基于降水遙相關(guān)型的夏季降水模式預(yù)測(cè)改進(jìn)研究

李帥 楊杰 龔志強(qiáng) 黃必城 范培義 封國(guó)林,,4,5

1蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000

2江蘇省氣象局，江蘇省氣候中心，南京 210009

3國(guó)家氣候中心，中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

4南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519080

5揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225002

1 引言

20 世紀(jì) 80 年代初，Wallace and Gutzler（1981）利用高度場(chǎng)與其中一個(gè)格點(diǎn)的相關(guān)，揭示了在北半球冬季500 hPa存在的5種基本遙相關(guān)型，從此遙相關(guān)概念受到氣象學(xué)家的廣泛關(guān)注（Nitta,1987;Huang and Li,1987;陸日宇和黃榮輝,1998;丁一匯和劉蕓蕓,2008;Yang et al.,2010;Xu et al.,2019）。我國(guó)地域遼闊，氣候復(fù)雜多變，某一區(qū)域干旱時(shí)，距離較遠(yuǎn)的另一區(qū)域往往會(huì)發(fā)生洪澇，這種現(xiàn)象與大氣環(huán)流的遙相關(guān)概念相接近。我國(guó)發(fā)生全國(guó)性的洪澇或者干旱的事件很少，在東亞夏季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓、青藏高原積雪、西北太平洋海溫以及中高緯度環(huán)流等多種因素的共同影響下，降水主要呈現(xiàn)經(jīng)向三級(jí)子或偶級(jí)子異常（Huang and Sun,1992;Zhang et al.,1996,1999;陳文,2002;龔道溢和何學(xué)兆,2002;周連童和黃榮輝,2003;Huang et al.,2004;黃榮輝等,2008;Huang et al.,2011;趙俊虎等,2014）。侯威等（2009）利用信息熵空間場(chǎng)相關(guān)性方法探討了中國(guó)旱澇事件空間分布規(guī)律，指出中國(guó)旱澇空間分布場(chǎng)與隨機(jī)旱澇分布場(chǎng)有明顯差別，具有很強(qiáng)的空間關(guān)聯(lián)性。施能和曹鴻興（1993）研究指出我國(guó)月—季降水場(chǎng)分布在空間上存在類(lèi)似于大氣環(huán)流遙相關(guān)的空間遙相關(guān)型，然而是利用站點(diǎn)之間的相關(guān)，得到的遙相關(guān)型較為雜亂且空間范圍較小，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。對(duì)于中國(guó)夏季降水遙相關(guān)，前人主要研究了江淮流域和華北地區(qū)夏季降水反向變化關(guān)系的遙相關(guān)型及其機(jī)理，但是是否還存在其他遙相關(guān)型目前尚不知曉（Huang et al.,1992;韋志剛等, 2002;黃榮輝和陳文,2002;黃榮輝等,2003;郭其蘊(yùn)等,2003; Huang et al., 2011;胡春迪等,2020）。所以本文將中國(guó)分為8個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步系統(tǒng)地研究中國(guó)所存在的夏季降水遙相關(guān)型。

目前，全球氣候模式能夠較好地預(yù)測(cè)全球降水氣候態(tài)特征，在東亞地區(qū)也能夠給出夏季降水量的大尺度空間分布特征，但由于東亞復(fù)雜的地形和季風(fēng)氣候特點(diǎn)，氣候模式對(duì)東亞夏季雨型特征以及時(shí)間上對(duì)雨帶向北推進(jìn)過(guò)程等預(yù)測(cè)能力并不理想（符淙斌等,1998;Jiang et al.,2005;IPCC,2007;徐璇,2011;Gong,2016,2017, 2018）。如何改進(jìn)氣候模式，提高模式對(duì)我國(guó)雨帶細(xì)節(jié)特征的預(yù)測(cè)能力，對(duì)進(jìn)一步提升我國(guó)夏季氣候的預(yù)測(cè)水平十分重要。王會(huì)軍等（2012）指出，充分認(rèn)識(shí)季節(jié)性移動(dòng)的雨帶以及與局地相關(guān)和遙相關(guān)的大氣環(huán)流特征，是開(kāi)展季節(jié)降水預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。伴隨著雨帶的季節(jié)性移動(dòng)，我國(guó)不同地區(qū)間的降水在時(shí)空變化規(guī)律上會(huì)呈現(xiàn)出位相上的協(xié)同變化特征。雖然雨帶推進(jìn)速度和雨型分布的年際差異較大，但一些區(qū)域間的降水協(xié)同變化特征在雨帶的強(qiáng)年際變率下仍然能夠較好的維持，使得不同區(qū)域的降水異常在空間上具有較好的正 （反）相關(guān)關(guān)系，這對(duì)我國(guó)各地的旱澇災(zāi)害預(yù)測(cè)有重要參考意義。Li and Lin（2015）研究表明長(zhǎng)江流域和西北太平洋的夏季降水存在的蹺蹺板效應(yīng)，使得長(zhǎng)江流域的夏季降水存在較大的可預(yù)測(cè)性。Li and Lu（2017）將長(zhǎng)江流域的夏季降水分為與西北太平洋夏季降水有關(guān)的部分和與西北太平洋夏季降水無(wú)關(guān)的部分，構(gòu)建回歸方程可以有效改善長(zhǎng)江流域的夏季降水。本文將進(jìn)一步研究如何利用中國(guó)夏季降水遙相關(guān)型提高模式預(yù)測(cè)技巧。

本文以我國(guó)夏季降水場(chǎng)的空間遙相關(guān)型為研究對(duì)象，以提高動(dòng)力模式的降水預(yù)測(cè)技巧為最終目標(biāo)開(kāi)展相關(guān)研究。基于我國(guó)57年降水資料探索我國(guó)夏季降水遙相關(guān)型特征及其年代際變化規(guī)律，對(duì)比和評(píng)估國(guó)內(nèi)外多個(gè)氣候業(yè)務(wù)模式對(duì)我國(guó)月—季降水的時(shí)空協(xié)同性特征的預(yù)測(cè)能力，建立降水協(xié)同性特征的約束修正方案，修復(fù)模式降水的時(shí)空協(xié)同變化關(guān)系，改進(jìn)模式無(wú)預(yù)測(cè)技巧區(qū)域的預(yù)測(cè)能力。

2 資料和方法

2.1 資料

本文降水實(shí)況來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心公布的全國(guó)逐日降水資料數(shù)據(jù)集，選取其中1961～2017年無(wú)缺測(cè)的707個(gè)站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)（圖1a），通過(guò)累加得到近57年的夏季降水實(shí)況資料。模式資料為歐洲中期天氣預(yù)測(cè)中心第四代系統(tǒng)（ECMWF_SYSTEM4，1981～2017年）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心氣候預(yù)測(cè)第二代系統(tǒng)（NCEP_CFSV2，1982～2017年）以及中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的季節(jié)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)模式（BCC_CSM，1991～2017年）預(yù)報(bào)的歷史回報(bào)產(chǎn)品中的逐月降水場(chǎng)資料，水平分辨率2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度），共144（緯向）×73（經(jīng)向）個(gè)格點(diǎn)。

2.2 方法

由于我國(guó)地域遼闊、地形復(fù)雜、地勢(shì)西高東低呈三級(jí)階梯狀分布，從南到北跨熱帶、亞熱帶、溫帶、寒溫帶、寒帶5個(gè)溫度帶，氣候類(lèi)型多樣且變化劇烈。所以不同的地區(qū)所受的主要天氣系統(tǒng)各不相同，因此根據(jù)封國(guó)林等（2015）研究結(jié)果將全國(guó)分為8個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究（圖1b）。將每個(gè)區(qū)域的降水平均值與全國(guó)所有站點(diǎn)求相關(guān)，從而得到遙相關(guān)型。

圖1 我國(guó)（a）站點(diǎn)分布及（b）8個(gè)區(qū)域劃分Fig.1(a)Stations distribution and (b)area division diagram in China

對(duì)于降水遙相關(guān)型，將其中模式預(yù)測(cè)技巧高的一區(qū)域定義為參考區(qū)，將另外一個(gè)預(yù)測(cè)技巧較低的區(qū)域定義為協(xié)同區(qū)。圖2給出了基于降水時(shí)空分布約束修正的示意圖。將實(shí)況中的參考區(qū)降水場(chǎng)與協(xié)同區(qū)降水場(chǎng)構(gòu)建回歸模型，并將該回歸模型及參數(shù)應(yīng)用于模式降水場(chǎng)，利用參考區(qū)中的模式降水來(lái)約束修正協(xié)同區(qū)的模式降水，重建協(xié)同區(qū)的模式降水場(chǎng)，修復(fù)模式中兩個(gè)區(qū)域間的協(xié)同性關(guān)系。新構(gòu)建出的協(xié)同區(qū)降水場(chǎng)與參考區(qū)模式降水場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)與實(shí)況中類(lèi)似的空間遙相關(guān)型，提升模式對(duì)雨帶分布的預(yù)測(cè)。

圖2 基于時(shí)空協(xié)同性約束的模式降水修正示意圖Fig.2 Model precipitation correction based on the spatiotemporal cooperative constraint

改進(jìn)模型采用的以一元線(xiàn)性函數(shù)為基礎(chǔ)的回歸模型，若實(shí)況資料中A與B區(qū)域存在顯著的遙相關(guān)關(guān)系，但是某一種模式僅對(duì)A地區(qū)具有預(yù)測(cè)技巧，對(duì)B地區(qū)沒(méi)有預(yù)測(cè)技巧。則將實(shí)況中區(qū)域A中某一站點(diǎn)的夏季降水量Ai與區(qū)域B中所有站點(diǎn)做一元線(xiàn)性回歸就可以得到一個(gè)以線(xiàn)性回歸函數(shù)為基礎(chǔ)的改進(jìn)模型，然后將此種模式預(yù)測(cè)的區(qū)域A夏季降水值A(chǔ)′i帶入所得到的改進(jìn)模型就可得到一個(gè)訂正之后的模式對(duì)B地區(qū)每一個(gè)站點(diǎn)的夏季降水預(yù)測(cè)資料。

其中，n為總年數(shù)，為Ai的n年平均值，Bi為實(shí)況中區(qū)域B中某一個(gè)站點(diǎn)的夏季降水值，為Bi所對(duì)應(yīng)的降水平均值，為改進(jìn)模型對(duì)Bi的預(yù)測(cè)值。利用公式（1）依次對(duì)區(qū)域B中每一個(gè)站點(diǎn)都進(jìn)行相同的處理，就會(huì)改進(jìn)模式對(duì)區(qū)域B的整體預(yù)測(cè)情況。

本文還采取了3種指標(biāo)對(duì)模式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)估：距平符號(hào)一致率（ PC）主要是以預(yù)測(cè)和實(shí)況的距平符號(hào)是否一致為判斷依據(jù)，且采用逐站進(jìn)行評(píng)判（李清泉等，2004）。當(dāng)預(yù)測(cè)和實(shí)況距平符號(hào)一致時(shí)認(rèn)為該站預(yù)測(cè)正確。計(jì)算公式為

其中，X為統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)正確站數(shù)；Y為實(shí)際參與評(píng)估站數(shù)。均方根誤差（R MSE）的計(jì)算公式為

其中，pio和pis分別為在第i年某一站點(diǎn)的實(shí)測(cè)降水量和模式預(yù)報(bào)值。PS評(píng)分的公式為

其中，N0為氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)正確的站數(shù)；N1、N2分別為一級(jí)、二級(jí)異常預(yù)測(cè)正確的站數(shù)；N為參加評(píng)分的總站數(shù)；M為沒(méi)有預(yù)測(cè)二級(jí)異常而實(shí)況出現(xiàn)降水距平百分率≥100%或≤-100%的站數(shù)。

因?yàn)椴煌Ｊ降钠鹗紩r(shí)間不同且資料存在部分缺失，因此在第三節(jié)研究夏季實(shí)況降水遙相關(guān)型時(shí)使用的1961～2017年夏季降水實(shí)況資料，第四節(jié)評(píng)估對(duì)比不同模式對(duì)夏季降水的預(yù)測(cè)能力時(shí)使用4種資料都存在的年份，即1991～2017年（無(wú)2011年、2012年、2014年）；在第五小節(jié)改進(jìn)不同模式對(duì)夏季降水預(yù)報(bào)結(jié)果時(shí)，使用模式所有年份的資料。本文以改進(jìn)模式對(duì)我國(guó)汛期降水預(yù)測(cè)技巧為目的，所以研究的時(shí)間段為6、7、8月降水之和，同樣的原理適用于改進(jìn)模式對(duì)各個(gè)月份降水的預(yù)測(cè)技巧。

3 降水遙相關(guān)型

3.1 實(shí)況降水遙相關(guān)型

為得到中國(guó)夏季降水遙相關(guān)型，分別將8個(gè)區(qū)域的降水平均值和全國(guó)站點(diǎn)求相關(guān)（圖3）。結(jié)果顯示東北地區(qū)的夏季降水和全國(guó)絕大部分地區(qū)的相關(guān)性都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，只和局地區(qū)域相關(guān)性較高（圖3a）。華北地區(qū)的夏季降水除了與長(zhǎng)江下游地區(qū)存在顯著負(fù)相關(guān)，與其他區(qū)域的相關(guān)性較低（圖3b）。華東地區(qū)和中國(guó)中部的較大范圍相關(guān)程度較高且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，例如和西藏東南部正的相關(guān)性通過(guò)了檢驗(yàn)，并且和華北與西北東部交界處存在負(fù)的相關(guān)也通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（圖3c）。華南地區(qū)與長(zhǎng)江流域、東北北部為顯著負(fù)相關(guān) （圖3d）。西北東部和全國(guó)其他區(qū)域的相關(guān)性都比較低僅和新疆東部的正相關(guān)、與江蘇南部的負(fù)相關(guān)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（圖3e）。西北西部和全國(guó)其他地區(qū)相關(guān)性較弱，只和甘肅、西藏、四川少部分地區(qū)存在的正相關(guān)通過(guò)了檢驗(yàn)（圖3f）。西南地區(qū)只和東北中部為顯著正相關(guān)（圖3g）。西藏地區(qū)和長(zhǎng)江流域部分地區(qū)的正相關(guān)性通過(guò)了檢驗(yàn)，尤其是重慶、貴州、湖北、湖南交界處，因?yàn)槲鞑卣军c(diǎn)較少且地形復(fù)雜，此相關(guān)就不作為遙相關(guān)型考慮（圖3h）。因此得到華北—長(zhǎng)江下游、華南—長(zhǎng)江流域、華東—中國(guó)中北部、西南—東北中部等4個(gè)顯著的空間遙相關(guān)型。

圖3 （a）東北、（b）華北、（c）華東、（d）華南、（e）西北東部、（f）西北西部、（g）西南、（h）西藏地區(qū)和全國(guó)站點(diǎn)的夏季降水量相關(guān)系數(shù)空間分布。打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)了90%置信度檢驗(yàn)；黑色框?yàn)閰⒖紖^(qū)，圖b、h中紫色框?yàn)閰f(xié)同區(qū)Fig.3 Correlation spatial distribution of precipitation between(a)Northeast China,(b) North China,(c)East China,(d)South China,(e)eastern Northwest China,(f)western Northwest China,(g)Southwest China,(h)Tibet region and all the stations in China.The dotted areas exceed the 90%confidence level; the black boxes are the reference areas and the purple boxes in Figure b and Figure h are the collaboration areas

3.2 遙相關(guān)型相關(guān)性的年代際變化

由下文可知，BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)西南地區(qū)預(yù)測(cè)技巧較高，對(duì)東北中部的預(yù)測(cè)技巧較低；NCEP_CFSV2模式對(duì)華北的預(yù)測(cè)技巧較高，但是對(duì)長(zhǎng)江下游的預(yù)測(cè)技巧較低。因此本文將利用圖3存在的西南—東北中部遙相關(guān)型、華北—長(zhǎng)江下游遙相關(guān)型改進(jìn)BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)于東北中部的預(yù)測(cè)技巧，NCEP_CFSV2模式對(duì)長(zhǎng)江下游的預(yù)測(cè)技巧。因此在此處先計(jì)算出西南—東北中部遙相關(guān)型、華北—長(zhǎng)江下游遙相關(guān)型的相關(guān)系數(shù)和21年滑動(dòng)相關(guān)。西南—東北中部相關(guān)系數(shù)為-0.28，通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)（1971年以后的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.45，通過(guò)了99.8%的置信度檢驗(yàn)）；華北—長(zhǎng)江下游的相關(guān)系數(shù)為-0.36，通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)（1989年以后的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.64，通過(guò)了99.9%的置信度檢驗(yàn)）。西南—東北中部遙相關(guān)型在1981年以前相關(guān)性較低，在此之后相關(guān)性增高且十分穩(wěn)定；華北—長(zhǎng)江下游遙相關(guān)型在1996以前相關(guān)性較低沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，但在1997年以后相關(guān)性顯著增強(qiáng)遠(yuǎn)高于90%顯著性檢驗(yàn)閾值 （圖4）。這兩個(gè)遙相關(guān)型的相關(guān)性高且非常穩(wěn)定，可以用來(lái)改進(jìn)BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)于東北中部的預(yù)測(cè)技巧，NCEP_CFSV2模式對(duì)長(zhǎng)江下游的預(yù)測(cè)技巧。

圖4 1961～2017年西南—東北中部（綠色線(xiàn)）、華北—長(zhǎng)江下游（黃色線(xiàn)）的降水量21年滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)（紅色線(xiàn)為90%置信度水平的閾值）Fig.4 Twenty-one-year precipitation running correlation of southwestern-central Northeast China (green line)and North China-lower Yangtze River(yellow line)during 1961-2017(red lines denote 90%confidence threshold)

4 評(píng)估模式

不同模式預(yù)報(bào)的起始年份不同并且一些模式存在缺測(cè)年份（NCEP_CFSV2模式缺少2011年，ECMWF_SYSTEM4模式缺測(cè)2011年、2012年和2014年），因此選擇實(shí)況和模式都具有資料的1991～2017年（缺少2011年、2012年和2014年）進(jìn)行評(píng)估。首先比較了模式與實(shí)況降水的氣候態(tài)空間分布圖（圖5）。實(shí)況降水氣候態(tài)空間分布圖顯示出明顯的由東南—西北降水遞減趨勢(shì)，200 mm、400 mm等降水量線(xiàn)近乎平行且成西南—東北走向 （圖5a）。雖然在其他3種模式也近似地預(yù)測(cè)出降水東南—西北降水遞減趨勢(shì)，但是并沒(méi)有預(yù)測(cè)出實(shí)況降水所呈現(xiàn)出層層遞減的層次感（郭渠等,2017）。BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的200 mm等降水量線(xiàn)和實(shí)況較為相似，但是400 mm等降水量線(xiàn)相差較大主要變現(xiàn)為對(duì)長(zhǎng)江中下游的降水量存在較大的偏低預(yù)測(cè)，而且高估了西南邊境的降水量卻低估了中國(guó)南端的降水量（圖5b）。NCEP_CFSV2模式的預(yù)測(cè)結(jié)果略強(qiáng)于BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的結(jié)果，主要表現(xiàn)為能較好地刻畫(huà)出降水大于400 mm的區(qū)域，盡管整體位置仍然偏向西南以及預(yù)測(cè)的東北大于400 mm的區(qū)域也有所偏差（圖5c）。3個(gè)模式中ECMWF_SYSTEM4模式降水氣候態(tài)的預(yù)測(cè)技巧最高，大于200 mm、400 mm降水量的區(qū)域和實(shí)況非常相似（圖5d）。

圖5 1991～2017年（無(wú)2011年、2012年和2014年）模式模擬與實(shí)況夏季降水量氣候態(tài)分布：（a）實(shí)況；（b）BCC_CSM模式； （c）NCEP_CFSV2模式；（d）ECMWF_SYSTEM4模式Fig.5 Climatic precipitation distribution during 1991-2017(excluding 2011,2012,and 2014):(a)Observation;(b)BCC_CSM model;(c)NCEP_CFSV2 model;(d)ECMWF_ SYSTEM4 model

在距平一致率方面，最高為68.18%，是BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的1992年中國(guó)夏季降水，同樣最低的也是BCC_CSM模式的1998年預(yù)測(cè)的結(jié)果為38.19%。這說(shuō)明BCC_CSM模式的預(yù)測(cè)技巧有較大的波動(dòng)，因此BCC_CSM模式的距平一致率的標(biāo)準(zhǔn)差是3個(gè)模式中最大的為6.86 mm，NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式的標(biāo)準(zhǔn)差分別為5.51 mm、5.65 mm。BCC_CSM模式、NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式多年平均的距平一致率分別為52.76%、54.17%、47.95%（圖6a）。

在均方根誤差方面，最高為332.93 mm，是BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的1994年中國(guó)夏季降水，最低的是ECMWF_SYSTEM4模式1998年預(yù)測(cè)的結(jié)果為158.54 mm。BCC_CSM模式、NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式的標(biāo)準(zhǔn)差分別為37.64 mm、26.10 mm、27.72 mm；多年平均均方根誤差分別為257.77 mm、232.19 mm、213.03 mm （圖6b）。

3種氣候模式多年預(yù)測(cè)技巧的趨勢(shì)異常綜合（PS）評(píng)分結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)技巧最高的年份是BCC_CSM模式于1992年的預(yù)測(cè)結(jié)果為85.68，最低為BCC_CSM模式于1998年的預(yù)測(cè)結(jié)果為60.74.最低、最高的預(yù)測(cè)技巧都為BCC_CSM模式，所以BCC_CSM模式的多年P(guān)S評(píng)分結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最大為5.56，而NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式的標(biāo)準(zhǔn)差為4.81、4.64。BCC_CSM模式、NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式多年平均的PS評(píng)分結(jié)果分別為72.04、73.03、69.77（圖6c）。

圖6 1991～2017年（無(wú)2011年、2012年和2014年）中國(guó)夏季降水的（a）距平一致率、（b）均方根誤差、（c）PS評(píng)分（紅色、淺藍(lán)色、深藍(lán)色分別對(duì)應(yīng)BCC_CSM模式、NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式）Fig.6 Precipitation(a)anomaly consistent rate,(b)root-mean-square error,and(c)PS score in China from 1991 to 2017(excluding 2011,2012 and 2014) predicted by the models(the BCC_CSM,NCEP_CFSV2,and ECMWF_SYSTEM4 models are denoted by red,light blue,and dark blue,respectively)

總而言之，BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的結(jié)果存在較大的波動(dòng)，NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式的預(yù)測(cè)結(jié)果較為穩(wěn)定且預(yù)測(cè)技巧較高。

3個(gè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況降水的相關(guān)性在大部分地區(qū)都很弱，BCC_CSM模式的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況降水顯著正相關(guān)區(qū)域有：西藏中部、長(zhǎng)江中游地區(qū)、西南地區(qū)（圖7a）；NCEP_CFSV2模式的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況降水顯著正相關(guān)區(qū)域有：華北地區(qū)、新疆西南部（圖7b）；ECMWF_SYSTEM4模式預(yù)測(cè)較好的地區(qū)有：西藏東南部、西南地區(qū)（圖7c）。因此本文將利用圖3存在的西南—東北中部遙相關(guān)型、華北—長(zhǎng)江下游遙相關(guān)型改進(jìn)BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)于東北中部的預(yù)測(cè)結(jié)果，NCEP_CFSV2模式對(duì)長(zhǎng)江下游的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖7 （a）BCC_CSM模式、（b）NCEP_CFSV2模式、（c）ECMWF_SYSTEM4模式降水量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況降水量相關(guān)系數(shù)的空間分布（打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)了90%置信度水平檢驗(yàn)，黑色框?yàn)閰⒖紖^(qū)，紫色框?yàn)閰f(xié)同區(qū)）Fig.7 Spatial distribution diagrams of the correlation between prediction results of(a)the BCC_CSM model,(b) NCEP_CFSV2 model,and(c)ECMWF_SYSTEM4 model and the observed precipitation(the dotted areas exceed the 90%confidence level,the black box is the reference area,and the purple box is the collaboration area)

模式對(duì)不同遙相關(guān)型的刻畫(huà)程度反映了模式對(duì)我國(guó)雨帶細(xì)節(jié)特征的預(yù)測(cè)能力，結(jié)果顯示：3種模式對(duì)遙相關(guān)型的預(yù)測(cè)技巧均不理想。就實(shí)況中存在的西南—東北中部遙相相關(guān)型而言，BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式都沒(méi)有預(yù)測(cè)出，而且在BCC_CSM模式呈現(xiàn)出西南地區(qū)與青海、長(zhǎng)江下游的虛假的遙相關(guān)型；在ECMWF_ SYSTEM4模式呈現(xiàn)出西南地區(qū)與內(nèi)蒙古、華北、西藏、華南的虛假遙相關(guān)型（圖8a、8c）。在NCEP_CFSV2模式中，華北與其他任何區(qū)域都不存在顯著的相關(guān)性，沒(méi)有呈現(xiàn)出華北地區(qū)—長(zhǎng)江下游遙相關(guān)型 （圖8b）。3種模式其他7個(gè)區(qū)域和全國(guó)的相關(guān)性空間分布都與實(shí)況存在較大的偏差（圖略）。

圖8 （a）BCC_CSM模式（1991～2017年）、（b）NCEP_CFSV2模式（1982～2017年，無(wú)2011年）、（c）ECMWF_SYSTEM4模式（1981～2017年，無(wú)2011年、2012年和2014年）的西南（或華北）和全國(guó)所有站點(diǎn)的降水量相關(guān)系數(shù)空間分布（打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)了90%置信度水平檢驗(yàn)，黑色框?yàn)閰⒖紖^(qū)，紫色框?yàn)閰f(xié)同區(qū)）Fig.8 Correlation spatial distribution of Southwest China(or North China)and all stations of(a)BCC_CSM model(1991-2017),(b)NCEP_CFSV2 model(1982-2017,excluding 2011),and ECMWF_SYSTEM4 model(1981-2017,excluding 2011,2012 and 2014)(the dotted areas exceed the 90%confidence level,the black box is the reference area,and the purple box is the collaboration area)

5 改進(jìn)模式預(yù)測(cè)降水量

利用實(shí)況中的西南—東北中部遙相關(guān)型來(lái)改進(jìn)BCC_CSM模式對(duì)于東北中部（42°N ～47°N，115°E～125°E）降水量的預(yù)測(cè)能力。將實(shí)況中的參考區(qū)（西南地區(qū)：21°N～33°N，98°E～110°E）降水場(chǎng)與協(xié)同區(qū)（東北中部）降水場(chǎng)構(gòu)建回歸模型，并將該回歸模型及參數(shù)應(yīng)用于模式降水場(chǎng)。對(duì)比改進(jìn)前、后BCC_CSM模式對(duì)東北中部的夏季降水預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)況降水的相關(guān)性空間分布，可以清楚看出改進(jìn)后的相關(guān)性比改進(jìn)之前有很大提升，改進(jìn)后的東北中部整個(gè)區(qū)域幾乎為正的相關(guān)性，尤其是在其西北部分地區(qū)改進(jìn)之后的預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（圖9a、9b）。

利用上述同樣的方法構(gòu)建回歸模型改進(jìn)NCEP_CFSV2模式對(duì)長(zhǎng)江下游地區(qū)（26°N～32.5°N，118°E～123°E）的預(yù)測(cè)技巧?？梢钥闯鯪CEP_CFSV2模式直接預(yù)測(cè)結(jié)果與目標(biāo)區(qū)域的實(shí)況資料相關(guān)性普遍很低（圖9c），改進(jìn)后的NCEP_CFSV2模式對(duì)所選的目標(biāo)區(qū)域絕大部分地區(qū)的預(yù)測(cè)技巧有很大的提高（圖9d）。同理，可以改進(jìn)ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)于東北中部 （42°N～47°N，115°E～125°E）的預(yù)測(cè)技巧。明顯看出改進(jìn)后ECMWF_SYSTEM4模式對(duì)東北中部預(yù)測(cè)效果顯著提高并且西北部通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn)（圖9e、9f）。如圖10所示，基于實(shí)況降水遙相關(guān)改進(jìn)后的3個(gè)模式降水誤差場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差與模式直接預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差相比，幾乎在3個(gè)地區(qū)全部變小，平均誤差標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)于BCC_CSM模式、NCEP_CFSV2模式以及ECMWF_SYSTEM4模式分別減小15.39 mm、28.98 mm、14.71 mm。

圖9 改進(jìn)前（左列）、改進(jìn)后（右列）3個(gè)模式預(yù)測(cè)的降水量與實(shí)況降水量的相關(guān)系數(shù)空間分布：（a、b）BCC_CSM模式（東北）； （c、d）NCEP_CFSV2模式（華北）；（e、f）ECMWF_SYSTEM4模式（東北）Fig.9 Spatial distribution of the correlation of precipitation between the prediction results of the three regions and the observed data before the correction(left column)and after regression(right column):(a, b)BCC_CSM model(Northeast China);(c,d)NCEP_CFSV2 model(North China);(e,f)ECMWF_SYSTEM4 model (Northeast China)

圖10 經(jīng)過(guò)改進(jìn)后回歸模型的預(yù)測(cè)降水量誤差標(biāo)準(zhǔn)差與改進(jìn)前模式直接預(yù)測(cè)降水量誤差標(biāo)準(zhǔn)差的差值：（a）BCC_CSM模式（東北）；（b）NCEP_CFSV2模 式（華 北）；（c）ECMWF_SYSTEM4模式（東北）Fig.10 Difference between the error standard deviation of precipitation after the improvement of the regression model and the direct result of modes:(a)BCC_CSM model(Northeast China);(b)NCEP_CFSV2 model(North China);(c)ECMWF_SYSTEM4 model(Northeast China)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)回歸模型的優(yōu)越性，利用回歸模型對(duì)東北中部、長(zhǎng)江下游的降水進(jìn)回報(bào)（回歸模型使用的數(shù)據(jù)截止至回報(bào)的前一年）。將4年的回報(bào)結(jié)果與模式直接預(yù)測(cè)的結(jié)果相比，9年的距平一致率變高、2年相等、1年變低，平均距平一致率從47%提高為58%（圖11a）；10年均方根誤差變低、兩年變高，平均均方根誤差從153 mm減小為120 mm（圖11b）；8年的PS評(píng)分變高、1年相等、3年變低，平均評(píng)分從64變?yōu)?3（圖11c）。

圖11 BCC_CSM模式（東北）、NCEP_CFSV2模式（華北）、ECMWF_SYSTEM4模式（東北）輸出的夏季降水4年回報(bào)結(jié)果 （藍(lán)、紅色柱狀分別表示改進(jìn)前、后的結(jié)果）：（a）距平一致率； （b）均方根誤差；（c）PS評(píng)分Fig.11 Four-year hindcast results of precipitation from the three regression models BCC_CSM model(Northeast China), NCEP_CFSV2 model(North China),ECMWF_SYSTEM4 model(Northeast China):(a)Anomaly consistent rate;(b)root-mean-square error;(c)PS score.The blue and red bars indicate the results before and after the regression,respectively

6 結(jié)論與討論

本文利用實(shí)況降水資料研究了我國(guó)夏季降水空間遙相關(guān)型及其年代際變化，評(píng)估了3種模式對(duì)遙相關(guān)型的預(yù)測(cè)能力，最后以實(shí)況降水遙相關(guān)改進(jìn)模式對(duì)中國(guó)夏季降水的預(yù)測(cè)能力，改善模式降水預(yù)測(cè)技巧。得到如下結(jié)論：

（1）中國(guó)夏季實(shí)況降水中存在的主要為華北—長(zhǎng)江下游、華東—中國(guó)中北部、華南—長(zhǎng)江流域、西南—東北中部四類(lèi)顯著的遙相關(guān)型。其中用于訂正模式預(yù)測(cè)結(jié)果的華北—長(zhǎng)江下游、西南—東北中部遙相關(guān)型的持續(xù)增強(qiáng)，在2000年以后異常顯著。

（2）對(duì)于氣候態(tài)、降水距平一致率、均方根誤差和PS評(píng)分的結(jié)果來(lái)看，BCC_CSM模式預(yù)測(cè)的結(jié)果存在較大的波動(dòng)，NCEP_CFSV2模式和ECMWF_SYSTEM4模式的預(yù)測(cè)結(jié)果較為穩(wěn)定且預(yù)測(cè)技巧較高。3種模式能把握住夏季降水的氣候態(tài)整體特征，再現(xiàn)從東南到西北的遞減趨勢(shì)，但是對(duì)于細(xì)節(jié)的預(yù)測(cè)仍舊存在很大的不足，例如模式預(yù)測(cè)的結(jié)果不僅無(wú)法再現(xiàn)實(shí)況降水遙相關(guān)型，而且還存在很多虛假的遙相關(guān)型。

（3）基于實(shí)況降水遙相關(guān)構(gòu)建回歸模型可以顯著改進(jìn)模式對(duì)中國(guó)夏季降水的預(yù)測(cè)能力，提高模式預(yù)測(cè)技巧，使預(yù)測(cè)誤差減小、預(yù)測(cè)更穩(wěn)定。與模式原始預(yù)測(cè)結(jié)果相比，4年訂正預(yù)測(cè)的平均距平符號(hào)一致率從47%提高為58%；平均均方根誤差從153 mm減小為120 mm；平均PS評(píng)分從64提高為73。

需要指出的是：利用區(qū)域協(xié)同性改進(jìn)模式預(yù)測(cè)結(jié)果存在區(qū)域的約束性，不能在全國(guó)范圍內(nèi)改進(jìn)模式預(yù)測(cè)技巧。本文直接利用了中國(guó)夏季區(qū)域降水遙相關(guān)型來(lái)初步改進(jìn)模式預(yù)測(cè)結(jié)果，并沒(méi)有探討形成遙相關(guān)型背后的機(jī)制，在接下來(lái)的工作中會(huì)深入分析遙相關(guān)型存在的物理機(jī)制以使得研究更加嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。