基于前春對流層溫度和北大西洋濤動的中國夏季降水統(tǒng)計預(yù)測模型

馮蕾 魏鳳英 朱艷峰

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實驗室,北京 100029

2 中國科學(xué)院研究生院,北京 100049

3 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實驗室,北京 100081

4 國家氣候中心,北京 100081

基于前春對流層溫度和北大西洋濤動的中國夏季降水統(tǒng)計預(yù)測模型

馮蕾1,2魏鳳英3朱艷峰4

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實驗室,北京 100029

2 中國科學(xué)院研究生院,北京 100049

3 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實驗室,北京 100081

4 國家氣候中心,北京 100081

本文在分析中國夏季降水典型模態(tài)與前期春季對流層中上層溫度主要分布類型、北大西洋濤動 (簡稱NAO)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出基于前春對流層溫度和NAO的中國夏季降水統(tǒng)計預(yù)測模型,并對利用該模型預(yù)報的2004～2009年中國160站夏季降水進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明:中國大范圍夏季降水多寡主要與5月NAO變化有關(guān),“南多 (少)北少 (多)型”降水異常分布主要與5月NAO異常以及前春中國東北、華北地區(qū)上空對流層溫度的冷異常有關(guān)。NAO對中國夏季降水的影響既包括年際尺度的,也包括年代際尺度的,而對流層溫度異常的影響主要體現(xiàn)在年代際尺度上。這兩個因子通過影響夏季大氣環(huán)流和季風(fēng)水汽輸送,從而影響中國夏季降水的趨勢分布?；谶@樣的聯(lián)系,本工作以中國夏季降水量原始場EOF分解前3個模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)為預(yù)測對象,以前期春季平均的對流層中上層溫度距平REOF分解前4個模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)以及逐月NAO指數(shù)序列作為預(yù)報因子,并結(jié)合降水序列本身、對流層溫度、NAO指數(shù)的多時間尺度分量建立了我國夏季降水的統(tǒng)計預(yù)測模型,取得了較好的預(yù)報效果。2004～2009年預(yù)報降水與觀測降水之間的6年平均距平相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.335,表明該預(yù)報方案對我國夏季降水具有較高的預(yù)報技巧。

對流層溫度 北大西洋濤動 中國夏季降水 統(tǒng)計預(yù)測模型

1 引言

中國位于東亞季風(fēng)區(qū),影響夏季降水的環(huán)流系統(tǒng)復(fù)雜,降水時空變率較大,夏季頻繁發(fā)生的旱澇災(zāi)害,給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命安全帶來巨大損失。準(zhǔn)確預(yù)測夏季降水異常是業(yè)務(wù)部門和大氣科學(xué)界共同面臨的重要課題和難題 (丁一匯,2004;王斌,2008;Zhou et al.,2009a)。

ENSO被認(rèn)為是季風(fēng)區(qū)乃至全球氣候可預(yù)報性的主要來源 (Wang et al.,2008;Wu et al.,2009,2010;Zhou et al.,2009b)。但對于東亞季風(fēng)區(qū),ENSO對降水變率的影響相對于其它地區(qū)要小得多(Wang et al.,2008)。因此,準(zhǔn)確預(yù)測中國夏季降水,還需要充分考慮ENSO以外的物理因子。目前,研究者們在做我國夏季降水預(yù)測時,考慮的預(yù)測因子除了ENSO外,還包括青藏高原積雪以及一些大氣環(huán)流變化特征量等 (趙振國,1996,1999;金祖輝和陶詩言,1999;Zhang et al.,1999;吳統(tǒng)文和錢正安,2000;黃嘉佑等,2004;彭京備等,2005;魏鳳英,2006;張慶云等,2007;武炳義等,2008;楊蓮梅和張慶云,2008;魏鳳英和黃嘉佑,2010;韓雪和魏鳳英,2010)。

對流層溫度是一個綜合性的物理因子,其變化是各種動力因素和熱力因素共同作用的結(jié)果。各種環(huán)流因子、大氣活動中心對東亞氣候的影響,都繞不過對流層溫度變化這一環(huán)節(jié) (Zhou and Zou,2010)。近年來,圍繞對流層溫度變化對東亞氣候的影響,產(chǎn)生了一系列重要的研究成果:20世紀(jì)70年代末以來中國東部夏季降水的“南澇北旱”特征與東亞對流層中上層變冷存在直接的聯(lián)系 (Yu et al.,2004;Yu and Zhou,2007;宇如聰?shù)?2008),其物理概念模型可以表述為:對流層中上層出現(xiàn)的年代際尺度變冷,一方面通過其上層的氣旋式環(huán)流異常,使得東亞急流軸以南的西風(fēng)增強(qiáng),另一方面通過其下層的反氣旋式環(huán)流異常,導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱。西風(fēng)急流偏南和夏季風(fēng)減弱,最終導(dǎo)致中國東部“南澇北旱”型降水異常 (Xin et al.,2006)。中國夏季降水除了在東部有“南澇北旱”變化外,在中西部地區(qū) (90°E～110°E)也有“南澇(旱)北旱 (澇)”的變化,并且這種降水異常型與500 hPa等壓面上高原地區(qū)平均溫度和其東部平原平均溫度之差的異常變化有關(guān) (朱艷峰等,2010)。研究還表明,東亞對流層溫度的年代際變化是北半球?qū)α鲗訙囟饶甏H變化的組成部分 (Zhou and Zhang,2009)。早春季節(jié)歐亞大陸副熱帶地區(qū)的表層氣溫和對流層溫度的變冷趨勢,與冬季北大西洋濤動 (簡稱NAO)正位相增強(qiáng)所對應(yīng)的北半球副熱帶冷信號的準(zhǔn)正壓東傳有關(guān) (Yu and Zhou,2004)。東亞對流層上層變冷和青藏高原下游地面氣溫變冷開始于前春的3月,從3月到5月,冷中心逐漸南移并加強(qiáng),并且這種冷位相可以維持到9月份 (Yu and Zhou,2007)。前冬NAO的年代際增強(qiáng),使得東亞西風(fēng)急流增強(qiáng),通過影響高原積雪深度以及觸發(fā)高原東側(cè)獨(dú)特的云—輻射反饋過程,使得東亞對流層中上層溫度變冷 (Li et al.,2005,2008;辛?xí)愿璧?2009;Xin et al.,2010)。上述關(guān)系在年際尺度上同樣存在。盡管東亞對流層中上層溫度與東亞夏季降水的聯(lián)系受到前冬NAO的影響,但中國夏季降水對前冬NAO的響應(yīng)很弱,而與前春的NAO變化具有顯著的相關(guān) (王永波和施能,2001;龔道溢等,2002)。

以上研究表明,前春季節(jié)的對流層溫度、NAO變化與中國夏季降水異常具有重要的影響,但目前將前春對流層溫度和NAO應(yīng)用于中國夏季降水預(yù)測的工作開展得很少。本工作的目的是定量分析前春對流層溫度和NAO變化對中國夏季降水的影響,并建立相應(yīng)的預(yù)測模型,對我國夏季 (6～8月)降水進(jìn)行預(yù)測試驗。

本文第2節(jié)扼要介紹使用的資料和方法;第3節(jié)分析我國夏季降水以及前春對流層中上層溫度變化的主要分布類型,討論降水典型模態(tài)與對流層中上層溫度典型模態(tài)及NAO之間的聯(lián)系;第4節(jié)提出以前春對流層中上層溫度和NAO為主要預(yù)報因子的預(yù)測模型,并檢驗該模型對我國夏季降水趨勢分布的預(yù)測效果;第5節(jié)對全文進(jìn)行總結(jié)。

2 資料和方法

本文使用的降水資料為國家氣候中心氣候預(yù)測室提供的1951～2009年中國160站6～8月的降水資料,該資料被廣泛地應(yīng)用于東亞降水變率研究中(Zhou and Yu,2005)。所用的環(huán)流場資料為NCEP/NCAR逐月再分析資料 (Kalnay et al.,1996)。涉及到的物理量有氣溫、風(fēng)場、位勢高度場,分辨率為2.5°×2.5°。使用的 NAO指數(shù)來自http:∥www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtm l[2010-04-10]。

本文使用的分析方法包括經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù) (REOF)、均值生成函數(shù)及回歸分析等方法 (魏鳳英,2007)。

3 前春對流層中上層溫度及 NAO對中國夏季降水的影響

3.1 中國夏季降水的主導(dǎo)模態(tài)

在預(yù)測中,為了回答某一年中國地區(qū)總體降水趨勢和雨區(qū)分布問題,本文對中國160站1951～2009年夏季降水量原始場進(jìn)行 EOF分解。圖1給出前3個特征向量及其對應(yīng)的時間系數(shù)。由于是使用原始場進(jìn)行 EOF展開,那么,第1特征向量(EOF1)就是中國大范圍夏季降水的多年平均分布狀況,即自東南地區(qū)向西北地區(qū)遞減的分布型式(圖1a)(施能,2009)。第一特征向量對應(yīng)的時間系數(shù) (PC1)就是中國夏季大范圍降水總體多寡的逐年變化,PC1越大,意味著這一年全國大范圍降水是偏多的 (圖1b)。該模態(tài)能夠解釋總方差的90.90%。降水的第2特征向量 (EOF2)表現(xiàn)為華南—江淮—華北地區(qū)“-+-”的降水異常分布(圖1c),即以江淮地區(qū)為中心的三極型降水分布,這是我國最常出現(xiàn)的降水異常型,以下簡稱為“南北少 (多)中間多 (少)型”。從時間系數(shù) (PC2)來看 (圖1d),該類型降水年際振蕩比較顯著。第3特征向量 (EOF3)表現(xiàn)為長江以南地區(qū)降水與其以北地區(qū)相反的趨勢分布 (圖1e),這也是我國比較常見的降水分布型,以下簡稱為“南多 (少)北少 (多)型”。該模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù) (PC3)表明(圖1f),自1970年代末至2000年左右,“南澇北旱”型降水有明顯的增強(qiáng)趨勢,這與前人的結(jié)果(趙平和周秀驥,2006;Yu and Zhou,2007;Zhou et al.,2009a)一致。上述三個特征向量均通過了No rth準(zhǔn)則顯著性檢驗 (No rth et al.,1982),總計解釋了總方差的93.32%,決定著中國夏季降水的趨勢分布。

3.2 前春對流層中上層溫度變化的主要模態(tài)

為揭示春季 (3～5月)對流層溫度的變化模態(tài) ,對 (10°N～50°N,60°E～130°E) 區(qū)域內(nèi)的對流層平均溫度 (定義為200～500 hPa的厚度平均)距平做旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù) (REOF)分解。第1特征向量 (REOF1)解釋了總方差的22.7%(圖2a),其中心位于20°N以南地區(qū),以下稱為“亞洲低緯型”。第一模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù) (PC1′)表明 (圖2b),該模態(tài)具有顯著的年代際振蕩特征。第2特征向量 (REOF2)解釋了總方差的16.6%(圖2c),其中心主要位于我國東北、華北地區(qū)上空,以下稱為“亞洲中緯型”。對應(yīng)的時間系數(shù) (圖2d,PC2′)表明,1960年代以前,該模態(tài)無明顯的變化,1960年代中期到1990年代末期,該模態(tài)具有顯著的增強(qiáng)趨勢,2000年后又呈現(xiàn)出減弱趨勢。從時間演變上看,“亞洲中緯型”對流層中上層溫度的變化與我國“南多 (少)北少 (多)型”降水變化比較一致,對應(yīng)的溫度、降水模態(tài)的PC序列間的相關(guān)系數(shù)為0.3。第3特征向量 (REOF3)解釋了總方差的13.9%(圖2e),中心主要位于伊朗地區(qū)上空,以下簡稱“南亞型”。對應(yīng)的時間系數(shù) (圖 2f,PC3′)表明,該模態(tài)具有明顯的年代際和年際變化特征。第4特征向量 (REOF4)解釋了總方差的11.5%(圖2g),中心位于我國青藏高原地區(qū)上空,以下簡稱“高原型”。North準(zhǔn)則檢驗表明,上述4個特征向量是獨(dú)立的,總計解釋了總方差的64.7%。

圖1 1951～2009年我國夏季降水量場EOF分解前3個特征向量 (a、c、e)及時間序列 (b、d、f)Fig.1 (a,c,e)The first three EOFmodesof summer precipitation over China for the period of 1951-2009 and(b,d,f)the corresponding time series

3.3 中國夏季降水異常和前春對流層中上層溫度、

NAO異常的聯(lián)系

3.3.1 相關(guān)分析

為揭示中國夏季降水異常與前春對流層中上層溫度、NAO活動異常之間的聯(lián)系,首先計算我國夏季降水量前3個特征向量時間系數(shù)序列 (PC1、PC2、PC3)與前春對流層溫度前4個特征向量時間系數(shù)序列 (PC1′、PC2′、PC3′、PC4′) 以及3、4、5月逐月的NAO指數(shù)之間的相關(guān) (如表1所示)。同時,為了考察降水與對流層中上層溫度、NAO在年代際和年際時間尺度上的聯(lián)系,本文使用權(quán)重系數(shù)長度為9,截斷頻率為0.1(即10年周期)的Lanczos濾波器對各序列進(jìn)行低通和高通濾波,分別得到其年代際變化 (具有10年以上時間尺度的周期)和年際變化 (具有10年以下時間尺度的周期)。濾波之后各序列的相關(guān)如表2和表3所示。

圖2 1951～2009年前春對流層中上層溫度REOF分解前4個特征向量 (a、c、e、g)及時間序列 (b、d、f、h)Fig.2 (a,c,e,g)The first four rotated empiricalorthogonal function(REOF)modesof spring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa for the period of 1951-2009 and(b,d,f,h)the corresponding time series

表1 1951～2009年我國夏季降水前3個特征向量時間系數(shù)序列與前春對流層中上層溫度前4個特征向量時間系數(shù)序列、逐月NAO指數(shù)的相關(guān)Table 1 The correlation coefficients between the first three summer precipitation time series(PC1,PC2,PC3)and the first four spring atmosphere temperature time series(PC1′,PC2′,PC3′,PC4′),NAO index during the period of 1951-2009

考察表1到表3,首先,從總體上看,中國夏季降水的第1模態(tài),即大范圍降水趨勢的變化主要與前期5月的NAO指數(shù)變化有關(guān)。降水第3模態(tài),即“南多 (少)北少 (多)型”降水異常分布與前春對流層中上層溫度變化的第2模態(tài)以及5月NAO指數(shù)變化密切相關(guān),而降水的第2模態(tài),即“南北少 (多)中間多 (少)型”降水與前春對流層中上層溫度及NAO指數(shù)的變化均無明顯的關(guān)聯(lián);第二,前春5月NAO指數(shù)與中國夏季大范圍降水及“南多 (少)北少 (多)型”降水異常分布的聯(lián)系既有年際尺度上,也包含年代際尺度上的。前春 3月NAO變化與我國“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水的相關(guān)在年代際尺度上很顯著,但在年際尺度上很弱。而前春3月NAO變化與中國大范圍夏季降水、以及前春4月NAO變化與我國“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水的相關(guān)主要是年際尺度上的。第三,對流層中上層溫度第1模態(tài)與我國大范圍夏季降水變化具有較強(qiáng)的年際尺度上的相關(guān)。除此之外,對流層溫度變化各主要模態(tài)與中國夏季降水的聯(lián)系主要是年代際尺度上的。表1中原始序列包含了不同時間尺度的變化,使得降水與對流層溫度之間的相關(guān)未通過5%的顯著水平的顯著性檢驗。因此,有必要將各時間序列不同時間尺度的周期,即將可預(yù)報的分量提取出來,也作為預(yù)報因子,可以排除噪音,達(dá)到更好的預(yù)報效果。

需要指出的是,不同季節(jié)的NAO活動對東亞氣候的影響不同。前冬NAO活動異常與前春東亞對流層溫度之間有著較好的對應(yīng)關(guān)系,即冬季NAO的正位相年,較強(qiáng)的西風(fēng)急流使得高原下游的云量增加,通過云—溫度反饋機(jī)制維持著東亞對流層溫度的冷異常 (Yu and Zhou,2004;Li et al.,2005)。計算表明,前冬NAO指數(shù)序列與前春對流層中上層溫度變化PC2′之間的相關(guān)系數(shù)為0.4,通過了5%的顯著水平的顯著性檢驗。而前春NAO的正位相與前春東亞對流層溫度的偏暖狀態(tài)有所對應(yīng),不過它們之間的相關(guān)系數(shù)很弱,均未通過顯著性檢驗,這表明前春NAO活動和對流層中上層溫度對我國夏季降水的影響是相互獨(dú)立的。春末和夏季NAO活動可能是通過羅斯貝波的傳播影響東亞夏季氣候 (Ding and Wang,2005;Bo the et al.,2010)。

表2 同表1,但為去除年際變化(10年以下)后的相關(guān)Table 2 Same as table 1,but for the correlation coefficients between the time series with variation less than 10 years removed by Lanczos filter

表3 同表1,但為去除年代際變化(10年以上)后的相關(guān)Table 3 Sameas table 1,but for the correlation coeff icients between the time series with variation more than 10 years removed by Lanczos filter

3.3.2 前春NAO、對流層中上層溫度對我國夏季降水的影響分析

相關(guān)分析表明,前春5月NAO、“亞洲中緯型”對流層中上層溫度變化與中國夏季降水 EOF分解第1、3模態(tài)的聯(lián)系最密切,這里僅分析這兩個因子對中國夏季降水的影響。

中國位于東亞季風(fēng)區(qū),降水主要是由水汽的輻合造成的 (周天軍等,1999;Zhou and Yu,2005)。而水汽輸送與大尺度大氣環(huán)流形勢有著密切的聯(lián)系。研究表明,西太平洋副熱帶高壓和對流層高層西風(fēng)急流是影響我國夏季氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)(Tao and Chen,1987;Zhang et al.,2006)。本文將分別計算前春5月NAO、“亞洲中緯型”對流層中上層溫度變化這兩個序列與夏季850 hPa水汽輸送場、500 hPa位勢高度場以及200 hPa緯向風(fēng)場的回歸,來探討其對大氣環(huán)流和我國夏季降水的影響。

圖3 前春5月負(fù)NAO指數(shù)與夏季環(huán)流場的回歸:(a)850 hPa水汽輸送 (矢量,單位:kg·m-1·s-1);(b)500 hPa位勢高度(等值線,單位:gpm);(c)200 hPa緯向風(fēng) (等值線,單位:m/s)。陰影:氣候態(tài)下500 hPa位勢高度 (b)、200 hPa緯向風(fēng)(c)的形勢Fig.3 Summer circulation fields regressed upon the negative NAO index in May:(a)Water vapor transport(vector;units:kg·m-1·s-1)at 850 hPa;(b)500-hPa geopotential height(contour,units:gpm);(c)200-hPa zonal wind(contour,units:m/s).The shaded regions indicate the climatemean 500-hPa geopotential height(b)and 200-hPa zonal wind(c)

前春5月NAO指數(shù)與我國夏季降水第1模態(tài)和第3模態(tài)的相關(guān)最顯著,而降水的第1、3模態(tài)中心均位于長江以南地區(qū),因此前春5月NAO對中國夏季降水的影響主要是對江南和華南地區(qū)的影響。同時,負(fù)相關(guān)意味著當(dāng)NAO處于負(fù)位相時,我國南方地區(qū)降水偏多;當(dāng)NAO處于正位相時,我國南方地區(qū)降水偏少。這里只給出我國南方地區(qū)降水偏多的情況。圖3為前春5月負(fù)NAO指數(shù)與水汽輸送及環(huán)流場的回歸。從圖3a可以看出,NAO的負(fù)位相年,850 hPa水汽輸送場上,西太平洋地區(qū)存在較強(qiáng)的異常反氣旋水汽環(huán)流,反氣旋西北側(cè)的異常西南水汽輸送有利于中國南方地區(qū)的夏季降水。500 hPa位勢高度場上 (圖3b),氣候平均的西太平洋副熱帶高壓位置與一異常高壓相重合,同時,異常高壓的中心位置偏向氣候平均西太平洋副高的西南側(cè),表明西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng),位置偏南、偏西,使得副高西側(cè)的西南水汽輸送偏強(qiáng)。200 hPa緯向風(fēng)場上 (圖3c),長江以南地區(qū)表現(xiàn)為西風(fēng)異常,長江以北地區(qū)為東風(fēng)異常,表明西風(fēng)急流位置較常年偏南,加強(qiáng)了南方地區(qū)高空的輻散,這種環(huán)流形勢有利于中國南方地區(qū)異常偏多的降水。

對流層溫度變化的第2模態(tài)與我國夏季降水的第3模態(tài)之間具有顯著的正相關(guān),意味著“亞洲中緯型”溫度冷異常對應(yīng)著中國夏季降水“南澇北旱”型降水分布,而暖異常對應(yīng)著“南旱北澇”型異常降水分布。同樣,這里只討論“南澇北旱”的情況。圖4為對流層溫度變化第2模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)與夏季水汽輸送及環(huán)流場的回歸分布。圖4a表明,850 hPa異常水汽輸送場上,我國長江以南地區(qū)表現(xiàn)為異常偏南水汽輸送,而其北方地區(qū)為異常反氣旋水汽輸送,使得我國華北、東北地區(qū)處于水汽輻散區(qū),不利于北方地區(qū)的夏季降水;500 hPa位勢高度場上 (圖4b)最明顯的特征是,東亞地區(qū)上空存在一個強(qiáng)大的異常高壓,中心位于青藏高原以北地區(qū)。該異常高壓由“北方型”溫度冷異常引起,但異常高壓中心比對流層中上層溫度冷中心位置 (40°N,120°E)略偏西。異常冷高壓阻止了西太平洋副高的北進(jìn),同時,西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度也偏強(qiáng),使得副高西北側(cè)較強(qiáng)的水汽輸送維持在我國南方地區(qū)。200 hPa緯向風(fēng)場上 (圖4c),西風(fēng)急流中心位置偏南,加強(qiáng)了我國長江及其以南地區(qū)的高空輻散,這種環(huán)流形勢使得我國南方地區(qū)降水偏多,北方地區(qū)降水偏少。

以上分析表明前春對流層中上層溫度變化、NAO的異?；顒优c我國夏季降水之間存在著明確的物理上的聯(lián)系。下面主要利用前春NAO指數(shù)及對流層中上層溫度作為預(yù)報因子,建立我國夏季降水的統(tǒng)計預(yù)測模型。

圖4 同圖3,但為前春對流層中上層溫度REOF分解第2模態(tài)對應(yīng)的時間序列與夏季環(huán)流場的的回歸Fig.4 Same as Fig.3,but for the summer circulation fields regressed on PC2′(the second REOF mode of sp ring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa)

4 預(yù)報流程及預(yù)報效果檢驗

依據(jù)氣候系統(tǒng)具有不同時間尺度的顯著周期振蕩,魏鳳英和張先恭 (1998)提出把氣象要素序列本身生成的顯著周期函數(shù)作為預(yù)報因子加入到預(yù)報方程中,使由于預(yù)報量和預(yù)報因子的時間趨勢引起的相關(guān)不穩(wěn)定性由選入的顯著性周期因子加以調(diào)整,目的是達(dá)到更好的降水預(yù)報效果。本文在魏鳳英和張先恭 (1998)提出的預(yù)報思路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),利用前春 (3～5月)NAO指數(shù)和對流層中上層 (500～200 hPa)溫度REOF分解前4個特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)作為預(yù)報因子,同時考慮逐月NAO指數(shù)、對流層溫度各時間序列多時間尺度的周期振蕩,建立了圖5所示的降水統(tǒng)計預(yù)報流程。

按照圖5所示的預(yù)報流程,首先提取我國夏季降水量原始場各PC序列不同時間尺度的均值生成函數(shù)作為預(yù)報因子的一部分。均生函數(shù)是由時間序列按一定的時間間隔計算均值而派生出來的。將均生函數(shù)定義域延拓到整個數(shù)軸上,即為周期性延拓(魏鳳英,2007)。這里以 PC1為例進(jìn)行說明。圖6a為PC1的功率譜分析,從圖中可以看出,我國夏季降水第1模態(tài)的變化存在顯著的14年左右的周期振蕩以及3年左右的年際振蕩周期。因此,將周期長度為3年和14年的均生函數(shù)延拓序列從PC1序列中提取出來 (如圖6b、c所示)。對于降水的PC2和PC3序列也作同樣的處理 (圖略)。功率譜分析表明,我國夏季降水的第2模態(tài)存在2年和5年左右的顯著周期振蕩,而降水的第3模態(tài)的周期性變化與第1模態(tài)類似,第1顯著周期為10年左右,次顯著周期為2年左右。

預(yù)報依據(jù)的另外一部分來自前春對流層中上層溫度以及NAO信號。這里給出對流層中上層溫度距平進(jìn)行REOF分解得到的 PC1′序列的功率譜分析及均生函數(shù)延拓序列。該序列的功率譜分析 (圖7a)表明,周期長度為14年處,功率譜估計值為一峰值且大大超過標(biāo)準(zhǔn)譜,而年際周期振蕩不顯著。因此,提取周期長度為14年的均生函數(shù)延拓序列,如圖7b所示。對于對流層溫度的其它 PC′序列和逐月NAO指數(shù)序列也作同樣的處理 (圖略)。結(jié)果表明,對流層中上層溫度 REOF分解的 PC2′序列以及3月NAO指數(shù)變化周期與我國夏季降水EOF分解的第1、3模態(tài)的變化周期較為一致,均存在14年和3年左右的顯著周期。其它各預(yù)報因子的變化主要存在顯著的年際振蕩周期。

圖5 預(yù)測模型的預(yù)報流程圖Fig.5 The process diagram of the forecasting model

圖6 我國夏季降水EOF分解第1模態(tài)對應(yīng)時間序列的功率譜分析 (a)以及周期長度為3年 (b)和14年 (c)的均生函數(shù)延拓序列。(a)虛線表示顯著性水平為0.05的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜Fig.6(a) The power spectral analysis on the first PC of summer precipitation over China by the EOF decomposition;(b,c)the extension time series by mean generating function with(b)3-year and(c)14-year period.The dashed line in(a)is the red noise power spectrum with the statistical significance at 0.05 level

根據(jù)上述方法,共得到以下預(yù)報因子:夏季降水量EOF分解前3個PC序列本身的均生函數(shù)延拓序列;前春3～5月平均對流層中上層溫度REOF分解前4個PC序列、前春逐月NAO指數(shù)序列以及它們各自對應(yīng)的顯著周期的均生函數(shù)延拓序列。使用逐步回歸方法,分別建立中國夏季降水量前3個PC序列與這些預(yù)報因子之間的回歸預(yù)測模型。

按照上述預(yù)報流程,分別對1951～2003、1951～2004、1951～2005 和 1951～2006、1951～2007、1951～2008年的夏季降水量原始場進(jìn)行 EOF分解,通過逐步回歸,建立降水的預(yù)報方程,預(yù)報出2004～2009年間逐年的夏季降水總量,然后轉(zhuǎn)化成降水距平百分率。表4為用獨(dú)立樣本資料做出的2004～2009年預(yù)報的效果檢驗,其中ACC表示預(yù)報場與實況場之間的距平相關(guān)系數(shù),這是國際上通用的、比較客觀的評定辦法,考慮了實況值和預(yù)測值的相似程度,包括數(shù)值的大小和符號的相似程度。從表4可以看出,2004～2009年預(yù)報場和觀測場之間平均的距平相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.335。除了2009年外,其它5年都取得了比較好的預(yù)報效果,說明基于前春對流層中上層溫度變化和NAO活動異常所建立的預(yù)報方案,對我國夏季降水具有較好的預(yù)報技巧。

圖8給出2004和2006年中國夏季降水的預(yù)報結(jié)果。2004年夏季我國降水異常分布呈南北走向,主要降水中心位于黃淮地區(qū)、長江中游以及西南、華北的部分地區(qū) (圖8a)。圖8c表明,該預(yù)測模型能夠較好地預(yù)報出黃淮地區(qū)和長江中游的多雨中心以及華南地區(qū)的少雨中心,但是江淮地區(qū)降水的預(yù)報與實況存在較大的誤差。2006年夏季,我國東部自南向北“+-+”的降水異常分布基本上預(yù)報出來了,如華南地區(qū)的多雨中心和長江中下游地區(qū)的少雨中心,但是預(yù)報的北方雨區(qū)的位置較實況更偏北一些。

圖7 前春對流層中上層溫度REOF分解第1模態(tài)對應(yīng)時間序列的功率譜分析 (a)以及周期長度為14年的均生函數(shù)延拓序列 (b)。(a)虛線表示顯著性水平為0.05的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜Fig.7 (a)The power spectral analysis on the first PC of sp ring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa by the REOF decomposition;(b)the extension time series by mean generating function with 14-year period.The dashed line in(a)is the red noise power spectrum with the statistical significance at 0.05 level

表4 2004～2009年中國夏季降水預(yù)測效果檢驗Table 4 The forecasting verification of summer precipitation over China during 2004-2009

對比2004～2009年我國夏季降水的觀測場和預(yù)報場還可以發(fā)現(xiàn),該預(yù)測模型基本上能夠把握我國夏季旱澇趨勢的分布特征,這與該統(tǒng)計預(yù)測模型中預(yù)報因子的選取有著密切的聯(lián)系。由于對流層溫度是一個比較綜合性的物理因子,前春對流層溫度異常已經(jīng)包含了來自海洋、高原積雪等各種強(qiáng)迫因子的變化,因此,只基于前春對流層中上層溫度和NAO變化的降水統(tǒng)計預(yù)測模型即可以預(yù)報出我國夏季降水分布的大部分信息。但是該預(yù)測模型還存在不足之處,比如預(yù)測的降水強(qiáng)度比觀測偏弱,并且未能預(yù)測出局地降水的更多細(xì)節(jié)特征。這是因為對流層溫度變化所描述的是大尺度海陸溫差的變化,故僅能反映與之聯(lián)系的大范圍降水異常。另外,前文的相關(guān)分析表明,我國夏季降水 EOF分解的第2模態(tài)與前春對流層溫度及NAO變化之間的相關(guān)很弱,導(dǎo)致該預(yù)測模型對降水第2模態(tài)的預(yù)報能力很低。這意味著要更好地預(yù)報我國夏季降水的分布,還需要在該預(yù)測模型中考慮影響降水第2模態(tài)的主要預(yù)報因子。

圖8 2004年 (a、c)和2006年 (b、d)夏季降水距平百分率 (%):(a、b)實況;(c、d)預(yù)報Fig.8 The summer precipitation anomaly percentage(%)in(a,c)2004 and(b,d)2006:(a,b)Observation;(c,d)forecast

5 結(jié)論和討論

(1)我國夏季降水大范圍分布趨勢與前春5月NAO的變化密切相關(guān),“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水主要與“亞洲中緯型”對流層中上層溫度變化有關(guān),而“南北少 (多)中間多 (少)型”夏季降水與前春NAO及對流層中上層溫度之間均無顯著相關(guān)。

(2)前春NAO活動異常對我國夏季降水的影響既有年際尺度上的,也有年代際尺度上的,而前春對流層中上層溫度對我國夏季降水的影響主要是年代際尺度上的。

(3)前春5月NAO活動對我國南方地區(qū)夏季降水的影響機(jī)理為:NAO的負(fù)位相年,夏季西風(fēng)急流位置偏南,西太平洋副熱帶高壓偏西、偏南,來自西太平洋的西南水汽輸送偏強(qiáng),造成我國夏季江南、華南地區(qū)降水偏多;相反,NAO正位相年,我國南方地區(qū)降水偏少。前春“亞洲中緯型”對流層溫度冷異常對我國夏季“南澇北旱”型降水格局的影響機(jī)理為:當(dāng)東北、華北地區(qū)上空異常偏冷時,我國北方大部分地區(qū)為異常高壓控制,使得西太平洋副高西側(cè)位置偏南,不利于副高西側(cè)水汽的向北輸送,同時,夏季西風(fēng)急流位置也偏南,使得南方地區(qū)降水偏多,而北方地區(qū)夏季降水偏少。相反,前春“亞洲中緯型”對流層溫度暖異常對應(yīng)著我國夏季降水“南旱北澇”型的異常分布。

(4)本文使用的預(yù)測模型,除了考慮降水本身不同時間尺度的周期振蕩,還將前春NAO指數(shù)及對流層中上層溫度變化各時間序列不同顯著周期的均生函數(shù)延拓序列提取出來,加入預(yù)報方程,很大程度上排除了噪音,取得了較好的降水預(yù)報效果。

本文基于前春NAO、對流層溫度變化與夏季降水異常的關(guān)系,建立了一個統(tǒng)計預(yù)測模型,對于我國夏季降水具有較好的預(yù)報能力。基于春季NAO和對流層溫度異常對夏季降水的統(tǒng)計預(yù)報,可以在汛期旱澇預(yù)測的滾動訂正中發(fā)揮作用。

本文建立的降水統(tǒng)計預(yù)測模型主要基于再分析資料中的前春對流層中上層溫度變化,該模型的基礎(chǔ)是自春季到夏季對流層中上層溫度異常的持續(xù)性。而夏季降水與同期對流層中上層溫度之間的對應(yīng)關(guān)系無疑好于前期對流層溫度。如果能夠提前獲得理想的夏季對流層溫度資料,將會大大提高降水預(yù)報效果。數(shù)值模式,尤其是海氣耦合模式被認(rèn)為是目前最常用的季節(jié)預(yù)報工具。當(dāng)前的耦合氣候模式,對東亞表層溫度和降水的直接預(yù)報能力很低,但對包括溫度場在內(nèi)的東亞高層環(huán)流的預(yù)報能力則很強(qiáng) (Wang et al.,2008)。即使當(dāng)前的氣候模式難以直接準(zhǔn)確地預(yù)測降水的變化,但只要它對東亞對流層溫度的變化具備一定預(yù)測能力,就可以在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步基于“對流層溫度和降水變化”的統(tǒng)計關(guān)系,采用統(tǒng)計降尺度的辦法來預(yù)測降水變化。因此,根據(jù)“對流層溫度—表面降水”變化的統(tǒng)計關(guān)系,基于耦合模式預(yù)報的對流層溫度變化來預(yù)報降水的變化是一條切實可行的途徑。

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A Predictive Model for Summer Precipitation over China Based on Upper Tropospheric Temperature and North Atlantic Oscillation in the Preceding Spring

FENG Lei1,2,WEI Fengying3,and ZHU Yanfeng4
1StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049
3ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081
4NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081

Based on the analyses of relationship between summer precipitation and upper tropospheric temperature,No rth A tlantic Oscillation(NAO)in the preceding sp ring,a statistic predictivemodel for summer precipitation over China is proposed and the forecast results for years 2004-2009 are tested.The results show that the large scale precipitation over China mainly changeswith NAO in May,and themeridional dipole pattern of precipitation is associated with NAO in May and the anomalous cooling during 500 hPa-200 hPa in the preceding sp ring over No rth China and Northeast China.The NAO influences the summer precipitation over China on both interannual and interdecadal time scales,w hile the upper tropospheric temperature influences the precipitation mainly on interdecadal time scale.The anomalous condition of sp ring NAO and upper tropospheric temperature determines the pattern and magnitude of summer precipitation over China via large scale circulation and water vapo rtransport.A predictivemodel for summer precipitation over China is proposed based on both this statistic and physical relationship,with the first three princip le components(PCs)of summer precipitation as the predictands,and with the first four PCs of upper tropospheric temperature over Asia(10°N-50°N,60°E-130°E)and themonthly NAO index in the preceding sp ring as the predictors.The periodsof these series with different time scales are also considered to remove the noise and extract useful info rmation.The averaged anomaly correlation coefficient for years 2004-2009 is 0.335,indicting a good skill in fo recasting the summer precipitation over China.

upper tropospheric temperature,North A tlantic Oscillation(NAO),summer precipitation over China,statistic predictive model

1006-9895(2011)05-0963-14

P461

A

馮蕾,魏鳳英,朱艷峰.2011.基于前春對流層溫度和北大西洋濤動的中國夏季降水統(tǒng)計預(yù)測模型 [J].大氣科學(xué),35(5):963-976. Feng Lei,Wei Fengying,Zhu Yanfeng.2011.A predictivemodel for summer precipitation over China based on upper tropospheric temperature and North A tlantic Oscillation in the preceding sp ring[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):963-976.

2010-09-20,2010-12-09收修定稿

財政部/科技部公益類行業(yè)專項GYH Y200706010、GYHY200906016

馮蕾,女,1982年出生,博士研究生,主要從事氣候診斷與預(yù)測研究。E-mail:leifeng@mail.iap.ac.cn