IPRC区域气候模式对西北太平洋热带气旋潜在预测能力的初步检验

利用夏威夷大学IPRC高分辨率区域气候模式,对西北太平洋热带主要气旋活动季节(6—10月)热带气旋活动的特征及其大尺度环境场进行了17年的模拟试验,检验了模式对西北太平洋热带气旋的潜在季节预测能力。试验结果表明,该模式对西北太平洋热带气旋大尺度环境场具有较好的刻画能力,模拟的热带气旋年生成频数与实况的相关系数为0.77,季节内各月生成频数相关系数为0.82,显示出良好的潜在预测能力;生成源地分布与实况较一致;总能量(PDI)的年际变化趋势模拟也较为理想。但模拟的路径频数在南海地区明显偏多,北上热带气旋偏少,最大风速的峰值区间模拟效果较差。     

利用海气耦合模式预测的大尺度环流进行热带气旋年频数的预测试验

基于对热带气旋生成频数和大尺度环流相关关系的分析,利用SINTEX-F海气耦合模式预测的大尺度大气环流信息,通过提取模式预测较好与热带气旋生成密切相关的有用信息,建立了一个基于动力模式预测结果的南海和西太平洋热带气旋年频数预测模型,并对1982—2010年的热带气旋生成频数进行预测试验与检验。SINTEX-F海气耦合模式能够较好预测部分与热带气旋生成密切相关的大尺度环流特征,其中包括热带气旋活动区域的海平面气压、对流层风垂直切变、850 hPa热带辐合带和850 hPa 90 °E附近的越赤道气流。利用这些大尺度环流建立的预测因子与热带气旋生成频数有很好的相关关系,利用这些预测因子建立的多元回归预测模型对热带气旋频数的拟合率为0.8(相关系数,超过99.9%的信度检验)。预测模型的交叉检验结果表明模型整体预测效果较好。交叉检验预测结果与实况热带气旋频数的相关为0.71(超过了99.9%的信度检验),距平同号率为82.8%。但模型对热带气旋异常年的预测误差较大。      

西北太平洋风速垂直切变异常对热带气旋活动年际变化的影响

应用中国《台风年鉴》资料、欧洲中心40年月平均再分析资料和NOAA的逐月海温资料,研究了西北太平洋(5°—30°N,110°E—180°)风速垂直切变异常对热带气旋(TC)活动年际变化的影响。研究发现,西北太平洋所有TC、风暴以上级别的TC(TSTY,即达到热带风暴级别及以上的所有TC)和所有台风(WTY,包括台风、强台风和超强台风)年频数与西北太平洋风速垂直切变都显著负相关。西北太平洋风速垂直切变大小对生成源地在南海(5°—30°N,110°—120°E)TC和西北太平洋西部海域(5°—30°N,120°—150°E)TC的影响较小,而对西北太平洋东部海域(5°—30°N,150°E—180°)生成的TC影响最大:即西北太平洋风速垂直切变负异常年,有利于西北太平洋东部海域TC生成发展,使得负异常年较正异常年TC频数偏多和源地平均位置偏东;并且风速垂直切变的变化对TC频数和生成源地影响的显著性,随着TC强度的增加而增加。对TSTY生成环境场的进一步分析表明,西北太平洋风速垂直切变偏小年,季风槽偏强位置偏东,它的东端位于宽阔的太平洋洋面,与弱风速垂直切变区相配合,暖的海温加上低层强烈的正涡度和强烈辐合,且相应的高层有强的气流辐散区,这些环境场都有利于TSTY在主要源地尤其是西北太平洋东部海域生成,这是风速垂直切变偏小年TSTY偏多和生成源地偏东的重要原因。     

海洋和大气状态异常对西北太平洋台风活动的影响

本文分析了33年(1951—1983年)逐月平均的赤道东太平洋海温距平(SSTA)、热带西北太平洋500hPa高度距平和西北太平洋台风频数距平资料,指出:赤道东太平洋热力状况的异常对西北太平洋台风活动有明显影响。进一步对于1982—1983年的厄尼诺过程进行诊断分析,认为,SSTA异常可以通过经圈环流改变中、低纬环流的相互作用,以此来制约西北太平洋台风活动,即:当赤道东太平洋出现暖水时,北半球的哈得来环流加强,导致中纬度上空西风带加强、斜压扰动向南发展,结果,北半球副热带高压滞留在较低纬度、热带盛行东风气流,形成了不利于西北太平洋台风发生、发展的大尺度环流条件。     

西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化及预测

利用1950-2009年60 a的热带气旋资料、NOAA海温、NCEP再分析资料及74项环流指数等资料,研究了西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化特征,结果表明,西北太平洋热带气旋生成频数既有显著的年际变化,同时也存在明显的年代际变化。自1950年以来,西北太平洋热带气旋频数经历了一个先增加再减少的过程,其中转折点在20世纪70年代中后期,与之相对应,热带气旋路径频数也呈现明显年代际变化。在此基础上,通过分析前期春季海温场、大气环流异常及环流指数与夏季(6-10月)热带气旋生成频数的相关关系,选取了影响夏季西北太平洋热带气旋活动频数的预测因子,建立了一个夏季西北太平洋热带气旋生成频数的多元回归预测模型。检验结果表明,该模型能较好地拟合1951-2003年夏季西北太平洋热带气旋生成频数的年际变化,拟合率为0.6。对2004-2009年夏季热带气旋生成频数的独立样本预测试验表明,该模型对夏季西北太平洋热带气旋活动频数具有较好的预测能力,可以为热带气旋业务预报提供一定参考。     

几种台风资料的对比及台风年鉴数据的订正

通过对比分别采用台风年鉴、美国关岛联合台风警报中心(JTWC)和日本气象厅(东京区域专业气象中心)(JMA)的最佳台风路径资料,得到西北太平洋年热带低压强度以上(TC)和热带风暴强度以上(TS)的年频数、观测记录次数、破坏力强度等特征量,发现：⑴ 不同资料数据的差异随台风强度的增加而减小。分别基于CMA_SHI和JTWC资料的1950—1979年西北太平洋TC频数、TC观测次数存在明显差异,而TS差异性小得多,但年TS频数均值仍差异明显;⑵ 年代际分布上,1950年代差异较大,1970年代中期—1980年代差异较小,而1990年代中后期开始差异加大。进一步提出了对台风年鉴数据中风速和频数的订正方法。     

热带气旋频数的二次型预测模型

使用1951—2005年北半球500 hPa高度场格点资料、1949—2005年海温场 (SST) 格点资料, 计算与后期热带气旋发生频数的相关系数, 分析两个相关场显著相关区的统计特征, 进一步分析其天气气候学意义和物理意义。选取若干相关系数高的格点, 构成组合因子, 建立二次型曲线预测方程, 进行西北太平洋、南海及登陆我国、登陆广东的热带气旋年月频数的预测。预测试验和检验表明, 二次型预测模型有较高的拟合能力, 在业务应用中有较好的效果。     

西北太平洋与南海热带气旋活动季节变化的差异及可能原因

利用1945~2011年美国联合台风预警中心(JTWC)西北太平洋热带气旋资料,研究了南海(5°N~25°N,110°E~120°E)与西北太平洋(5°N~25°N,120°E~180°)热带气旋生成位置、生成频数、强度和持续时间的季节变化差异及其成因。从热带气旋路径穿越经度带频数的角度,探讨了ENSO对气旋活动年际变化的影响。结果表明,南海热带气旋活动显著地受季风调控。在南海冬季风作用下,1~4月热带气旋生成于10°N以南且频数较少、强度较弱,这主要是低层气旋式相对涡度和弱东风切变区偏南造成的。相反,受夏季风影响,6~9月是热带气旋生成最多、最频繁的季节,大都生成于南海北部17°N附近。在5月(10月)的季节转换期,生成位置大幅度北进(南撤)且生成频数显著增加(减少),取决于风速垂直切变及中层的相对湿度的急剧转变。11、12月两海域热带气旋生成于10°N以南主要归因于其上空中层大气相对湿度较北部偏大。在西北太平洋,热带气旋生成的季节变化没有南海显著,只在7月有一次明显的变化,7~10月是热带气旋活动的"盛期"。在强度上,西北太平洋大部分区域全年均为弱东风切变,因此热带气旋以台风为主且持续时间长;但南海多为热带风暴。ENSO事件使得不同季节热带气旋生成区域和气旋路径地理位置发生显著变化。在El Nio事件期间,穿越南海所在经度带路径频数为负距平,而西北太平洋经度带为正距平;在La Nia事件期间,情况相反。     

夏季影响海南的热带气旋频数预测

利用1976-2013年夏季影响海南的热带气旋频数(SumTCs)资料、NCEP/NCAR的500 hPa高度场、高低层纬向风切变场、SLP场、OLR场和海温场等再分析资料,研究了前期不同环境场因子对SumTCs的影响,提取有一定物理意义的高相关预测因子群,经因子降维处理后建立SumTCs的模糊神经网络(FNN)预测模型。研究结果表明:1976-2007年SumTCs的交叉检验预测结果与实况SumTCs的相关系数为0.71,平均绝对误差为0.65个。该预测模型在2008-2013年6年的独立样本检验中平均绝对误差为1.5个,评分为76.7分,优于相同因子的逐步回归预测模型和仅基于海温场和500 hPa高度场因子的FNN预测模型。该模型可以投入海南省热带气旋频数的季节预测业务参考使用。     

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。     

A New Prediction Model for Tropical Storm Frequency over the Western North Pacific Using Observed Winter-Spring Precipitation and Geopotential Height at 500 hPa

A new seasonal prediction model for annual tropical storm numbers(ATSNs)over the western North Pacific was developed using the preceding January-February(JF)and April-May(AM)grid-point data at a resolution of 2.5°×2.5°.The JF and AM mean precipitation and the AM mean 500-hPa geopotential height in the Northern Hemisphere,together with the JF mean 500-hPa geopotential height in the Southern Hemisphere,were employed to compose the ATSN forecast model via the stepwise multiple linear regression technique.All JF and AM mean data were confined to the Eastern Hemisphere.We established two empirical prediction models for ATSN using the ERA40 reanalysis and NCEP reanalysis datasets,respectively,together with the observed precipitation.The performance of the models was verified by cross-validation.Anomaly correlation coefficients(ACC)at 0.78 and 0.74 were obtained via comparison of the retrospective predictions of the two models and the observed ATSNs from 1979 to 2002.The multi-year mean absolute prediction errors were 3.0 and 3.2 for the two models respectively,or roughly 10% of the average ATSN.In practice,the final prediction was made by averaging the ATSN predictions of the two models.This resulted in a higher score,with ACC being further increased to 0.88,and the mean absolute error reduced to 1.92,or 6.13% of the average ATSN.     

大西洋风暴活动预测的一个潜在高效能的预测方案

A new empirical approach for the seasonal prediction of annual Atlantic tropical storm number (ATSN) was developed using precipitation and 500 hPa geopotential height data from the preceding January-February and April-May. The 2.5º×2.5º resolution reanalysis data from both the US National Center for Environmental Prediction/the National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) and the European Center for Medium-Range Weather Forecasting (ECMWF) were applied. The model was cross-validated using data from 1979-2002. The ATSN predictions from the two reanalysis models were correlated with the observations with the anomaly correlation coefficients (ACC) of 0.79 (NCEP/NCAR) and 0.78 (ECMWF) and the multi-year mean absolute prediction errors (MAE) of 1.85 and 1.76, respectively. When the predictions of the two models were averaged, the ACC increased to 0.90 and the MAE decreased to 1.18, an exceptionally high score. Therefore, this new empirical approach has the potential to improve the operational prediction of the annual tropical Atlantic storm frequency.     

动力延伸预报产品在广西月降水预报中的应用

利用1958—2005年NCEP/NCAR再分析资料和2003—2005年国家气候中心的动力延伸预报产品, 运用自然正交函数展开 (EOF) 求取预报关键区内的空间特征向量及其时间系数, 结合相似离度方法查找与预报月份相似的个例, 进而作出广西月降水量预报。独立样本试验证明, 利用动力延伸预报产品制作的区域月降水预报比利用前期实况高度距平场相关区域制作的预报效果更好。     

El Niño teleconnections in CMIP5 models

Teleconnections associated with warm El Niño/southern oscillation (ENSO) events in 20 climate model intercomparison project 5 (CMIP5) models have been compared with reanalysis observations. Focus has been placed on compact time and space indices, which can be assigned a specific statistical confidence. Nearly all of the models have surface temperature, precipitation and 250 hPa geopotential height departures in the Tropics that are in good agreement with the observations. Most of the models also have realistic anomalies of Northern Hemisphere near-surface temperature, precipitation and 500 hPa geopotential height. Model skill for these variables is significantly related to the ability of a model to accurately simulate Tropical 250 hPa height departures. Additionally, most models have realistic temperature and precipitation anomalies over North America, which are linked to a model’s ability to simulate Tropical 250 hPa and Northern Hemisphere 500 hPa height departures. The skills of temperature and precipitation departures over the Northern Hemisphere and North America are associated with the ability to realistically simulate realistic ENSO frequency and length. Neither horizontal nor vertical resolution differences for either the model atmosphere or ocean are significantly related at the 95 % level to variations in El Niño simulation quality. Overall, recent versions of earlier models have improved in their ability to simulate El Niño teleconnections. For instance, the average model skills of temperature and precipitation for the Tropics, Northern Hemisphere and North America for 11 CMIP5 models are all larger than those for prior versions.     

大气再分析资料中潜在可预报性的特征及其差异

利用1957年9月—2002年8月ECMWF和NCEP/NCAR月平均再分析资料,分别讨论了冬季和夏季SLP(sea level pressure,海平面气压)、500hPa高度、200hPa纬向风和850hPa经向风年际变率的潜在可预报性特征。结果表明:热带地区的潜在可预报性较高,尤其是赤道中东太平洋地区,而中高纬地区的潜在可预报性则较低。比较两套资料潜在可预报性的异同后发现:南半球的差异均明显大于北半球,特别是南极地区;低层变量的差异均大于中高层变量;东亚大陆在冬、夏季均具有一定的潜在可预报性;冬季各变量均表现出东亚冬季风具有较高的年际变率潜在可预报性,且两套资料的差异较小;500hPa位势高度表现的东亚夏季风潜在可预报性在两套资料中较一致,而低层变量(SLP和850hPa经向风)表现的东亚夏季风年际变率潜在可预报性在两套资料中存在较大差异。     

江西地区冬季气温异常与北半球500hPa高度场的关系

利用1960—2011年江西省81个台站月平均气温观测资料和NCEP/NCAR北半球逐月500 hPa高度场再分析资料,分析了江西地区冬季(当年12月至次年2月)气温异常的时空特征、冷暖典型年500 hPa高度距平场特征以及气温异常与北半球500 hPa高度场的相关性,并运用奇异值分解(SVD)方法探讨了北半球500 hPa高度场异常与江西地区冬季气温异常之间的耦合关系。结果表明:(1)江西地区省冬季气温以全区一致的变化为主;(2)影响江西地区冬季气温异常的500 hPa高度场关键区为北大西洋(20.0°—42.5°N,10°—70°W)和欧亚地区(25.0°—72.5°N,40°—150°E),影响时段分别为当年7月(前期)和当年冬季(同期);(3)前期7月北大西洋关键区500 hPa高度场与江西地区冬季气温呈显著的正相关关系,其中最显著的区域为赣北地区;冬季欧亚大陆关键区500 hPa高度场与江西地区冬季气温也呈显著的相关关系,其中最显著的区域为赣北、赣中地区。     

基于年际增量和EOF迭代法的长江流域汛期降水预测

基于国家气候中心气候系统模式（Beijing Climate Center Climate System Model,BCC_CSM1.1m）和美国NCEP/NCAR的气候预测模式（The NCEP Climate Forecast System Version 2,CFSv2）分别建立针对长江流域汛期降水的动力与统计相结合的降尺度预测模型,并比较两模式对应模型的预报技巧和差异来源。分别选择两模式2月起报的500 hPa及200 hPa全球位势高度场为预报因子,结合年际增量及经验正交分解（EOF）迭代法建立降尺度模型（分别简称DY_CSM1.1m和DY_CFSv2）,研究发现：（1） EOF迭代法中截断解释方差的递增增加了预报因子的协同性和稳定性,从而显著提高预报技巧,并由此确定98%的截断解释方差为模型的最优参数。（2）两模型基于最优参数的预测效果均优于模式原始的降水预测,其中DY_CSM1.1m预测技巧更高,对应29 a距平相关系数（ACC）平均评分可达0.43,尤其在长江干流区域预报效果显著提高。将两模型预测的降水年际增量百分率转换为降水距平百分率时,ACC多年平均评分降为0.27和0.22,仍高于模式原始预测。（3） DY_CSM1.1m的ACC历年评分和长江流域汛期降水年际增量均与西太平洋副热带高压的一系列指数具有高相关性（以西太平洋副高脊线位置指数为例,DY_CFSv2则无此关系）,因此BCC_CSM1.1m在西太平洋地区模拟性能优于CFSv2是导致该模式降尺度后预报技巧更高的重要原因,这一点在典型洪涝年1998和2020年中得以佐证。     

北半球阻塞高压实时监测诊断业务系统

利用国家气象信息中心实时气象数据库的逐日500hPa高度场资料,确定了适合业务使用的北半球及关键区阻塞高压监测诊断方法。通过建立阻塞高压指数实现了对北半球中高纬地区任意经度上的阻塞形势的实时监测,同时在鄂霍次克海、贝加尔湖和乌拉尔山这三个对我国夏季降水有较大影响的地区选取关键区进行阻高实时监测。此外,还通过对北半球逐日和5天滑动平均500hPa环流场的监测,从而初步建立了北半球阻塞高压实时监测诊断业务系统。通过对2006年阻塞高压实时监测产品的诊断分析表明,监测到的北半球阻塞高压的出现位置和强度与实况相符。监测结果对于我国的夏季降水预报具有参考意义。     

Statistical Downscaling for Multi-Model Ensemble Prediction of Summer Monsoon Rainfall in the Asia-Pacific Region Using Geopotential Height Field

The 21-yr ensemble predictions of model precipitation and circulation in the East Asian and western North Pacific （Asia-Pacific） summer monsoon region （0°-50°N, 100° 150°E） were evaluated in nine different AGCM, used in the Asia-Pacific Economic Cooperation Climate Center （APCC） multi-model ensemble seasonal prediction system. The analysis indicates that the precipitation anomaly patterns of model ensemble predictions are substantially different from the observed counterparts in this region, but the summer monsoon circulations are reasonably predicted. For example, all models can well produce the interannual variability of the western North Pacific monsoon index （WNPMI） defined by 850 hPa winds, but they failed to predict the relationship between WNPMI and precipitation anomalies. The interannual variability of the 500 hPa geopotential height （GPH） can be well predicted by the models in contrast to precipitation anomalies. On the basis of such model performances and the relationship between the interannual variations of 500 hPa GPH and precipitation anomalies, we developed a statistical scheme used to downscale the summer monsoon precipitation anomaly on the basis of EOF and singular value decomposition （SVD）. In this scheme, the three leading EOF modes of 500 hPa GPH anomaly fields predicted by the models are firstly corrected by the linear regression between the principal components in each model and observation, respectively. Then, the corrected model GPH is chosen as the predictor to downscale the precipitation anomaly field, which is assembled by the forecasted expansion coefficients of model 500 hPa GPH and the three leading SVD modes of observed precipitation anomaly corresponding to the prediction of model 500 hPa GPH during a 19-year training period. The cross-validated forecasts suggest that this downscaling scheme may have a potential to improve the forecast skill of the precipitation anomaly in the South China Sea, western North Pacific and the East Asia Pacific regions, wh     

南半球西风指数变化与中国夏季降水的关系

根据NCEP/NCAR提供的1950～2007年南半球12～2月、6～8月500 hPa位势高度的月平均再分析资料,采用合成分析方法讨论与中国夏季3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场的分布特征;运用多变量方差分析方法确定12～2月和6～8月与3类雨型相对应的南半球西风指数波动关键区A;分析关键区A的西风波动与中国夏季降水之间的关系;寻找南、北半球西风相互作用影响中国夏季降水分布的可能途径。分析表明,6～8月与3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场显示出不同的距平分布形式,并存在显著差异区在（35°N～50°N,35°E～80°E）。12～2月南半球的西风指数变化关键区A在22.5°W～2.5°W,6～8月关键区A在10°E～55°E。南半球关键区A的西风指数强弱变化与中国夏季降水的关系密切,且12~2月南半球的西风波动对北半球夏季关键区的西风环流的变化有预测意义,而前期南半球关键区A的平均西风指数与北半球夏季高度场的显著负相关区在贝加尔湖。南、北半球大气环流经向传播是两半球西风相互作用的可能途径,前期南半球的异常西风使夏季贝加尔湖的平均槽强度变化,进而造成北半球关键区的西风环流异常,从而影响中国夏季雨型的分布。