我国短期气候预测的物理基础及其预测思路

短期气候预测依据大气科学原理,运用气候动力学、统计学等手段,在研究气候异常成因的基础上对未来气候趋势进行预测。虽然目前我国短期气候预测的水平还不高,但短期气候预测是国家经济发展和防灾减灾的迫切需求,提高预测准确率是气象科研和业务人员的重要任务。该文从海洋、积雪等外强迫信号及大气环流大尺度变动等大气内部特性等角度概述了短期气候预测的物理基础,简要回顾了近60年来我国短期气候预测的发展历程,并介绍了作者近十几年来研制短期气候预测客观统计学及统计与动力学相结合预测模型的主要思路。     

我国短期气候动力预测模式系统的研究及试验

气候和气候异常对我国的国民经济发展具有重大影响,为提高短期气候预测的准确率,研究动力气候模式短期气候预测新技术至关重要.通过近5年的努力,建立了一套出月动力延伸预报模式,海气耦合的全球气候模式(AGCM+OGCM+海冰+高分辨率印度洋-太平洋海盆模式),区域气候模式季和年际尺度的业务动力模式组成的系统.初步把我国的短期气候预测水平由经验统计方法提高到定量和客观分析的水平上.在此基础上,已建成了一个具有物理基础的统计方法与气候动力模式相结合的综合气候预报系统.     

IAP短期气候距平预测系统的定量评估及订正技术的改进研究

采用一套多指标的评估方法, 对中国科学院大气物理所研制的短期气候距平数值预测系统（ＩＡＰＰＳＳＣＡ） 方案１ 的预测性能进行了定量的、系统的评估。评估表明： ＩＡＰＰＳＳＣＡ 对中国汛期大尺度的、重大的降水异常预报较好; 在不同区域,ＩＡＰＰＳＳＣＡ 的预测能力不同, 对中国东南区域显示出较高的预报准确度和可信度; 与单个预报相比, 集合预测水平稳定, 能提高总体预测水平。另外, 还对订正技术进行了改进研究, 距平百分率订正较距平订正效果为佳。     

广西短期气候预测与气候灾害监测业务系统

广西短期气候预测与气候灾害监测业务系统主要包括数据库管理、气候灾害监测、短期气候预测3个子系统,集气候资料管理、气候灾害监测、短期气候预测等气候综合业务于一体.     

气候动力学与气候预测理论的研究

主要概述了中国科学院大气物理研究所近些年来在气候动力学与气候预测理论研究领域的若干重要研究进展.通过对气候系统变化多尺度特征及其动力学的分析和研究,提出了一系列气候系统动力学理论,并在此基础上提出了适合于我国季风气候特点的气候预测理论和方法,在国际上率先开展了跨季度数值气候预测,进一步建立了先进、完善的短期数值气候预测系统,并应用于我国夏季旱涝预测业务.这些工作既带有极大的基础性意义,同时也具有巨大的应用价值,为我国大气科学及气候科学乃至环境科学的研究提供了重要工具.     

短期气候预测的出路在何方?

100年来短期天气预报成功地跨越了三大步：挪威学派、Rossby学派和Charney开创的数值天气预报。在“气候是天气的综合”这一错误思想的指导下,每一次短期天气预报的成功都引出了短期气候预测的热潮,相应地出现了大型天气学、超长波控制论和短期气候的数值模式预测方法。它们各自研究了几十年后,最终仍未见成效,使100年来短期气候预测的水平仍基本上是在原地踏步。作者认为短期气候预测出路在于：首先要坚决摒弃“气候是天气的综合”这一错误的指导思想,其次要将目前关于“气候系统”的抽象定义转化为具体的物质的定义,作者认为地热涡、地冷涡和形变锋等很可能就是具体的“气候系统”。描述这些“气候系统”演化的具体图像就是“地气图”。     

我国近年来短期气候预测研究的若干进展

回顾了近年来我国短期气候预测研究的若干进展,主要是在中国科学院大气物理研究所完成的以气候模式为基础的短期气候预测方面工作.第一个基于气候数值模式开展短期气候预测试验的是曾庆存等人,他们所采用的是IAP AGCM耦合一个热带太平洋环流模式(OGCM);1997年,基于耦合气候模式基础上的ENSO预测系统建立起来;同时开展了东亚区气候可预测性研究;利用气候变动的准两年信号提出了对模式预测结果进行有效修正的方案;为了考虑初始土壤湿度异常对夏季气候的影响,建立了气象变量和土壤湿度的经验关系;还系统地研究了1998年海面温度异常和大气春季异常对夏季气候(特别是发生于中国的大水)预测的影响.     

Recent Researches on the Short-Term Climate Prediction at IAP－A Brief Review

回顾了近年来在中国科学院大气物理研究所开展的有关短期气候预测研究的进展。第一个短期气候数值预测是曾庆存等利用一个耦合了热带太平洋海洋环流模式的全球大气环流模式作出的。1997年，一个基于海气耦合模式的ENSO预测系统，包括一个海洋初始化方案被建立起来，同时也开展了基于海温异常的东亚气候可预测性研究。利用气候变动的准两年信号，王会军等提出了一个可以显著改进模式预测准确率的模式结果修正方案。为了考虑土壤湿度的初始异常对夏季气候的影响，一个利用大气资料如温度、降水等经验地反演土壤湿度的方法也被建立起来。还通过一系列的数值试验研究了 1998年夏季大水发生当中海温异常和大气环流初始异常的作用。     

Recent Researches on the Short-Term Climate Prediction at IAP－A Brief Review

Studies on the seasonal to extraseasonal climate prediction at the Institute of Atmospheric Physics (IAP) in recent years were reviewed. The first short-term climate prediction experiment was carried out based on the atmospheric general circulation model (AGCM) coupled to a tropical Pacific oceanic general circulation model (OGCM). In 1997, an ENSO prediction system including an oceanic initialization scheme was set up. At the same time, researches on the SST-induced climate predictability over East Asia were made. Based on the biennial signal in the interannual climate variability, an effective method was proposed for correcting the model predicted results recently. In order to consider the impacts of the initial soil mois ture anomalies, an empirical scheme was designed to compute the soil moisture by use of the atmospheric quantities like temperature, precipitation, and so on. Sets of prediction experiments were carried out to study the impacts of SST and the initial atmospheric conditions on the flood occurring over China in 1998.     

基于EMD方法的观测数据信息提取与预测研究

用统计方法作月、季尺度的短期气候乃至年际尺度的长期气候预测是当前气候预测业务的主要依据,在短时间内这种情况仍然不可能彻底改变。虽然数值预报模式的预测能力达到了7 d的时效,不过要积分到月、季尺度并实现短期气候预测还面临着重重困难。其根本原因是气候系统的混沌分量和非线性/非平稳性等因素在起作用。而现有气候预测的统计方法(主要包括经验统计、数理统计和物理统计等方法)的数学基础却忽略了这些特点,这是因为以现有的科学水平人们不得不假设时间序列是线性和平稳的。实际气候观测序列普遍具有层次性、非线性和非平稳性,这给建立预测方法带来了极大困难。文中构建了一个新的预测模型,即首先利用经验模态分解(em-pirical mode decomposition,EMD)方法将气候序列作平稳化处理,得到一系列平稳分量-本征模函数(intrinsic modefunction,IMF);其次,利用均生函数(mean generate function,MGF)模型获得各分量的初次预测值;最后,在最优子集回归(optimal subset regression,OSR)模型的基础上,通过直接或逐步拟合一部分预测值,构建两种预测方案达到提高预测能力的目的。典型气候序列的预测试验结果表明,具有平稳化的IMF分量,尤其是特征IMF分量有较高的可预测性,它对原序列趋势的预测有重要指示意义。大力开展气候系统机理和气候层次的研究,并建立相应的气候模式是未来发展趋势。该文是这方面的一个初步尝试,相信该模型能为气候预测(评估)开辟一条新的有效途径。     

航空短期区域气候模式预测系统研究

基于国家气候中心的海气耦合业务预测系统CGCM_1.1的预测资料产品,集成并完善了一个单向嵌套的、中尺度海气耦合的区域气候模式ASRegCM,并以其为数值计算核心,建立了一套航空短期区域气候预测业务系统ASRCPOS。对1983～2002年（共20年）的回报试验结果显示,ASRCPOS业务预测水平较前期统计预测为主业务系统的预测水平有一定程度的提高。尤其是在对连续型变量地面气温的距平,以及对非连续型变量地面降水的距平量级预测能力方面,该动力业务系统预测能力较前期业务系统有所改善。回报结果同时显示,业务系统在异常天气气温的预测方面存在较大的改进空间,对月以下时间尺度预报的解释应用方面仍存在一定的局限。     

短期气候预测地气图方法的7条预报规则

根据三十多年来的短期气候预测经验，对于降水的短期气候预测，总结了7条预报规则：(1)能量频散规则；(2)相干共振规则；(3)下游阻塞规则；(4)侧向抑制规则；(5)驻波不频散规则：(6)风吹雨斜规则；(7)准半年重现规则(准半年韵律)。     

短期气候预测:南京信息工程大学60年回顾与展望

本文从科学发展角度回顾了国内外短期气候预测的发展历程;在此基础上,回顾了南京信息工程大学建校60 a来短期气候预测领域的团队建设及其在教学、科研和预测方面的实践,并展望其未来工作。     

中国业务动力季节预报的进展

利用动力模式开展季节到年际的短期气候预测 ,是目前国际上气候预测的发展方向。自 1996年以来 ,经过 8a多的研制和发展 ,国家气候中心已建立起第 1代动力气候模式预测业务系统 ,其中包括 1个全球大气 海洋耦合模式 (CGCM )、1个高分辨率东亚区域气候模式 (RegCM_NCC)和 5个简化的ENSO预测模式 (SAOMS) ,可用于季节—年际时间尺度的全球气候预测 ;全球海气耦合模式与区域气候模式嵌套 ,可以提供高分辨率的东亚区域气候模式制做季节预测。CGCM对 1982～ 2 0 0 0年夏季的历史回报试验表明 ,该模式对热带太平洋海表面温度和东亚区域的季节预测具有较好的预测能力。RegCM NCC的 5a模拟基本上能再现东亚地区主要雨带的季节进展。利用嵌套的区域气候模式RegCM NCC对 1991～ 2 0 0 0年的夏季回报表明 ,在预报主要季节雨带方面有一定技巧。 2 0 0 1～ 2 0 0 3年 ,CGCM和RegCM NCC的实时季节预报与观测相比基本合理。特别是 ,模式成功地预报了 2 0 0 3年梅雨季节长江和黄河之间比常年偏多的降水。SAOMS模式系统的回报试验表明 ,该系统对热带太平洋海表面温度距平有一定的预报能力 ,模式超前 6～ 12个月的回报与观测的相关系数明显高于持续预报。 1997～ 2 0 0 3年 ,SAOMS多模式集合实时预报与观测的相关系数达到     

我国短期气候预测技术进展

经过近60年的发展,我国短期气候预测技术和方法也有了长足进步。近年来,一些新的预报技术和机理认识不断应用于短期气候预测业务。ARGO海洋观测资料的使用大大提高了业务模式的预测技巧,新一代气候预测模式系统已经投入准业务化运行,研发了多种模式降尺度释用技术,多模式气候预测产品解释应用集成系统(MODES)和动力-统计结合的季节预测系统(FODAS)逐渐应用于业务中,大气季节内振荡(MJO)逐步在延伸期预报中得到应用。近年来,对全球海洋、北极海冰、欧亚积雪、南半球环流系统对东亚季风影响的新认识也不断引入到短期气候预测业务中。这些新技术和新认识的应用极大提高了我国短期气候预测的业务能力。     

基于EMD 和集合预报技术的气候预测方法

气候系统是典型的非平稳性系统,然而对于气候观测数据的处理通常是在时间序列平稳的假定下完成的,比如气温和降水的多步预报,这通常会导致预报准确度较低。为改进该缺陷,首先将非平稳数据序列分解成平稳的、多尺度特征的本征模态函数分量(IMF),再使用数值集合预报与逐步回归分析相结合的方式对每一个IMF 分量构建不同的预报模型,最后线性拟合成预报结果。通过Visual Studio 2008 开发平台使用上述方法建立了一个短期气候预报系统,采用广西区88 个气象站1957—2005 年的2 月距平气温数据进行实际验证。结果表明,相对于普通预测和单一预测方法,加入了EMD 和集合预报技术的方法在仅用历史资料进行多步预测的情况下,对于气候的变化趋势以及突发性气候具有更好的预报能力。      

新疆克州地区气温年代际变化及均生函数预报模型的应用

讨论了克州地区气温突变及年代际变化特征，并利用均生函数预测模型对克州地区气温进行预测试验，1995－2001年预测试验表明，均生函数预测模型可以较好地拟合出气温的气候变化趋势，对年、季气温有较好的预测能力。     

厄尔尼诺事件对黑龙江省低温洪涝灾害的影响及其预报

在研究厄尔尼诺（拉尼娜）事件对黑龙江省低温洪涝灾害影响的基础上，提出一种表征厄尔尼诺的指数（ENI）。根据ENI谱分析结果，提出了一种厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的统计预测方法。经1997年对强厄尔尼诺和1998年对拉尼娜事件预报检验证明，该方法可行，可在区域和省级短期气候预测中应用。     

论短期气候预测的对象问题

基于气候变化的物理过程和数学方面的考虑,讨论了短期气候预测的对象问题。短期气候预测对我国具有重大的经济和社会价值,但也是非常困难的科学难题和科学工程。传统的把气候距平作为预测对象的方法并不一定具有科学严谨性和应用上的高效性。因此提出把气候年际增量作为新的预测对象,并从数学物理考虑上进行了讨论。最后,基于一个气候模式的预测试验,实际检验了新的预测对象方案的效果。     

基于多种集合的中国冬季气温逐月滚动预测

利用1979—2015年中国国家气候中心整编的160站月平均气温和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,从1979/1980—2008/2009年冬季前期500 h Pa高度场、200 h Pa势函数和850 h Pa势函数场选择预测因子,考虑不同时效因子的组合及其独立性,综合应用多因子回归集合、交叉检验集合、逐月滚动集合,建立了针对中国冬季气温的逐月滚动预测模型,并利用该模型对2010/2011—2014/2015年冬季气温进行了独立预测试验和检验。结果表明,综合运用多种集合可提高短期气候客观定量预测的可行性和稳定性。多因子回归集合能增加可预测站点数,交叉检验集合可减少因统计关系不稳定而产生的对预报效果的影响,逐月滚动集合的应用不仅增加了可预测站点数,而且使预测效果更加稳定。本文建立的预测模型可对中国冬季气温进行长时效的预测,且有一定的预报技巧,对实际的季节预测业务有重要应用价值。