平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件與北半球 冬季大陸尺度寒潮低溫的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)

虞越越 嚴(yán)睿愷 蔡鳴

（1 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；2 浙江省氣象臺(tái)，杭州 310000；3 佛羅里達(dá)州立大學(xué)，塔拉哈希 32306）

0 引言

次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)介于天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)之間，是搭建無(wú)縫隙、一體化氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵與挑戰(zhàn)。對(duì)于北半球人口較為密集的中緯度大陸地區(qū)，冬季大范圍極端溫度事件是出現(xiàn)最為頻繁、影響最為廣泛的極端天氣。北半球冬季極端溫度事件（尤其是低溫事件）次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)水平的提升，可大大提高其衍生、次生災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警水平，為政府機(jī)關(guān)部署規(guī)劃防災(zāi)減災(zāi)各項(xiàng)工作爭(zhēng)取充足的時(shí)間，最大程度地避免或減輕災(zāi)害影響，因而具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

對(duì)于次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外氣象部門多采用動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法[1]。常規(guī)的動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法是通過(guò)給定海表溫度的大氣全球模式或采用海氣耦合全球模式從初始條件進(jìn)行時(shí)間積分得到預(yù)報(bào)結(jié)果。一般而言，動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)技巧隨預(yù)報(bào)時(shí)間的增加會(huì)迅速減小，預(yù)報(bào)時(shí)效往往局限在1～2周?；谠摲椒ǖ拇渭竟?jié)尺度預(yù)報(bào)只能提供月平均或季節(jié)平均溫度、降水等信息，無(wú)法預(yù)測(cè)逐個(gè)異常天氣/氣候事件發(fā)生的具體時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法則是采用一系列經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法將較低頻率的氣候變率模態(tài)或某氣候主導(dǎo)模態(tài)的特定位相與地面天氣氣候異常的統(tǒng)計(jì)關(guān)系應(yīng)用到次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)中。常用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法包括典型相關(guān)分析（Canonical Correlation Analysis）[2]、最優(yōu)氣候模態(tài)（Optimum Climate Normal）[3]、回歸分析[4]、集合典型相關(guān)分析[5]、Constructed Analogue[6-7]等。目前，次季節(jié)尺度統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的參考依據(jù)主要有以下三種：

（2）地表緩變信號(hào)，土壤濕度的記憶長(zhǎng)達(dá)幾周，可通過(guò)改變蒸發(fā)過(guò)程、地表能量收支影響模式的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)水平。有研究表明，以土壤濕度的極端異常作為模式初始條件，可大大提高模式的次季節(jié)預(yù)測(cè)能力，但技巧提高的區(qū)域主要局限于土壤濕度-大氣耦合關(guān)系緊密且存在高質(zhì)量降水觀測(cè)資料的區(qū)域[17-18]。特別需要指出的是，經(jīng)驗(yàn)表明土壤濕度記憶在冬季較弱，故利用土壤濕度記憶的預(yù)報(bào)對(duì)提高冬季寒潮預(yù)報(bào)技巧幫助極為有限。也有研究指出，雪蓋和海冰對(duì)局地和非局地的大氣月尺度和季節(jié)尺度變化也存在一定影響[19-20]，但由于極地觀測(cè)資料的匱乏，該影響有多大、是否影響模式次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)水平并不清楚。

（3）平流層緩變信號(hào)，越來(lái)越多的研究證明數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式對(duì)平流層的異常弱極渦事件（主要包括平流層爆發(fā)性增溫（SSW）和平流層最后增溫（SFW）[21-24]）、熱帶外地區(qū)的緯向平均溫度、位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)[25-27]等具有一定的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)能力。而平流層-對(duì)流層在中高緯度地區(qū)的緊密耦合關(guān)系[28-36]為采用平流層信號(hào)進(jìn)行地面天氣氣候異常的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)提供了可能。目前關(guān)于平流層和地面天氣氣候關(guān)系的研究主要著眼于平流層的緩變信號(hào)（如平流層NAM 或極渦振蕩）和極端劇烈信號(hào)（如平流層爆發(fā)性增溫SSW）。然而這些信號(hào)作為地面溫度的次季節(jié)尺度預(yù)報(bào)因子仍存在一定的局限性，基于平流層緩變信號(hào)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)雖能改善季節(jié)平均地面溫度異常和較為低頻的振蕩模態(tài)北極濤動(dòng)（AO）的預(yù)報(bào)水平[22,37-39]，但不能用于預(yù)測(cè)逐個(gè)極端溫度事件的發(fā)生時(shí)間；而平流層最為劇烈的異常事件SSW，每年冬季最多出現(xiàn)1～2次，基于SSW的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)無(wú)法滿足對(duì)冬季頻繁發(fā)生的極端溫度事件次季節(jié)預(yù)測(cè)的需求。

目前用于次季節(jié)尺度的動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法尚存在一定的客觀缺陷，探尋新的次季節(jié)尺度預(yù)報(bào)技巧來(lái)源必要而迫切。

1 基于平流層大氣質(zhì)量環(huán)流的北半球冬季寒潮低溫事件的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)方法

大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流是以位溫（或熵）作為垂直坐標(biāo)，用于研究大氣環(huán)流的分布理論框架[40-42]。在等熵面上定義的經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流可以更直接、更客觀地量化各緯度帶內(nèi)的冷暖空氣輸送。質(zhì)量環(huán)流的結(jié)構(gòu)是一個(gè)半球尺度的單圈環(huán)流，如圖1所示，它由熱帶地區(qū)的上升支、高層由赤道向極地的暖支、中高緯度地區(qū)的下沉支以及低層由極區(qū)向赤道的冷支組成。

圖1 北半球冬季大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流結(jié)構(gòu)及其氣候平均質(zhì)量輸送量值概念圖 （此圖為基于[43]圖一數(shù)據(jù)所作的概念示意圖，圖中所有數(shù)字的單位均為109 kg·s-1?！癟HC”、“EHC”、“SC”分別代表半球尺度大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的三個(gè)子環(huán)流圈： “THC”代表熱帶哈得來(lái)環(huán)流（Tropical Hadley Cell），“EHC”代表熱帶外哈得來(lái)環(huán)流 （Extratropical Hadley Cell），“SC”代表平流層環(huán)流 （Stratospheric Cell）） Fig. 1 A schematic figure of the structure of Northern Hemispheric atmospheric meridional mass circulation and the values of climatological mean meridional mass transport in wintertime[41] (The values in this figure are based on the data used for deriving figure 1 in [43] and their units are 109 kg s-1. “THC”, “EHC”, “SC” indicate the three sub-cells of the hemispheric atmospheric meridional mass circulation: “THC” is the Tropical Hadley Cell, “EHC” is the Extratropical Cell, and “SC” is the Stratospheric Cell.)

驅(qū)動(dòng)和維持大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流的機(jī)制較為復(fù)雜，包括動(dòng)力和熱力的共同作用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流在低緯度和高緯度地區(qū)主要受熱力強(qiáng)迫，即熱帶地區(qū)空氣受熱上升到達(dá)高層后向高緯度輸送，高緯度地區(qū)空氣受非絕熱冷卻作用而下沉，在極區(qū)堆積的同時(shí)向赤道回流；在中緯度地區(qū)，向西傾斜的斜壓不穩(wěn)定羅斯貝波，對(duì)維持經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流高層的向極暖支以及低層的向赤道冷支起著至關(guān)重要的作用。斜壓穩(wěn)定的波動(dòng)和斜壓不穩(wěn)定的波動(dòng)所對(duì)應(yīng)的高低層凈質(zhì)量輸送情況可通過(guò)圖2簡(jiǎn)要說(shuō)明。對(duì)于斜壓不穩(wěn)定波動(dòng)（圖2b），溫度場(chǎng)落后于高度場(chǎng) （即西傾系統(tǒng)），溫度槽位于高度槽的西部，由于較冷，其對(duì)應(yīng)的等熵面上凸。而在高度槽的東部，溫度脊所對(duì)應(yīng)的等熵面下凹。這種等熵面在高度槽兩側(cè)由西至東凸凹變化意味著在高度槽西部有更多（少）空氣質(zhì)量位于低（高）層；而在高度槽的東部則有更多（少）的空氣質(zhì)量位于高（低）層。故在高層，高度槽前（東部）南風(fēng)所引起的向極質(zhì)量輸送大于槽后（西部）北風(fēng)引起的向赤道質(zhì)量輸送，從而形成凈的向極地質(zhì)量輸送（向極地暖支）；而在低層，槽前南風(fēng)向極地的質(zhì)量輸送則小于槽后北風(fēng)引起的向赤道質(zhì)量輸送，從而形成凈的向赤道質(zhì)量輸送（向赤道冷支）。

圖2 斜壓穩(wěn)定波動(dòng)（a）和斜壓不穩(wěn)定波動(dòng)（b）對(duì)應(yīng)的位勢(shì)高度、位勢(shì)溫度以及經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)示意圖[41] （上圖為經(jīng)度(λ)-緯度(φ)剖面，下圖為與其對(duì)應(yīng)的經(jīng)度(λ) -氣壓(p)剖面。Vg為地轉(zhuǎn)風(fēng)經(jīng)向分量，其風(fēng)速符號(hào)在圖中標(biāo)出，斜直虛線分隔槽與脊。此處為由低層等熵面θe、中層等熵面θm以及高層等熵面θu組成的兩層模型 ） Fig. 2 A schematic figure for geopotential height, potential temperature, and meridional wind field for baroclinic stable waves (a) and baroclinic unstable waves (b) (The upper panel is the longitude-latitude cross-section, and the bottom panel is the corresponding longitudepressure cross section. Vg is the geostrophic component of meridional wind, and the slanted dashed lines separate the trough and ridge. This is a simple two-layer model composed of lower isentropic surface, middle isentropic surface, and upper isentropic surface.)

Cai 和 Shin[43]進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，在半球尺度單圈環(huán)流內(nèi)部還存在三個(gè)子環(huán)流圈：平流層質(zhì)量環(huán)流、對(duì)流層熱帶外質(zhì)量環(huán)流以及對(duì)流層熱帶質(zhì)量環(huán)流，三者有機(jī)結(jié)合在一起（圖1）。基于大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流理論，Cai 等[44]提出了針對(duì)逐個(gè)寒潮低溫事件次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)的一個(gè)潛在的預(yù)報(bào)因子，即：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)平流層凈向極地（60°—90°N）輸送的暖空氣質(zhì)量，用于表征平流層大氣質(zhì)量環(huán)流在60°N附近的強(qiáng)度（ST60N指數(shù)）。ST60N指數(shù)有以下三大特性：具有一定的次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性；與逐個(gè)大范圍極端溫度事件存在聯(lián)系；實(shí)時(shí)計(jì)算可行。ST60N指數(shù)的這三大特性為冬季北半球氣溫的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)提供了新思路：首先采用動(dòng)力預(yù)測(cè)方法獲得平流層大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)事件的發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度等次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)信息（動(dòng)力模塊），然后結(jié)合環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到峰值的時(shí)間、峰值強(qiáng)度與大陸尺度寒潮低溫事件的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（統(tǒng)計(jì)模塊），得到歐亞大陸和北美大陸中緯度地區(qū)寒潮低溫事件的次季節(jié)尺度概率預(yù)報(bào)。值得注意的是，在該動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型中，超前信號(hào)來(lái)自數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)ST60N指數(shù)的次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性，而不是平流層大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)事件相對(duì)于寒潮低溫事件發(fā)生時(shí)間的超前關(guān)系。也就是說(shuō)，環(huán)流與寒潮低溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系只是診斷工具，只要二者之間存在幾乎同時(shí)、一對(duì)一的關(guān)系即可。

實(shí)際操作中應(yīng)在軟件確認(rèn)排列的順序：①需要保證排水管與電纜橋架的之間的距離。若管線與電纜平行，需要保證其最短距離為0.4m；若管線與電纜不平行，需要保證其最短距離為0.3m。②對(duì)于線槽和暖通及通風(fēng)的管道設(shè)計(jì)，需要保證其弱電結(jié)構(gòu)之間距離為0.3m[1]。③對(duì)于給水和消防管道的設(shè)計(jì)，需要保證線槽位置處于建筑物的高位，其他管道需要控制在建筑物的中位。

以下分別針對(duì)次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性（動(dòng)力模塊）、與逐個(gè)大范圍極端溫度事件存在聯(lián)系（統(tǒng)計(jì)模塊）的新研究結(jié)果、預(yù)報(bào)模型建立和流程進(jìn)行進(jìn)一步闡述。

2 平流層大氣質(zhì)量環(huán)流的次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性

前人工作[25-27]已經(jīng)指出，預(yù)報(bào)模式可以超前2周以上預(yù)報(bào)環(huán)流異常的緯向平均部分。而Zhang 等[27]進(jìn)一步指出，緯向平均場(chǎng)實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于中緯度波動(dòng)的平均振幅，而不是槽脊的具體位置。也就是說(shuō)，即使模式無(wú)法有效預(yù)報(bào)2周以后槽脊的位置，振幅大小也能夠預(yù)報(bào)。而質(zhì)量環(huán)流恰恰由波動(dòng)的西傾結(jié)構(gòu)和平均振幅決定，與槽脊的位置無(wú)關(guān)，此系列研究從側(cè)面反映了平流層大氣質(zhì)量環(huán)流（ST60N）的次季節(jié)可預(yù)報(bào)性。

Yu等[45]的最新研究采用Climate Forecast System version 2.0（CFSv2）模式次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)逐日資料，對(duì)2011—2018年冬季平流層大氣質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵指數(shù)的次季節(jié)預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估手段包括針對(duì)時(shí)間演變特征的相關(guān)系數(shù)法以及針對(duì)平流層質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)脈沖（PULSE）事件是否發(fā)生和發(fā)生時(shí)間是否預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的Fuzzy命中率和錯(cuò)報(bào)率等多種預(yù)報(bào)技巧評(píng)估指標(biāo)。研究首先考查了平流層質(zhì)量環(huán)流指數(shù)的氣候平均和標(biāo)準(zhǔn)差的預(yù)報(bào)誤差，并基于該系統(tǒng)性預(yù)報(bào)誤差設(shè)計(jì)了一套對(duì)平流層大氣質(zhì)量環(huán)流次季節(jié)模式預(yù)測(cè)的系統(tǒng)誤差校正方案。其次，平流層質(zhì)量環(huán)流季節(jié)內(nèi)變率的預(yù)報(bào)水平評(píng)估顯示，其預(yù)報(bào)極限可延長(zhǎng)至20 d，大振幅事件的預(yù)報(bào)極限更長(zhǎng)（圖3）。這為通過(guò)動(dòng)力（模式對(duì)平流層質(zhì)量環(huán)流信號(hào)的次季節(jié)預(yù)報(bào)結(jié)果）和統(tǒng)計(jì)（平流層質(zhì)量環(huán)流與地面異常低溫事件的有機(jī)聯(lián)系）相結(jié)合的方法對(duì)逐個(gè)寒潮事件進(jìn)行次季節(jié)預(yù)測(cè)提供了重要依據(jù)。

圖3 60°N平流層大氣質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵指數(shù)（如平流層凈向極質(zhì)量通量ST60N及其一波、二波分量ST60N_W1，ST60N_W2）的預(yù)報(bào)極限（單位：d）[45] （紅色柱狀圖表示基于預(yù)報(bào)與觀測(cè)相關(guān)系數(shù)的預(yù)報(bào)極限（相關(guān)系數(shù)高于0.3的最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效）；藍(lán)色、紫色、灰色柱狀圖分別表示允許3天、2天、1天預(yù)報(bào)時(shí)間誤差的強(qiáng)弱事件預(yù)報(bào)極限（Fuzzy命中率高于錯(cuò)報(bào)率的最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效）；“P”表示異常偏大振幅時(shí)段或強(qiáng)事件；“N”表示異常偏小振幅時(shí)段或弱事件 ） Fig. 3 Predictability limit of the ST60N, ST60N_W1, and ST60N_W2 indices in the seven winters (November-March) of 2011—2018 (units: d) [45] (red bars indicate the maximum forecast lead time with a correlation score exceeding 0.3. Blue, purple and gray bars indicate the maximum forecast lead time with the fuzzy Probability Of Detection (POD) exceeding the fuzzy False Alarm Rate (FAR) in verification when a three-, two- and one-day time shift is allowed, respectively.)

Yu等[45]進(jìn)一步指出，限制CFSv2模式對(duì)平流層大氣質(zhì)量環(huán)流次季節(jié)預(yù)測(cè)水平的主要原因是模式對(duì)表征波動(dòng)斜壓不穩(wěn)定性的波動(dòng)西傾角度的預(yù)測(cè)能力較低，而對(duì)行星波振幅的預(yù)報(bào)可達(dá)50 d以上。由此可知，提升模式對(duì)波動(dòng)斜壓性的預(yù)測(cè)能力可進(jìn)一步提高PULSE的次季節(jié)預(yù)測(cè)水平。

3 北半球冬季平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件（PULSE）與寒潮低溫事件的聯(lián)系

低層極區(qū)冷空氣的向南凈輸送（大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流低層向赤道冷支）是中緯度寒潮低溫事件的根本原因[46-49]。而60°N大氣經(jīng)向質(zhì)量環(huán)流底層向赤道冷支與大氣高層沿等熵面向極的凈質(zhì)量輸送（即向極暖支），在天氣尺度上由于是同一個(gè)西傾波動(dòng)的產(chǎn)物而高度耦合。

平流層分支與對(duì)流層高層分支共同組成向極暖支，大多數(shù)情況下由于具有深厚垂直結(jié)構(gòu)的波動(dòng)的作用，平流層分支與暖支存在緊密正相關(guān)，進(jìn)而與低層向赤道冷支和地面極端溫度異常緊密相連。平流層質(zhì)量環(huán)流與北半球冬季中緯度大范圍低溫事件的統(tǒng)計(jì)關(guān)系具體如下：60°N平流層質(zhì)量環(huán)流異常偏強(qiáng)（PULSE事件）的前1周內(nèi)，北半球歐亞大陸異常偏冷、北美大陸偏暖；而在60°N平流層質(zhì)量環(huán)流異常偏強(qiáng)之后的2周內(nèi)，逐漸轉(zhuǎn)為歐亞大陸偏暖、北美偏冷，此時(shí)歐亞大陸出現(xiàn)極端低溫事件的概率也較高，但不及北美大陸；平流層質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的地面溫度異常響應(yīng)越顯著[44]。Yu等[50-51]進(jìn)一步考查了PULSE事件的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、所受的波動(dòng)驅(qū)動(dòng)尺度等關(guān)鍵特征對(duì)PULSE事件對(duì)應(yīng)的地面溫度異?？臻g分布的影響。如圖4所示，不同波動(dòng)尺度驅(qū)動(dòng)的PULSE事件所對(duì)應(yīng)的寒潮時(shí)空分布特征存在顯著差異：一波驅(qū)動(dòng)時(shí)，往往在事件發(fā)生前/后的2周，歐亞大陸偏冷（暖），而北美大陸偏暖（冷）；二波驅(qū)動(dòng)時(shí)，往往在事件發(fā)生時(shí)的1～2周，歐亞大陸和北美大陸均偏冷。這種與大陸尺度寒潮的統(tǒng)計(jì)關(guān)系隨著PULSE事件強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間的增加而變得更加緊密。我們的研究還發(fā)現(xiàn)，PULSE事件中一波主導(dǎo)型和二波主導(dǎo)型所占比例幾乎相等，但隨著PULSE事件強(qiáng)度的增加，二波驅(qū)動(dòng)型所占比率顯著升高，從而使得較弱的PULSE事件所對(duì)應(yīng)的溫度分布往往與一波主導(dǎo)型較為一致，而較強(qiáng)的PULSE事件所對(duì)應(yīng)的溫度分布與二波主導(dǎo)型較為一致。這一系列工作為基于平流層質(zhì)量環(huán)流PULSE信號(hào)的寒潮次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)模型的統(tǒng)計(jì)模塊提供更為全面深入的依據(jù)。

圖 4 PULSE事件前后15天地面溫度異常低于－0.5局地標(biāo)準(zhǔn)差的概率（單位：%）[50] （第一行為波數(shù)一波主導(dǎo)、強(qiáng)度大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的PULSE事件（ PULSE_W1＞1），第二行為波數(shù)一波主導(dǎo)、強(qiáng)度大于2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的PULSE事件（ PULSE_W1＞2）；第三和第四行同第一和第二行，但是為波數(shù)二波主導(dǎo)的PULSE事件；第五和第六行同第一和第二行，但是為所有PULSE事件 ） Fig. 4 Probability map of the occurrence of SATA being less than －0.5 local standard deviation (units: %)[50] (probability on days －15, －10, －5, 0, 5, 10 and 15 relative to the peak dates of PULSE_W1 events with a peak intensity threshold of 1.0 SD (first row) and 2.0 SD (second row). The third and fourth rows are the same as first and second rows, but relative to PULSE_W2 events with a peak intensity threshold of 1.0 SD and 2.0 SD. The fifth and sixth rows are the same as the first and second rows, but relative to PULSE_TOT events with a peak intensity threshold of 1.0 SD and 2.0 SD.)

PULSE事件與平流層極渦的其他尺度變率（北半球環(huán)狀模NAM、SSW）也存在物理聯(lián)系，且與其他尺度變率相比，PULSE在指示大范圍寒潮低溫事件方面具有一定的優(yōu)越性。

（1）PULSE與NAM： NAM被認(rèn)為是北半球?qū)α鲗印搅鲗迎h(huán)流低頻變率的主導(dǎo)模態(tài)，以溫度、位勢(shì)高度、氣壓/大氣質(zhì)量等變量場(chǎng)在極區(qū)和中緯度地區(qū)相反位相的緯向帶狀分布為主要特征。NAM負(fù)（正）位相往往對(duì)應(yīng)弱（強(qiáng)）極渦，對(duì)北半球冬季天氣氣候具有重要而廣泛的影響，近年來(lái)成為科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。而近期工作[44,52-53]指出：NAM的正（負(fù)）位相本質(zhì)上是平流層大氣質(zhì)量環(huán)流對(duì)極區(qū)平流層質(zhì)量收支調(diào)控的結(jié)果。極區(qū)平流層的大氣柱總質(zhì)量（PSM）往往與平流層NAM呈反位相變化，可有效表征平流層NAM的變率。而PSM猶如一個(gè)帶孔密閉容器（平流層極區(qū)）里的儲(chǔ)水情況，由兩部分決定：一個(gè)是絕熱過(guò)程引起的向極地平流層的質(zhì)量通量（ST60N），類似于向容器加減水；另一個(gè)是非絕熱冷卻引起的從平流層向?qū)α鲗拥拇髿赓|(zhì)量流失，類似于容器底部小孔的漏水。非絕熱質(zhì)量通量與極區(qū)平流層質(zhì)量一樣，均為慢信號(hào)，其變化由牛頓冷卻過(guò)程強(qiáng)度決定，往往與PSM變化相反，“水”越多，漏地越快，幫助PSM恢復(fù)到氣候平均狀態(tài)。絕熱經(jīng)向質(zhì)量通量ST60N的主要周期為2周，主要由平流層低層的行星波西傾角快速變化引起，它決定了PSM的日傾向變化；ST60N的一個(gè)較慢的變率則由行星波振幅變率所主導(dǎo)，行星波振幅又因波流相互作用與PSM之間存在1/4位相差的耦合關(guān)系。絕熱經(jīng)向質(zhì)量通量的多尺度變率決定了NAM位相變化以及極渦振蕩的變率。

（2）PULSE與SSW：平流層爆發(fā)性增溫（SSW）是指平流層極區(qū)幾天之內(nèi)溫度突然升高40～50 ℃的現(xiàn)象，SSW發(fā)生時(shí)往往對(duì)應(yīng)于NAM負(fù)位相。越來(lái)越多的研究證明，SSW發(fā)生之后的1～2個(gè)月內(nèi)往往會(huì)發(fā)生大面積的極端低溫事件，為地面天氣氣候異常的次季節(jié)-季節(jié)尺度預(yù)測(cè)提供了新的指示因子。Yu等[51]的最新研究揭示了SSW與PULSE的內(nèi)在聯(lián)系，并將二者作為逐個(gè)寒潮事件的指示因子的優(yōu)劣進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，指出PULSE事件作為指示因子的普遍性和優(yōu)越性：PULSE事件發(fā)生頻率高，冬季平均發(fā)生9次；SSW是PULSE的一個(gè)特殊子集，SSW多為強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的PULSE事件中的一小部分，“偏心型”SSW事件往往對(duì)應(yīng)于一波數(shù)主導(dǎo)的PULSE事件，而“分裂型”SSW與PULSE事件的主導(dǎo)波動(dòng)尺度關(guān)系并不密切；基于主導(dǎo)波動(dòng)尺度分類的PULSE事件展現(xiàn)出更為清晰的地面溫度異常分布特征，結(jié)合其與“分裂型”“偏心型”SSW的關(guān)系較好地解釋了SSW事件（尤其是分裂型）與地面低溫關(guān)系的不穩(wěn)定性； PULSE事件可指示70%的大陸尺度低溫事件在其前后一周內(nèi)發(fā)生，錯(cuò)報(bào)率為25%，而SSW只能指示6%的大陸尺度寒潮，而錯(cuò)報(bào)率卻不低（22%）（歷年對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)圖5）。

圖5 續(xù)

圖5 續(xù)

圖5 續(xù)

圖5 60°N平流層質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)與低溫面積指數(shù)的歷年冬季（11月—次年3月）時(shí)間序列（a~d）[51] （第一行是60°N平流層質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)ST60N (黑色)及其一波驅(qū)動(dòng)分量（紅色）、二波驅(qū)動(dòng)分量（藍(lán)色）；第二行和第三行分別是北美、歐亞中緯度地區(qū)地面溫度異常低于﹣0.5局地標(biāo)準(zhǔn)差的面積指數(shù)（CNA0.5 和CEA0.5）；水平實(shí)橫線和虛橫線分別表征第50百分位和第70百分位；數(shù)字為每年冬季PULSE事件、寒潮低溫事件編號(hào)；偏心型和分裂型SSW事件分別用紅色和藍(lán)色豎實(shí)線表示；未在PULSE事件前后一周內(nèi)發(fā)生的寒潮低溫事件用叉標(biāo)出； PULSE事件極值日用豎虛線標(biāo)出，未有寒潮低溫事件在其前后一周內(nèi)發(fā)生的PULSE事件用叉標(biāo)出 ） Fig. 5 Time series of stratospheric mass circulation indices（a~d）(black for ST60N, red for ST60N_W1, and blue for ST60N_W2 in the upper panels), along with time series of cold area indices over mid-latitude North America (CNA0.5 in the middle panels) and over mid-latitude Eurasia (CEA0.5 in the lower panels), in the winters from November 1979 to March 2016[51] (the horizontal solid lines and dashed lines in each panel represent the 50th and 70th percentiles of ST60N, CNA0.5 and CEA0.5, respectively. The PULSE event, CAO event over North America (CAO_NA), and CAO event over Eurasia, are numbered starting from 1 for each winter. The central dates of “D”- and “S”-type SSW events, listed in Table 1, are marked by red and blue solid vertical lines, respectively. The CAO event peaks that were not paired with a PULSE event peak (allowing 7 days lead/lag) are marked by a cross. The PULSE event peaks are highlighted by vertical dashed lines, and those that were not paired with a CAO event peak (allowing 7 days of lead/lag) are marked by a cross in the upper panels.)

值得注意的是，PULSE事件指示大陸寒潮低溫事件存在25%～30%的漏報(bào)率和錯(cuò)報(bào)率，這是由平流層-對(duì)流層耦合過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性決定的。首先，平流層極渦異常信號(hào)能夠下傳至對(duì)流層低層的條件較為復(fù)雜，與平流層極渦異常的強(qiáng)度[28]、持續(xù)時(shí)間[54]、發(fā)生時(shí)間[55]、波動(dòng)尺度[56-57]、對(duì)流層自身變率[58-60]有關(guān)，這些因素影響平流層-對(duì)流層耦合強(qiáng)度的作用并未完全達(dá)成共識(shí)[54]。即使在平流層-對(duì)流層耦合的情況下，超前時(shí)間和影響區(qū)域?qū)ζ搅鲗訕O渦和相關(guān)波動(dòng)特征也具有較強(qiáng)依賴性。比如，極渦的形態(tài)以及驅(qū)動(dòng)其變化的主導(dǎo)波動(dòng)尺度所對(duì)應(yīng)的異常低溫時(shí)空分布特征存在顯著差異：在極渦偏心型SSW事件發(fā)生前（后）2～3周，美國(guó)東南部偏暖（冷），歐亞偏冷（暖）；而在極渦分裂型SSW事件發(fā)生日期前1個(gè)月到后1個(gè)月，往往兩個(gè)大陸均容易發(fā)生異常低溫[61-63]。類似地，吸收型和折射型SSW事件[64]、不同波分量主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)的平流層大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)事件[50-51]所對(duì)應(yīng)的異常低溫發(fā)生和維持時(shí)間、出現(xiàn)區(qū)域也存在差異。要優(yōu)化統(tǒng)計(jì)模塊，需要進(jìn)一步細(xì)化平流層與對(duì)流層不同尺度上的耦合過(guò)程，明確影響二者耦合的影響因素和前兆因子，同時(shí)關(guān)注平流層對(duì)區(qū)域天氣氣候的影響途徑。

4 基于平流層大氣質(zhì)量環(huán)流的北半球冬季中緯度地區(qū)地面氣溫次季節(jié)尺度動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型

基于平流層大氣質(zhì)量環(huán)流的北半球冬季氣溫次季節(jié)尺度動(dòng)力—統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型具有兩個(gè)核心模塊——?jiǎng)恿δK和統(tǒng)計(jì)模塊。章節(jié)2中關(guān)于平流層大氣質(zhì)量環(huán)流的次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性及其影響因子的研究成果是構(gòu)建動(dòng)力模塊的核心依據(jù)，章節(jié)3中關(guān)于北半球冬季平流層大氣質(zhì)量環(huán)流與中緯度地區(qū)地面氣溫次季節(jié)變化的聯(lián)系是統(tǒng)計(jì)模塊的理論基礎(chǔ)。

動(dòng)力模塊由三個(gè)關(guān)鍵步驟組成。

（1）平流層質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵指數(shù)的計(jì)算：首先采用實(shí)時(shí)次季節(jié)預(yù)測(cè)資料，計(jì)算若干平流層大氣質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵指數(shù)，包括強(qiáng)度、各個(gè)波分量引起的凈向極區(qū)平流層的質(zhì)量輸送（主導(dǎo)波動(dòng)尺度）、槽前進(jìn)入／槽后離開(kāi)極區(qū)平流層的總質(zhì)量、冷暖空氣質(zhì)量輸送路徑等。

（2）預(yù)測(cè)指數(shù)序列的誤差調(diào)整：根據(jù)誤差分析結(jié)果總結(jié)的其時(shí)間、振幅等信息的預(yù)報(bào)誤差校正方案，去除預(yù)測(cè)指數(shù)序列的系統(tǒng)誤差。

（3）參照集合概率預(yù)報(bào)的思路檢測(cè)平流層大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)事件發(fā)生時(shí)間：首先檢測(cè)出不同起報(bào)日期（預(yù)報(bào)時(shí)效1～30 d）的預(yù)報(bào)序列的局地最大值，然后計(jì)算各個(gè)預(yù)報(bào)目標(biāo)日期在不同起報(bào)日期成員集合中出現(xiàn)局地峰值的概率，偵測(cè)出平流層大氣質(zhì)量環(huán)流異常信號(hào)最可能出現(xiàn)的時(shí)間，并提煉出該時(shí)間對(duì)應(yīng)的平流層大氣質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵特征信息。

統(tǒng)計(jì)模塊采用Constructed Analogue經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法搭建從平流層大氣質(zhì)量環(huán)流異常事件到其伴隨的地面氣溫時(shí)空演變或地面氣溫主要空間模態(tài)時(shí)間演變的統(tǒng)計(jì)模型。

基本預(yù)報(bào)流程如下。

（1）自動(dòng)下載業(yè)務(wù)模式次季節(jié)預(yù)測(cè)資料（0～60 d），計(jì)算平流層大氣質(zhì)量環(huán)流關(guān)鍵特征指數(shù)集的預(yù)報(bào)序列。

（2）將其預(yù)報(bào)序列進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（3）優(yōu)化后的環(huán)流關(guān)鍵特征指數(shù)集作為預(yù)報(bào)因子輸入統(tǒng)計(jì)模塊，得到平流層大氣質(zhì)量環(huán)流異常事件前后中緯度地區(qū)地面氣溫異常的時(shí)空分布信息。

（4）將年際尺度主導(dǎo)模態(tài)ENSO、QBO 以及季節(jié)內(nèi)尺度主導(dǎo)模態(tài)MJO特定位相所對(duì)應(yīng)的時(shí)段平均地面氣溫異常信息疊加到由平流層大氣質(zhì)量環(huán)流信號(hào)預(yù)測(cè)得到的逐日變化信息之上，最終得到地面氣溫異常的次季節(jié)尺度（14~60天）預(yù)測(cè)結(jié)果。在地面氣溫異常的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上再疊加其冬季氣候態(tài)變化，即可得到地面氣溫的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

次季節(jié)預(yù)測(cè)是無(wú)縫隙天氣預(yù)報(bào)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的重要環(huán)節(jié)之一，在防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)決策中起著重要作用。本文著重介紹了北半球冬季大陸尺度寒潮低溫事件的次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)新因子——平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件。平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件存在以下三大特性：具有一定的次季節(jié)尺度可預(yù)測(cè)性；與逐個(gè)大范圍極端溫度事件存在聯(lián)系；實(shí)時(shí)計(jì)算可行?；谠撎匦裕纱罱ㄓ蓜?dòng)力模塊（采用動(dòng)力預(yù)測(cè)方法獲得平流層大氣質(zhì)量環(huán)流強(qiáng)事件的發(fā)生時(shí)間、強(qiáng)度等次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)信息）和統(tǒng)計(jì)模塊（環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到峰值的時(shí)間、峰值強(qiáng)度與大陸尺度寒潮低溫事件的統(tǒng)計(jì)關(guān)系）組成的對(duì)歐亞大陸和北美大陸中緯度地區(qū)寒潮低溫事件的次季節(jié)尺度概率預(yù)報(bào)模型。

但目前的研究距離平流層信號(hào)在次季節(jié)預(yù)測(cè)中的廣泛業(yè)務(wù)應(yīng)用仍存在一定距離。首先，平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件的單模式次季節(jié)預(yù)測(cè)水平還不夠理想，多模式集合預(yù)報(bào)水平如何，是否有較大提升，需要充分利用S2S資料，進(jìn)一步研究；其次，平流層大氣質(zhì)量環(huán)流脈沖事件-對(duì)流層中高緯度地面溫度異常間的耦合關(guān)系還存在多樣性和復(fù)雜性，重點(diǎn)表現(xiàn)在影響地面溫度的時(shí)間和區(qū)域仍存在較大不確定性，需要從機(jī)理方面進(jìn)行針對(duì)性攻艱研究。