NCEP CFSv2对北半球夏季中高纬阻塞高压的预测检验

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。     

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。     

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。     

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。     

基于NCEP CFSv2模式的黑龙江省夏季降水预测研究

基于1982-2017年NCEP_CFSv2（NCEP Climate Forecast System version 2）模式预测资料对黑龙江省夏季降水进行降尺度预测。通过分析黑龙江省夏季降水与同期环流因子的关系、模式对关键区环流因子的预测,选取模式模拟与再分析资料相关较好、黑龙江降水实况与再分析资料关系较好的环流因子作为预测因子,结合最优子集回归法筛选因子,建立降尺度预测模型,最后采用交叉检验法进行预测效果检验和独立样本预测。结果表明：模式降尺度预测与实况的距平符号-致率为69%,6 a独立样本预测中有5 a预测正确,优于目前的业务预测效果。进-步研究发现,在模式能够准确预测环流因子的情况下,模式降尺度可以较好地预测黑龙江省夏季降水的趋势。此外,模式降尺度在拉尼娜年预测效果较好。     

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模式资料在成都市延伸期降水预测中的应用评估

将CFSv2模式的延伸期预测资料应用于成都市14个国家站的延伸期降水预测,采用距平相关系数ACC、趋势异常综合检验Ps及Cs/Zs评分对2016年1月至2020年12月的预测回算进行预测效果评估,通过改进的消除偏差一元线性回归方法对模式预测进行订正和预测再回算、再评估.结果表明,CFSv2的延伸期预测与成都地区实际降水...     

北半球阻塞高压的维持Ⅰ:准地转和Ertel位涡分析

从北半球不同地区的４个阻塞高压个例，研究了阻塞高压维持机制及其地域性差异。对阻塞高压区域３００ｈＰａ时间平均准地转让涡低值区的维持机制的分析表明，该位涡低值区的维持机制存在显著的地域性差异。其中，在２个太平洋阻高个例中，时间平均流的位涡平流使低位涡向阻高西北部输送，从而有利于位涡低值区经向度的维持；时变扰动的位涡输送则有抵消平均流作用的倾向，从而对位涡低值区的维持起耗散作用。在大西洋和东亚阻高个例中，平均流的位涡平流使低位涡区向东移动，而时变扰动的位涡输送则有抵消平均流位涡平流的作用，从而有利于位涡低值区在原地稳定维持。以上主要是相对涡度输送的差异所致。等熵面Ｅｒｔｅｌ位涡分析表明，阻高区域３３０Ｋ时间平均等熵位涡低值区的维持机制与３００ｈＰａ时间平均准地转位涡低值区的维持机制十分相似，从而表明以上等压面准地转位涡分析可以近似用来代表等熵Ｅｒｔｅｌ位涡分析。     

BCC模式对北半球阻塞高压的模拟偏差评估及原因

基于NCEP/NCAR、日本气象厅的JRA55以及欧洲中期预报中心（ECMWF）最新发布的ERA5三套逐日再分析资料数据,考察国家气候中心中等分辨率（约110 km）的气候系统模式BCC-CSM2-MR和单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻塞高压（阻高）的模拟能力。再分析数据分析结果表明:“北大西洋—欧洲地区”以及“北太平洋中部地区”分别为北半球阻高发生的最高频及次高频区域;冬春季为阻高高发季节,夏秋季阻高频率减少至冬春季的一半左右;ERA5再分析资料中各个季节的阻高频率均高于另两套资料结果,尤其在北太平洋地区。模拟评估结果显示,单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻高发生频率、空间分布和季节变化特征均有较好的模拟能力,其主要偏差表现为冬春欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率偏高,而北大西洋地区阻高频率偏低;春季北太平洋阻高频率偏低。这与模式北半球高纬度地区500 hPa位势高度场气候态偏差有关。BCC-CSM2-MR耦合模式的阻高模拟偏差总体与大气模式类似。但耦合模式中冬季欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率减小、北太平洋春季阻高频率增大,模拟偏差减小。同时,耦合模式能够再现夏季北太平洋东西阻高频率双峰值特征。因此,海气耦合过程有助于改善对欧亚及北太平洋地区阻高频率模拟。阻高频率年际变率受到气候系统内部变率不确定性的较大影响,这也是制约阻高预测水平的重要因素。     

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。     

北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法

利用1979—2018年夏季逐日观测和再分析数据,对北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法开展了研究。首先,利用非传统滤波即异常相对倾向（Anomalous Relative Tendency,ART）方法获取了气象要素的次季节变化分量,并采用EOF分析方法提取了北半球夏季热带主要季节内振荡信号,结果表明向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation,OLR）异常相对倾向EOF前两个模态共同反映了北半球夏季起源于印度洋并向东和向北传播的、具有30~60 d周期的季节内振荡（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO）信号。回归分析表明,该季节内振荡信号能够导致当地及其北面地区低层风场和位势高度场异常,影响该地区及其北面地区的水汽辐合辐散,从而能引起我国尤其是我国南方地区季节内旱涝变化,并一定程度上反映了我国异常雨带的向北推进过程。而后,将提取的热带主要季节内振荡信号作为预测因子,将降水异常相对倾向作为先行预板对象,利用多元线性回归方法构建了我国夏季旬降水异常相对倾向的预报模型,将预报的旬降水异常相对倾向加上观测已知的降水近期背景距平,从而得到旬降水距平的预报结果。通过历史回报和交叉检验,评估了该模型对梅雨期我国江淮流域降水（包括2020年梅汛期异常降水）的次季节预测能力。     

北半球阻塞高压的维持Ⅱ:瞬变扰动强迫和平均流位涡平流的形成

着重探讨大西洋阻高和东亚阻高个例中瞬变扰动位涡（涡度）输送强迫和太平洋阻高中平均流位涡平流的形成机理。结果表明，扰动在阻高西南部西风分流区因形变而产生的扰动拟能向更小尺度串级过程，并不是扰动位涡输送强迫形成的必要机理。扰－流相互作用在阻高西（北）部非分流气流中也十分显著。数值试验表明，这一相互作用也可能是扰动强迫作用形成的机理。而青藏高原和附近海陆对比的强迫作用则可能是太平洋阻高中平均流的位涡平流形成的重要因素。对比分析表明，阻高维持机制的地域性差别可能与其上游（如青藏高原地区、落基山脉）地形和热源强迫作用不同有关。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

青藏高原春季积雪对北半球夏季季节内振荡的影响

利用中国科学院西北生态环境资源研究院提供的1981-2016年雪深资料,分析了青藏高原春季雪深异常对北半球夏季季节内振荡（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO）的影响。BSISO包括周期为30～60天的BSISO1模态和周期为10～30天的BSISO2模态。结果表明,当青藏高原积雪偏多（偏少）时,与BSISO1相关的对流在印度、孟加拉湾以及“海洋性大陆”（Maritime Continent,MC）区域偏多（偏少）,而在南海和西北太平洋区域偏少（偏多）;与BSISO2相关的对流在北印度洋、MC以及东海南海区域偏多（偏少）,而在西北太平洋区域偏少（偏多）。高原积雪可以通过改变背景风场以及湿度场来影响BSISO1的对流活动。当高原春季积雪异常增多（减少）时,垂直东北风切变在北印度洋区域增强（减弱）,北印度洋与孟加拉湾间的湿度梯度增加（减小）,有（不）利于与BSISO1相关的对流活动传播到孟加拉湾及MC区域;MC区域水汽减少（增多）,不（有）利于与BSISO1相关的对流活动继续传播到南海和西北太平洋区域。     

基于CFSv2对夏季西太平洋副高逐日预测能力的检验评估

利用NCEP的气候预报系统第2版(CFSv2)提供的2000—2010年夏季逐日500 h Pa位势高度历史回报试验结果,通过均方根误差分析等方法,检验评估了该系统对夏季500 h Pa西太平洋副高的预测能力,发现CFSv2对夏季西太平洋500 h Pa位势高度场的整体相关性较高。CFSv2对副高西脊点和脊线位置的1~7 d的预报准确率在61.8%以上,对副高面积指数、强度指数以及北界位置6~42 h预报时效的预报准确率在60%以上。此外,对副高面积指数、强度值和北界位置的预测结果作功率谱分析,得出CFSv2对500 h Pa副高强度指数1~7 d预测能力的变化在6—8月存在着显著的2.2~3.3 d的变化周期。     

影响中国夏季降水的前冬北半球中高纬大气环流年际变异主模态

本文利用观测和再分析资料,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)分析,发现北极涛动(Arctic Oscillation, AO)是显著影响中国夏季降水年际异常的前冬中高纬大气环流变异的主模态。AO在冬季发展成熟,在春季衰亡,在夏季发生位相反转。AO会导致华北、东北、长江中下游和华南夏季降水异常呈现三极型分布。伴随正位相的AO,在黄海至日本海上空的异常低压伴随的东北风异常引起华北和东北水汽通量异常辐散及降水减少,而西北太平洋的异常高压不仅增强其北侧的西南风水汽输送,和北部异常低压共同作用导致长江中下游水汽通量异常辐合及降水增加,而且使得华南水汽通量异常辐散,降水减少。因此,本文发现的前冬AO模态与我国夏季三极型异常降水分布的关系可为我国夏季旱涝预测提供一个重要的中高纬前期因子。     

NCEP CFSv2对北半球平流层极涡边界年代际变化特征模拟的评估

利用欧洲中心ERA-I和NCEP CFSR再分析资料、NCEP CFSv2回报和预报资料,分析了20世纪80年代以来北半球平流层极涡边界的年代际变化特征,评估了CFSv2系统对北半球极涡边界的模拟能力。结果表明:1980-2017年,从整体趋势来讲,冬季北半球极涡在北美区域回缩北退,在欧亚区域扩张南进;秋季北半球极涡在北美地区呈扩张趋势,在欧洲地区呈回缩趋势,在亚洲地区从20世纪80年代到21世纪00年代是明显扩张的趋势,10年代又为明显回缩趋势。在冬季,北美区域极涡回缩主要在20世纪90年代,欧洲区域极涡的南扩主要在21世纪00年代,亚洲区域极涡的南扩主要在20世纪90年代。在秋季,北美地区极涡边界的南扩主要在20世纪90年代,欧亚区域极涡的回缩发生在21世纪10年代,西欧地区的回缩最明显。CFSv2模拟的冬季极涡边界和面积的20世纪80年代至21世纪10年代的总体变化趋势与ERA-I资料一致,CFSv2尤其对21世纪10年代北美和亚洲极涡都扩张的趋势模拟的很清楚,但模拟的北美区域极涡边界呈回缩趋势的范围偏东,在10年代明显偏南,模拟的欧洲区域极涡边界20世纪90年代偏北,21世纪1...     

夏季西风带定常扰动对东北亚阻塞高压的影响

利用ECMWF 1980～1988年9年的格点资料，分析了定常扰动与东北亚阻塞高压之间的关系。分析结果表明:定常扰动的分布对阻塞高压维持日数有着重要的影响，定常扰动的季节变化可以很好地说明阻塞高压冬季多在太平洋和大西洋上发生和维持，而夏季多在东北亚地区发生和维持的特征。此外，从定常扰动的分布可以看到，不仅中高纬地区上空的正距平强度可以影响着阻塞高压的发生和维持，其南侧的负距平强度也同样重要地影响着阻塞高压。分析结果还表明:不仅定常扰动的水平结构对阻高有着重要影响，其垂直结构亦有着重要影响。最后，对夏季定常扰动进行了波数域分析，表明在夏季定常扰动的作用主要通过其中所包含的行星波、特别是行星波1波来实现，定常扰动中行星波部分的振幅变化是影响阻塞高压发生和维持的重要物理机制。     

欧亚大陆中高纬积雪消融异常对东北夏季低温的影响

利用美国冰雪资料中心提供的1979~2007年月平均积雪水当量资料、NCEP/NCAR的逐月再分析资料 以及中国743站的逐日气温资料,讨论了欧亚中高纬春季融雪异常分布与中国东北夏季温度的联系及其可能的影响机理。结果表明:欧亚大陆中高纬西部春季融雪偏多、东部春季融雪偏少时,我国东北夏季易出现低温。春季东部融雪量少,导致夏季剩余积雪偏多;夏季积雪融化吸热增多,加上后期的土壤湿度增加会导致该地区夏季温度异常偏低,高度场下降,500 hPa上欧亚中高纬东部的长波槽加深,槽后偏北气流加强;来自极地的冷空气容易入侵东亚中高纬地区,引起我国东北夏季低温。