模式結(jié)果輸出與統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合預(yù)報(bào)黑龍江省2010～2050年降水變化

魏 磊,潘華盛,鄭 紅

(1.黑龍江省氣候中心,哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象臺,哈爾濱 150030)

1 氣候預(yù)測方法概述

20世紀(jì)80年代前,國內(nèi)外氣候預(yù)報(bào)的制作大多采用統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)方法,動(dòng)力學(xué)方法剛剛起步。當(dāng)時(shí)長數(shù)值預(yù)報(bào)方法有:①熱力學(xué)Adem模式;②距平模式;③歷史演變法;④大氣環(huán)流模式(GCM)法[1-5]。考慮歷史演變的動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)模式,基本思想是先利用大量歷史資料,通過反演法,由模式方程客觀地決定各物理參數(shù)的數(shù)值,再利用這些參數(shù)的數(shù)值,由方程求出變量的未來值,做出預(yù)報(bào)。其平均預(yù)報(bào)略高于隨機(jī)預(yù)報(bào),有一定的預(yù)報(bào)能力,但各年的預(yù)報(bào)相差甚大[6]。統(tǒng)計(jì)方法是目前短期氣候預(yù)測的主要方法。我國的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)使用統(tǒng)計(jì)方法有自回歸、逐步回歸、判別、諧波分析、功率譜、聚類、經(jīng)驗(yàn)正交展開和模糊數(shù)學(xué)等方法。這些方法存在一些問題:①預(yù)報(bào)效果不穩(wěn)定;②預(yù)報(bào)因子質(zhì)量不高;③物理意義不足,物理基礎(chǔ)薄弱[7]。80年代中后期,用動(dòng)力學(xué)原理對旱澇成因進(jìn)行了深入研究,黃榮輝研究了引起我國夏季旱澇的東亞大氣環(huán)流異常遙相關(guān)及物理機(jī)制[8]。90年代后對我國旱澇,氣溫的變化進(jìn)行了深入的研究,尤其在ENSO現(xiàn)象、季風(fēng)低頻振蕩對降水、氣溫的影響取得了顯著進(jìn)展[9-12]。近十幾年來,我國的短期氣候預(yù)測,除了常規(guī)的統(tǒng)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)方法外,還研制出統(tǒng)計(jì)模型、動(dòng)力延伸、統(tǒng)計(jì)降尺度、全球氣候模式和區(qū)域氣候模式RcgCM2。林學(xué)春[13],選擇了氣候上最常用的相似方法,進(jìn)行改進(jìn),建立了異常的相關(guān)相似(ACS)統(tǒng)計(jì)模型,對1996～1999年預(yù)報(bào)實(shí)踐看,結(jié)果好一些,但模型仍然存在不穩(wěn)定問題;李維京等[14],研制出動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法。思想是從大尺度動(dòng)力學(xué)方程組出發(fā),推導(dǎo)出月降水距平百分率與環(huán)流的關(guān)系,從而建立了月降水距平百分率預(yù)報(bào)方程,隨后用動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)的500 hPa高度場和實(shí)際的降水場反演出月降水距平百分率預(yù)報(bào)方程的系數(shù)。此方法具有一定的預(yù)報(bào)能力,預(yù)報(bào)時(shí)效較短。統(tǒng)計(jì)降尺度方法的基本思路是:局地氣候是以大尺度氣候?yàn)楸尘暗?并受局部下墊面特征的影響。在某個(gè)給定的范圍內(nèi),大尺度和小尺度氣候變量之間存在關(guān)系。統(tǒng)計(jì)降尺度由兩部分組成,首先是發(fā)現(xiàn)和確立大尺度氣候要素(預(yù)報(bào)因子)和局地氣候要素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;然后是將這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系應(yīng)用于全球氣候模式或區(qū)域氣候模式的輸出。因而,成功的降尺度依賴于可靠的預(yù)報(bào)因子和預(yù)報(bào)量的長時(shí)間序列資料及其關(guān)系的可靠性。如何建立大尺度預(yù)報(bào)因子和局地小尺度預(yù)報(bào)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系目前有許多方法,如相關(guān)分析(CCA),逐步回歸,奇異值分解(CVD)。當(dāng)前,IPCC和我國氣候?qū)W家,對全球氣候變化和我國氣候變化及未來的氣候情景預(yù)測,普遍采用全球的海-氣耦合模式及嵌套下的局地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)模式;對于局地預(yù)報(bào)大多采用降尺度方法或其它經(jīng)驗(yàn)方法,最后采用集成方法得出結(jié)果[15-19]。

10 a前,徐南平等利用Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-氣數(shù)值模式,IS92a,GS排放情景,對黑龍江省的2000～2050年的氣溫和降水進(jìn)行了年、季的氣候模擬預(yù)測[20]。實(shí)際上就是降尺度預(yù)報(bào),對2000～2009年已出現(xiàn)的年、季降水實(shí)況,進(jìn)行模式的模擬能力有效性進(jìn)行比較與檢驗(yàn)[21]。就是將模擬場與觀測值兩者的差值場進(jìn)行直觀比較,認(rèn)為預(yù)報(bào)趨勢較好,均方根誤差較小,相關(guān)系數(shù)相對比較大的,通過u檢驗(yàn)的模式,用其中相對較好的幾個(gè)模式模擬的結(jié)果,作為因子構(gòu)建多元回歸方程,進(jìn)行2000～2050年降水的氣候預(yù)報(bào);此氣候預(yù)報(bào)方法也是一種降尺度數(shù)值模擬輸出結(jié)果與統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合的氣候預(yù)報(bào)方法,只不過預(yù)報(bào)因子是降尺度數(shù)值模擬輸出結(jié)果,而不是大氣環(huán)流的因子,這也是降尺度預(yù)報(bào)的一個(gè)嘗試。

文中氣候?qū)崨r資料,來自黑龍江省氣候中心,有關(guān)模式的基本特征和試驗(yàn)設(shè)計(jì)見文獻(xiàn) [20]。另外黑龍江省的年降水模擬值,采用哈爾濱、齊齊哈爾、佳木斯、牡丹江的模擬值之和的平均,它能夠反映黑龍江省降水的模擬值。經(jīng)相關(guān)計(jì)算表明, 2000～2009年全省年降水的實(shí)況與4個(gè)市降水模擬值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85,4個(gè)市夏季降水值與全省平均值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.93。遠(yuǎn)超出0.01信度檢驗(yàn);因此,4個(gè)市的的降水模擬輸出結(jié)果,可作為全省的模擬結(jié)果。降水平均值取之1961～1990年。

2 對2000～2009年黑龍江省年平均降水量距平模擬預(yù)報(bào)的氣候態(tài)比較與檢驗(yàn)

5種模式Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro、Hadley對2000～2009年年平均降水量距平的模擬與實(shí)況值的氣候態(tài)比較見表1。

由表1可見,5種模式模擬預(yù)報(bào)值均較小,在平均值附近擺動(dòng),其值＜1 mm,可能存在系統(tǒng)誤差;另外均方誤很大,數(shù)值相差無幾。這樣唯一檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M性能好與差,相關(guān)系數(shù)大小就顯得很重要。Hadley模式模擬值與實(shí)況值相關(guān)系數(shù)在0.50,通過信度0.05檢驗(yàn);次之Gfdl模式相關(guān)系數(shù)達(dá)0.32;再次Csiro、Cccma相關(guān)系數(shù)為0.28、0.23,雖沒通過檢驗(yàn),但還是有參考價(jià)值。最差為Ccsr模式,其相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,無應(yīng)用意義。

表1 2000～2009年平均降水量距平模擬值與實(shí)況值氣候態(tài)比較Table 1 Comparison of 2000-2009's average precipitation anomaly simulation value with the actual value climate state

另外從總體平均值的假設(shè)檢驗(yàn)u檢驗(yàn)來看,4種模式 Cccma、Gfdl、Csiro、Hadley,u實(shí)值在0.1左右,取a=0.05時(shí),查正態(tài)分布函數(shù)表得ua=1.96,u實(shí)＜1.96,模擬值與實(shí)況值無顯著差異,可以應(yīng)用模擬方法對未來降水量預(yù)報(bào)。

3 2010～2050年降水預(yù)測

考慮到動(dòng)力模式系統(tǒng)的偏差,可以像短期預(yù)報(bào)模式解釋用的 “MOS”方法一樣,利用模式預(yù)報(bào)結(jié)果,選出好的正相關(guān)系數(shù)大的,組成多元回歸方程進(jìn)行預(yù)報(bào)。對黑龍江省逐年降水距平 (距離1961～1990年30 a平均值的差)就可進(jìn)行制作預(yù)報(bào)。選取在2000～2009年預(yù)報(bào)較好的4種模式,分別是Cccma、Gfdl、Csiro和Hadley。將它們對黑龍江省2010～2050年降水模擬結(jié)果作為因子考慮,構(gòu)建4因子逐年降水預(yù)報(bào)回歸方程:

式中Ysawf為年降水量距平預(yù)報(bào)值;a0=-17.9;a1 =-2.6;a2=92;a3=40.8;a4=148.9;x1、x2、x3、x4分別為Cccma、Gfdl、Csiro、Hadley預(yù)報(bào)值;2000～2009年預(yù)報(bào)值與實(shí)況值擬合相關(guān)系數(shù)為0.70。未來40 a預(yù)報(bào)結(jié)果見圖1?？偟慕邓陨云贋橹?降水年代際變化見圖2,在 2010～2019年稍偏多一些,多不足10 mm;降水主要集中在2010～2019年中后期,2019年降水較常年多111 mm。2020～2029年降水明顯減少,較常年偏少30 mm,尤其是2027～2029年偏少近100 mm,有干旱時(shí)段發(fā)生;2030～2039年,降水稍偏多一些,較常年多10 mm左右;2040～2050年,降水接近常年值。40 a累計(jì)降水偏少21 mm,減少速率5.2 mm/10 a,較正常。

圖1 2010～2050年逐年降水距平預(yù)報(bào)值Fig.1 Yearly precipitation anomaly forecast values of 2010-2050

圖2 2010～2050年降水年代際變化Fig.2 Precipitation interdecadal change of 2010-2050

4 結(jié) 語

利用Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-氣數(shù)值模式,對黑龍江省2000～2009年年降水量變化模擬預(yù)報(bào),進(jìn)行氣候態(tài)比較與u檢驗(yàn),結(jié)果表明,預(yù)報(bào)值偏小,均方誤較大,可能存在系統(tǒng)誤差。為禰補(bǔ)這一不足,采用降尺度數(shù)值模式輸出與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的方法對降水量進(jìn)行預(yù)報(bào),其結(jié)果如下:2010～2050年的40 a中累計(jì)降水量較常年在減少,主要偏少在2020～2029年和2040～2050年兩個(gè)時(shí)段,特別注意2027～2029年有大旱的可能性很大。由于模式構(gòu)建的差異,與近年來所取排放標(biāo)準(zhǔn)不同,加之模式的不穩(wěn)定,因此計(jì)算結(jié)果存在差異,也不能僅靠10 a的模擬情景來評估模式,更需要的是不斷的改進(jìn)和完善,用更長的時(shí)間去對模式進(jìn)行檢驗(yàn)。以上結(jié)果可對全省應(yīng)對氣候變化,節(jié)能減排,遠(yuǎn)景規(guī)劃,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,防災(zāi)減災(zāi)提供信息和重要參考。

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