基于聚类分区的中国夏季降水预测模型

文章基于近邻传播客观聚类方法对中国夏季降水进行了气候分区,以中国不同分区的夏季降水为预测对象,使用前期的海温和海平面气压场为预测因子,利用图像标签算法提取高相关封闭区域的预测因子信息。结合最小二乘回归法建立预测模型。采用Ps评分、距平符号一致率和距平相关系数三种评分方法检验了该预测模型,比较了四种不同的因子配置方案的预测能力。研究结果表明,利用冬春季海温的演变特征结合海平面气压的年际变化为预测因子的分区预测模型效果较好,在1982—2009年期间的平均交叉检验平均Ps得分为81.4,距平符号一致率为63%,距平相关系数为0.35,2010—2014期间的独立样本预测检验的平均评分分别为77.1,58%和0.19,且逐年回报效果较为稳定,表明该方法对中国夏季降水有较好的预测效果。研究结果显示,该预测模型能较好地预测出2014年中国夏季降水南多北少的分布特征。     

影响广西的热带气旋的预测概念模型

利用太阳黑子相对数、拉萨站气温距平、相关海区海温距平、南极海冰面积资料,计算和分析前期太阳黑子活动、高原热状况、海洋行为和南极海冰变异与影响广西的热带气旋频数的关系,提出一个预测概念模型.     

北极海冰对中国西北地区东部主汛期7月降水分布型的可能影响

选取1961-2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、 NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料,利用SVD分解等统计诊断方法,分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明：影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态,一种是当巴伦支海、千岛群岛海域海冰密集度偏小（大）,戴维斯海峡海冰密集度偏大（小）时,激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列,使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”（“西低东高”）的分布,造成区域降水异常为“一致偏少（多）”分布型;另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时,激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常,使得冷空气路径偏东、偏南以及西太平洋副热带高压偏强,造成研究区降水异常为“北少南多”分布型,反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型,其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力,尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。     

基于年际增量法的青藏高原南部汛期降水预测研究

针对青藏高原南部汛期降水预测研究少和预测难度大的问题,通过分析1981-2010年青藏高原南部汛期降水与国家气候中心发布的88项大气环流指数、26项海温指数和16项其他指数年际增量的相关性,采用逐步回归法筛选出与降水相关的最优预测因子组合,在此基础上建立了高原南部汛期降水年际增量与预测因子的物理统计预测模型,并对2011-2019年的汛期降水进行了独立样本回报检验。结果表明,该模型的预测准确率很高,降水年际增量和距平同号率均达到7/9,距平百分率均方根误差为13%,降水相对误差在±15%以内的年份占比高达8/9。可见,该模型能够提高高原南部汛期降水预测能力。最后,利用NCEP/NCAR再分析月平均资料和NOAA海表温度月平均资料研究了预测因子影响高原南部汛期降水的物理机制。     

陕西4-10月降水量场预测研究

利用陕西省82站33a(1971-2003)逐月降水量资料,结合大气环流的重现期,用秋、冬季降水量场与4-10月降水量场的相关关系建立预测模式,预测4-10月全省降水量的分布.预测试验初步得出,秋冬季降水量场与4-10月降水量场相关系数为0.9028～0.9218,预测模式拟合相对误差为4%～7%.1964年和2003年全省性涝年回报试验结果表明,降水量距平符号一致率均在85%以上.对2007年4-10月全省降水量分布做了独立样本预测试验,降水量距平符号一致率为66 7%.     

DERF产品在江西汛期降水预测中的释用

利用T63月动力延伸预报DERF模式输出的北半球500hPa位势高度场资料和江西省83站逐月降水量实况资料,运用EOF迭代方法对江西省2005-2009年汛期4-6月逐月降水距平百分率进行解释应用预测试验.结果表明,预测模型对江西汛期降水趋势预测的评估效果比较好.月降水距平百分率的预测Ps评分总体平均为72%,平均距平...     

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%。     

云南1月降水异常的气候成因分析

在云南旱季降水稀少的气候背景下发生的异常旱涝气候事件是短期气候预测面临的难点之一。开展旱季降水异常的气候成因分析,对于提高气候预测准确率具有重要意义。1月是云南隆冬季节的主要时段,降水变化具有明显的偏态分布特征,年际波动非常显著。云南1月降水偏多年与偏少年大气环流有明显差异,500 hPa高度场上有四个区域位势高度与云南1月降水显著相关,中高纬的三个区域分别与斯堪的纳维亚(SCA)型遥相关的三个活动中心对应,低纬阿拉伯海的高度异常与孟加拉湾印缅槽活动有密切联系。当SCA为正(负)位相且阿拉伯海高度负(正)异常时云南1月降水偏少(多)。海洋上两个显著海温影响区域分别位于东南太平洋和北大西洋中西部,海温异常主要通过影响东亚和南亚地区的环流进而对云南1月降水产生影响。利用高度场和海温场的关键区域的数据分别合成高度场和海温场的组合序列,组合序列与云南1月降水有更高的相关性和更好的距平符号对应关系。在高度场和海温场组合序列的散点图上,近80%的年份位于第一和第三象限,这两个区域高度场和海温场的配置对云南1月降水作用一致,落区位置与降水距平符号对应关系很好;其余约20%的年份位于第二和第四象限,高度场和海温场的作用相反,落区位置与降水距平符号对应关系较差。     

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.     

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。     

月动力延伸预报产品在阿勒泰地区预报中的应用检验

利用2005年7月—2009年12月阿勒泰地区7个气象观测站逐月和旬的降水和温度实况资料、国家气候中心制作的月动力延伸预测模式的图形资料,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进行检验。结果表明:月动力延伸预报产品对各月温度距平同号率要明显高于降水距平百分率预报与实况同号率,对各月温度距平的预报评分比较稳定,而对各月降水距平百分率的预报评分差异较大。     

热带印度洋海温异常与ENSO关系的进一步研究

用1955年1月-2001年12月美国Scripps海洋研究所的海温再分析资料、美国NCEP再分析资料和美国气候预测中心(CPC)资料,讨论了热带太平洋ENSO与热带印度洋海温距平以及与印度洋偶极子(Dipole)的关系,研究结果发现:在垂直最大温度距平曲面(MTAL)上,热带印度洋海温距平分布存在着与热带太平洋ENSO密切相关的Dipole现象,其中最大的相关在太平洋ENSO 超前印度洋Dipole一个月.但是,热带印度洋Dipole的分布与Saij定义的位置略有不同,为东北西南向,它们分别在6°-10°S、65°-75°E(西印度洋)和2°-6°N、85°-95°E(东印度洋),它是赤道印度洋的一个主要海温距平系统.另外,在热带印度洋东北部与ENSO相关的海温距平是一个上下不一致的系统,该海温距平并没有伸展到海面,从海面到20-50 m的浅薄水层,则为与赤道西南印度洋相同符号的海温距平分布.因此在海面,海温距平不存在与ENSO有关的Dipole现象,赤道印度洋Dipole只存在于次表层以下,这是赤道印度洋Dipole与ENSO不同之处.这种赤道东北印度洋表层与赤道西南印度洋表层同符号的海温距平现象,有可能是海气热力过程如感热过程造成的.热带印度洋Dipole的周期要小于El Nio,一般为1-6 a.     

基于印度洋海温信号的我国西北地区东部夏季降水组合降尺度预测方法研究

利用国家气候中心第二代气候模式预测业务系统(BCC-CPSv2)预测产品,引入印度洋海温信号,采用组合降尺度方法建立了西北地区东部汛期降水预测模型。该预测模型对1991—2017年西北地区东部夏季降水的回报技巧较BCC-CPSv2预测技巧显著提高,空间相关系数由0.42提高到0.75,均方根误差明显减小,最多下降达80%。预测模型对降水空间分布型的预测能力较好,很好地回报了典型年份（1987年和2010年）夏季的降水距平百分率分布。通过抓住气象变量的空间分布特征,组合降尺度方法可以修正动力模式产品的预测误差,为西北地区东部夏季降水预测提供科学依据和技术支持,具有较好的应用前景。     

月平均气温集成预测方法研究

为了有效综合各种预测方法的预测结果,以陕西3个气候区域1999年7月至2010年6月月平均气温的集成预测为例,利用3种预测方法和国家气候中心业务产品月平均气温预测结果历史评分建立二类6种动态客观集成预测方法进行对比研究,结果表明：（1）各种集成预测方法年评分平均值均高于参加集成的任何一个成员,6种集成预测方法评分平均值比4个成员评分平均值高4.6,比同期陕西发布的业务产品高5.1;各种集成预测方法预测与实况距平符号一致率至少高于其中3个成员,6种集成预测方法预测与实况距平符号一致率平均值比4个成员平均值高4.7%,比陕西业务产品高5.1%。（2）3个气候区域中,榆林集成预测效果最好。6种集成预测方法评分平均值比4个成员评分平均值高5.7,比陕西业务产品高5.7;预测与实况距平符号一致率比4个成员高6.9%,比陕西业务产品高7.3%。（3）第二类集成预测方法预测技巧高于第一类,全年评分平均值高0.5,预测与实况距平符号一致率高0.7%。其中Z_（23）全年评分平均值比4个成员评分平均值高5.1,比陕西业务产品高5.7,预测与实况距平符号一致率比4个成员高6.0%,比陕西业务产品高7.6%,推荐首先选择使用。     

基于前期海温异常的宁夏5～9月候降水量客观预测方法及检验评估

利用宁夏1981~2014年降水资料,通过相关分析,发现与宁夏降水关系较好的主要是赤道太平洋、印度洋、北大西洋及西太平洋海温,其关键的影响时段为5月各候、6月第3候、8月1~3候、9月4~6候。利用多元回归方法,建立基于前期海温异常的候降水量客观预测模型。总体看来,模型对宁夏引黄灌区和南部山区拟合效果好于中部干旱带,对5月、8月、9月拟合效果最好。模型对各区域候降水量≥10 mm的准强降水过程预测,总体评分高于"异常相似释用预测方法";南部山区预测效果最好,引黄灌区预测能力较弱;从各月看,6月和9月的预测准确率相对较高,5月预测准确率最低。模型对引黄灌区候降水量≥5 mm的过程预测,6月效果最好。利用模型预测的2014年5~9月各站准强降水过程,ZS评分高于实时发布的业务产品。     

利用深度神经网络和先兆信号的江苏夏季降水客观预测方法

利用1961—2019年江苏省67个站降水量和气候指数数据集等资料,选取大气环流、海温和积雪等先兆信号的不同组合作为预测因子方案,通过对比不同机器学习方法对江苏省夏季降水开展预测试验。结果表明,深度神经网络（Deep Neural Network,DNN）较传统统计方法和其他机器学习方法有一定优势,深度神经网络结合动态权重集合因子方案对江苏省夏季降水的预测技巧最高,其独立样本检验结果稳定,2015—2019年的平均PS评分为76.0,距平符号一致率为0.62,距平相关系数达0.35,尤其对江苏省中南部的预测技巧更高,具有业务应用价值。不同预测因子方案对比分析表明,大气环流因子在江苏省夏季降水预测中做主要贡献,而海温因子和积雪等其他因子也有正贡献,说明使用综合性预测因子以及集合方案有助于提升季节预测准确率。      

中国夏季月际—季节平均降水动力和统计结合实时预测模型

中国夏季降水大幅度月际尺度变化往往造成极端旱涝事件交替或转折,但其月际异常会被季节平均掩盖,影响季节尺度气候预测准确度,因此亟需考虑月际气候预测,提升月际—季节尺度气候预测准确度。本文首先采用年际增量和场信息耦合型预测方法研制中国夏季6～8月月际尺度降水动力和统计结合气候预测模型,之后根据月际尺度降水预测,开展季节平均降水预测。首先,基于前期观测信息和美国第二代气候预测系统（CFSv2）预测结果,选取前期12月观测的南太平洋中高纬关键区海温、1月北极关键区海冰密集度以及CFSv2预测系统2月起报的夏季同期关键区海温作为月际尺度降水预测因子,分别研制以上具有物理意义的单预测因子预测模型,并采用奇异值分解（SVD）误差订正方法对其改进;之后,利用多因子择优集合方案,研制预测效能较高且稳定的中国160站夏季月际尺度降水动力和统计结合预测模型,进而基于月际尺度预测开展夏季季节平均气候预测。1983～2022年夏季（6～8月）中国160站逐月降水预测模型的交叉检验结果表明：逐月回报与观测降水距平百分率的时间相关系数通过90%置信水平的站点占比分别为90%,88%,82%,多年平均的空间相关系数分...     

关键海区海温异常的变化与中国区域降水和气温的关系

利用 １９５１年到 １９９８年的月平均海温资料及同时期中国 １６０个测站的降水和气温的月平均资料,选用海温异常的变化趋势一变温,讨论了关键海区海温异常的变化与我国降水和气温的关系,旨在探讨变温因子与我国降水和气温的关系与海温距平与降水和气温的关系有什么不同,用变温因子能否降低降水预报的不确定性。结果表明：降水异常对海温异常两种变化趋势的响应不完全相同,说明分别讨论同一种海温异常态的两种变化趋势对降水的影响比单独讨论海温距平对降水的影响更有效一些,有助于降低预报的不确定性;除西太平洋海区外,气温异常对各海区海温异常两种变化趋势的响应较一致。降水异常对变温的响应与对海温异常的响应,有一致之处,也有不同之处。     

赤道太平洋海温异常对宁夏7月降水的影响

基于1981—2018年宁夏7月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及ERSSTv5海温资料,分析宁夏7月降水变化规律及其成因,探讨赤道太平洋海温异常对降水的影响。结果表明:(1)7月降水以年际变化为主,2000年之后降水的极端性和异常性增强。(2)7月中高纬500 hPa位势高度距平呈"西低东高"分布型,其中,巴尔喀什湖为负高度距平,中国华北、东北至日本海为正高度距平。低纬孟加拉湾—南海附近低值系统活跃,同时配合700 hPa来自西北太平洋异常偏南风的水汽输送,造成宁夏7月降水异常偏多。(3)21世纪以来赤道太平洋海温对宁夏7月降水的指示意义增强,特别是在ENSO衰减位相的冬末春初,当前期赤道太平洋呈"西暖中冷"("西冷中暖")的偶极型分布时,7月副热带西太平洋异常气旋(反气旋)对水汽的输送起到重要作用,配合500 hPa "西低东高"("西高东低")的异常形势,使得宁夏7月降水更容易表现出异常偏多(偏少),一定程度上反映出中部型ENSO事件对宁夏降水的影响。     

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。