之间关系显著,而4、5月两者之间关系减弱。 3月ENSO激发PSA（Pacific–South American）波列传播到南太平洋上,通过影响南太平洋海温异常以及低层气旋性环流异常影响3月AAO的年际变化。另一方面,3月澳大利亚以东太平洋海温异常在副热带急流核心区域激发活跃的Rossby波列,该波列由澳大利亚东部向东南频散到南太平洋中高纬地区,造成该地区位势高度异常,使得副热带地区30°S西风减弱,南半球高纬60°S西风加强,进而影响AAO的变化。CFSv2对3月AAO的预测效能高于4月和5月的主要原因是CFSv2模式能够很好再现3月AAO与ENSO、澳大利亚以东海温之间的关系及其影响机制。     

NCEP CFSv2对中国2015年夏季月尺度降水和环流预报分析

利用美国环境预报中心的第二代气候预报系统(NCEP CFSv2)提供的1982~2010年历史回报资料和2015年6~8月预报产品、NCEP CFSR再分析资料及中国地面观测降水资料,评估了NCEP CFSv2对2015年(厄尔尼诺发展年)中国夏季月降水和环流形势的预报能力,并分析了影响模式预报技巧高低的可能因子。结果表明:1)模式对降水的预报技巧较低且表现出明显的月变化(7月最高,8月次之,6月最低),但总体水平都不高。预报技巧明显依赖于提前时间的长短。2)CFSv2对影响我国夏季降水的500h Pa关键区环流异常空间模态表现出较高的预报技巧。对全东亚区域,模式基本都可提前5~9天(7月9天,6月6天,8月5天)较为准确的预报出未来一个月高度异常空间模态。3)通过对比分析发现,CFSv2环流预报中选取12个集合成员(滑动3天)可以得到较稳定的预报结果。4)在2015年夏季月尺度环流异常模态预报中,东亚全区的环流预报水平很大程度上取决于中高纬地区的预报。CFSv2对中高纬环流月预报技巧(6~8月都能从提前4天开始就基本稳定维持在较高水平)比热带地区更高更稳定。     

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。     

广东降水延伸期预报的探索

利用1961-2005年广东省站逐日降水资料,采用奇异谱分析结合自回归模型对广东候平均降水进行未来1～5候的延伸期预报试验.结果表明,广东省降水侯平均存在一个准40 ～60 d的振荡周期,对1961-2000年候降水重构相关系数在0.96以上.对2001-2005年候降水进行未来1～5候的预报试验,预报效果除2003年后延第5候较差外,其它4 a的预报结果都较好.后延第1候预报相关系数最高达到0.86,后延预报到第5候时相关系数也在0.3以上.从预报平均相对均方根误差来看,5 a均在30％以内,预报的稳定性和效果较理想.总体说明奇异谱分析结合自回归模型是一种较为有效的预报方法,在未来10～30 d延伸期天气预报业务中有一定的参考价值.     

NCEP CFSv2模式对川渝夏季降水次季节预测技巧评估及预报偏差分析

利用NCEP的第二代气候预测系统(CFSv2)提供的2000-2009年降水场历史回报试验资料以及川渝182个测站的降水实况资料。采用时间相关系数、均方根误差、距平相关系数、距平符号一致率以及PS评分等方法,对模式在川渝地区夏季降水以及夏季降水异常的次季节尺度预测技巧进行检验,并进一步分析了模式在概率密度和降水频次方面的预报偏差特征。结果表明：该模式对川渝夏季降水的可用预报时效为3候左右,能够较好地模拟出夏季降水的高值中心,但量级偏大。预报技巧高值区主要位于四川盆地西北部及渝东北地区,对攀西地区南部及川西高原部分地区也有一定的预报技巧。该模式也能够较好地把握川渝地区夏季降水异常偏少的趋势,有效预报技巧为2候以内。模式各时效预报与观测的降水概率密度主要集中在10 mm以下量级;模式预报各量级降水频次与实况相比均偏高得较为明显,且随着预报时效延长,偏差越大,其中偏高最为明显的是小雨频次。     

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 CFSv2对北半球夏季中高纬阻塞高压的预测检验北大核心CSCD

利用1999 2010年共12年NCEP CFSv2(NCEP Climate Forecast System version 2)每天4个时次对未来45天预测的回报数据,检验了CFSv2模式对北半球夏季(6 8月)中高纬乌拉尔山区域(10°E70°E)和贝加尔湖-鄂霍次克海区域(110°E 180°E)阻塞高压及其与之相联系的东亚气候的预测能力。分析结果显示,CFSv2可以较好的模拟夏季北半球阻塞高压发生频率的纬向分布特征,但随着预测时效的增加阻塞发生的频率不断降低。CFSv2对两个区域阻塞预测的命中率在7天时效内为50%左右,接近2周之后基本上没有技巧。CFSv2对区域阻塞事件的预测技巧要低于区域阻塞的技巧,贝加尔湖-鄂霍次克海区域阻塞事件的技巧略低于乌拉尔山区域。CFSv2对阻塞爆发和结束的预测超过7天左右,基本没有预测技巧,对乌拉尔山区域阻塞结束日的预测技巧要低于阻塞爆发日的预测技巧。CFSv2在可用的预测时效内可以较好再现与区域阻塞相联系的环流形势以及东亚地区气温、降水异常的分布特征,尤其是夏季乌拉尔山和鄂霍茨克海地区发生阻塞时我国长江流域及其以南地区降水容易偏多的特征。     

上海市夏季降水延伸期的预报方法

利用1998—2007年上海站降水资料和NCEP逐日700 hPa再分析风场资料,通过统计分析,发现上海强降水发生日,在10～20天滤波的合成低频流场上,我国沿海30°N附近地区纬向风明显加强,浙江福建沿海地区为一致的偏南风,故定义这两个区域为影响区.通过单点相关方法,在10～20天滤波的经纬向风场上分别找到一个与影响区风速超前15～20天相关性好的关键区域:110～130°E,0°～10°N和160～140°W,45～55°N.研究表明,关键区域的10～20天低频经纬向风有明显向上海附近地区传播的趋势,并且与15～20天后上海降水有显著正相关,对上海市6—8月未来15天的降水有较好的指示作用.     

与数值模式预报结合的冬季延伸期强降温过程预测方法及业务化应用

首先对NCEP-CFSv2模式预报的2017年1-3月和10-12月1～30天700 hPa 8个关键区低频波效果做了定量评估,然后,在此基础上将模式1～30天低频波预报结果和低频波预测模型相结合,在2018年1-4月和2018年11月至2019年1月对上海地区做了15次延伸期强降温过程业务预测,结果显示：（1）模式预报的关键区低频波位相和演变趋势与实况高度吻合,预报的延伸期（11～30天）关键区低频波与实况相关系数达0.839;预报的延伸期（3～6候）关键区低频波趋势平均准确率达83.3%,准确率为100%的比例高达45.8%。（2）15次延伸期强降温过程业务预测的平均准确率、 Cs评分和Zs评分分别为61.2%, 0.149和0.158,并准确给出2018年年初和年末两次最强降温过程发生时段,预报时效分别为18天和16天,显示出一定的预测技巧;评分结果显著高于未应用CFSVv2模式结果的2015年和2016-2017年1月同期业务预测。     

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合延伸期预报

延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节,如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料,通过奇异值分解方法,揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式（BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式）的回报数据,对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度,构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段（2014年12月—2019年8月）的结果表明,BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水;提前15—20 d以上预报时,动力-统计结合预报模型对冬季（夏季）华南沿海地区（长江以北地区）的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。