DERF2.0 模式對東亞夏季環(huán)流及其低頻分量的延伸期預(yù)報檢驗評估

李天宇 朱曉彤 付冬雪，3

（1.吉林省氣候中心，吉林 長春 130062；2.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長春 130062；3.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林 長春 130062）

1 引言

延伸期預(yù)報是指在10～30d 時間尺度，對天氣過程發(fā)生的時段和強度進行預(yù)測。 延伸期預(yù)報是10d 以下中期預(yù)測的延伸， 預(yù)測內(nèi)容與氣候預(yù)測主要預(yù)測氣象要素的平均值和變化趨勢不同，其時效是天氣預(yù)報達(dá)不到的， 預(yù)測內(nèi)容又是氣候預(yù)測做不到的。因此，延伸期預(yù)報是天氣預(yù)報和氣候預(yù)測之間無縫隙預(yù)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。延伸期天氣過程預(yù)測既是預(yù)測技術(shù)難點之一， 也是氣象服務(wù)的重點之一[2]。 目前，數(shù)值預(yù)測模式在長期的預(yù)測過程中所表現(xiàn)出來的預(yù)報技巧和誤差的穩(wěn)定性、相似性可能會對較長時間尺度的預(yù)測提供一些有用的信息。因此，需要對模式模擬及回報結(jié)果與觀測進行比較，從而找出模式存在的系統(tǒng)偏差，以便進一步進行延伸期預(yù)報服務(wù)。目前，國家氣候中心第二代月動力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF2.0 已經(jīng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)化， 如何利用該模式系統(tǒng)的有效信息并在短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中得以應(yīng)用非常緊迫。 通常動力氣候模式對大尺度環(huán)流的預(yù)測效果優(yōu)于對降水的預(yù)測， 考慮到延伸期時間尺度為10～30d。因此檢驗DERF2.0 預(yù)測產(chǎn)品對東亞環(huán)流異常特征的預(yù)報技巧， 不僅可以了解動力氣候模式對區(qū)域氣候的預(yù)測能力， 而且可以充分利用模式的高技巧信息對區(qū)域氣候進行解釋應(yīng)用， 從而為區(qū)域氣候預(yù)測業(yè)務(wù)提供科技支撐。 已有研究表明大氣季節(jié)內(nèi)振蕩在長期天氣和短期氣候變化中起重要作用，其時間尺度為10～90d，是引起5～10d 中期以及10～30d 延伸期天氣過程主要因子之一[1]。 大氣季節(jié)內(nèi)震蕩所對應(yīng)的環(huán)流低頻系統(tǒng)變化反映了未來幾周內(nèi)大尺度天氣系統(tǒng)生消、 維持和衰減的循環(huán)過程，對未來10～30d 延伸期的強降水過程預(yù)測有很好的指示意義[3-4]。因此，數(shù)值預(yù)測模式對環(huán)流低頻分量的模擬和回報預(yù)報技巧的檢驗是考查延伸期預(yù)報能力的重要環(huán)節(jié)。

2 資料與方法

使用的模式資料為國家氣候中心第二代月動力延伸期模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（DERF2.0）的環(huán)流產(chǎn)品，水平分辨率為1.0°×1.0°，垂直分辨率為7 層，預(yù)測時間為未來53d，研究時段為1983—2015 年。 本文將再分析資料作為環(huán)流場觀測值， 所使用的大氣環(huán)流資料為美國環(huán)境預(yù)測中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的再分析資料，包括逐日水平分辨率為2.5°×2.5°、垂直層數(shù)為17 層的位勢高度場（z），時間為1983 年1 月至2015 年12 月。

距平相關(guān)系數(shù)（ACC）[5]是指觀測值和預(yù)報值對氣候態(tài)平均偏差的相關(guān)性， 主要反映觀測值與預(yù)報值的相似程度。 是世界氣象組織（WMO）確定并建議使用的指標(biāo)之一。

時間相關(guān)系數(shù)（TCC）[6]是指預(yù)測和觀測在時間上的相關(guān)系數(shù)， 能夠在統(tǒng)計意義上較好地表征模式對各個格點異常的預(yù)測能力， 得到一個完整的相關(guān)技巧空間分布。 TCC 范圍為-1～1，越接近1表明技巧越高。 預(yù)報誤差是指預(yù)測時預(yù)測結(jié)果與觀測值之間的差異。 濾波方法使用Butterworth 濾波器[7]，用于提取環(huán)流的低頻分量。

3 結(jié)果分析

3.1 夏季東亞地區(qū)環(huán)流的預(yù)報技巧檢驗

從1983—2015 年平均的不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季和6—8 月500hPa 位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)可以看出，夏季和各月ACC 均隨預(yù)測時效的增加而迅速下降， 可預(yù)測性在5d 以內(nèi)較高（ACC 在0.6 左 右），10d 預(yù) 測 時 效 的ACC 在0.3左右，15～20d 預(yù)測時效下ACC 為0.1 左右，25d 及以上預(yù)測時效下的ACC 迅速下降至0，甚至負(fù)值；從各月來看，6—8 月的ACC 數(shù)值相差不大， 但大部分預(yù)測時效下7 月ACC 大于6 月和8 月，8 月ACC 在40d 預(yù)測時效時出現(xiàn)負(fù)值， 而6 月、7 月ACC 則始終為正。 以上分析結(jié)果符合普遍認(rèn)為的天氣尺度2～3 周的預(yù)測上限，并說明DERF2.0 模式對10～20d 的中層大氣環(huán)流形勢具有一定的預(yù)測能力，7 月預(yù)報技巧優(yōu)于6 月和8 月。

圖1 為不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)年際變化。 可以看出，5d 以內(nèi)預(yù)測時效的ACC 在0.6 左右， 預(yù)測效果較好，33a 的預(yù)測效果較穩(wěn)定； 提前10d 的ACC 也較高， 在0.3 左右， 超過0.3 的年份達(dá)到55%；提前15d、20d 的預(yù)報技巧有所下降，但大部分年份ACC 為0.1～0.2， 超過0.1 的年份分別占51%和24%，20d 預(yù)測時效開始有個別年份ACC降為負(fù)值； 提前25～40d 的預(yù)報技巧迅速降低，ACC 趨近于0，出現(xiàn)負(fù)值的年份增多，預(yù)報技巧的穩(wěn)定性也有所下降。

圖1 不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)年際變化（虛線和實線分別為通過信度為90%和95%的顯著性檢驗）

為了檢驗?zāi)Ｊ皆诓煌瑓^(qū)域的模擬效果及在不同時效下的預(yù)報技巧，計算了不同預(yù)測時效下的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度33a 平均的時間相關(guān)系數(shù)空間分布（圖2）。 可以看出，TCC 在0d、5d 預(yù)測時效下的環(huán)流預(yù)報技巧總體較高（TCC> 0.5），部分地區(qū)甚至可以達(dá)到0.8 以上， 中高緯地區(qū)預(yù)報技巧優(yōu)于低緯；提前10d 的預(yù)測在90°E 以東表現(xiàn)為中低緯地區(qū)技巧較高，而90°E 以西則是中高緯技巧較高， 低值中心在巴爾喀什湖附近； 提前15d、20d 的TCC 由低緯向中高緯遞減， 低值中心仍在巴爾喀什湖附近， 海洋上空預(yù)報技巧優(yōu)于大陸，20d 預(yù)測時效TCC 開始出現(xiàn)負(fù)值；25d 及以上預(yù)測時效下，TCC 負(fù)值主要出現(xiàn)在40°N 以北的地區(qū)。 DERF2.0 模式預(yù)報技巧的空間分布可能與大氣內(nèi)部混沌效應(yīng)海陸分布差異有關(guān)。

圖2 不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度時間相關(guān)系數(shù)

圖3 為不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度預(yù)報誤差，預(yù)報誤差的絕對值隨預(yù)測時效的增加而增大， 這種現(xiàn)象在較長的預(yù)測時效下表現(xiàn)更為明顯。 整體來看，在副熱帶20°N附近和中緯度45°N 各有一條誤差0 線，高緯度地區(qū)普遍為誤差負(fù)值。兩條0 線之間為誤差正值，即DERF2.0 模式在中緯度地區(qū)的高度場預(yù)報值偏大。 在西太平洋副熱帶高壓所處的太平洋上空，DERF2.0 模式誤差較小，說明DERF2.0 對西太平洋副熱帶高壓強度預(yù)報誤差較小， 但對位置的預(yù)報誤差偏北。

圖3 不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度預(yù)報誤差

從6—8 月不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)500hPa位勢高度時間相關(guān)系數(shù)可以看出，3 個月份TCC在0d、5d 時效下都較高，10d 及以上預(yù)測時效下，TCC 逐漸降低至負(fù)值。從提前10d 起報開始，各月份的TCC 空間分布有所不同，6 月的TCC 呈緯向帶狀分布， 低值區(qū)位于45°N 以北的中高緯地區(qū)，低緯地區(qū)上空提前40d 預(yù)測才出現(xiàn)較明顯的TCC負(fù)值；7 月的TCC 低值區(qū)位于60°E—80°E 的巴爾喀什湖附近， 并沿著巴爾喀什湖向北形成經(jīng)向的負(fù)值區(qū)；8 月TCC 低值區(qū)主要位于高緯地區(qū)，除副熱帶地區(qū)以外， 中緯度的貝加爾湖附近和日本?！鞅碧窖蟾浇矠門CC 高值區(qū)。

從6—8 月不同預(yù)測時效的東亞地區(qū)500hPa位勢高度預(yù)報誤差可以看出，在各時效下，6 月誤差絕對值均大于7 月和8 月， 特別是位于貝加爾湖及其以北的顯著負(fù)誤差區(qū)在提前20d 時預(yù)報誤差達(dá)到了-80gpm；誤差分布在中高緯度地區(qū)呈明顯“負(fù)—正—負(fù)—正”型分布，特別是在8 月，這種異常分布與500hPa 高度場氣候態(tài)相對應(yīng)， 說明DERF2.0 模式對8 月環(huán)流的預(yù)測經(jīng)向度更小；在西北太平洋副熱帶高壓區(qū)域，6 月和7 月的誤差分布利于西北太平洋副熱帶高壓預(yù)測偏北，8 月則更利于西北太平洋副熱帶高壓偏西偏強。

3.2 夏季東亞地區(qū)環(huán)流低頻分量的預(yù)報技巧檢驗

利用Butterworth 濾波器分別對夏季和6—8月模式預(yù)測場和觀測場上東亞地區(qū)不同預(yù)測時效500hPa 高度場進行濾波， 分別濾出10～20d 的準(zhǔn)雙周低頻振蕩以及30～60d 的低頻分量， 再利用ACC、TCC 等統(tǒng)計方法對低頻分量進行檢驗評估。

從東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場及其10～20d、30～60d 低頻分量在不同預(yù)測時效下的距平相關(guān)系數(shù)可以看出，濾波后30～60d 低頻分量的預(yù)報技巧明顯提高。 10～20d 低頻分量在5d 及以上預(yù)測時效下的預(yù)報技巧不佳，因此10～20d 低頻分量可能是對DERF2.0 模式延伸期預(yù)報結(jié)果的訂正重點。

圖4 是東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場低頻分量的ACC 年際變化。 與圖1 對比來看，10～20d 低頻分量在提前10d 時ACC 就下降至0.2 以下； 提前20d 時出現(xiàn)ACC 負(fù)值的年份占48.5%，而濾波前這一比例為15.2%； 隨著預(yù)測時效的延長，提前40d 時ACC 穩(wěn)定性與濾波前接近。 綜合來看，10～20d 低頻分量在10～40d 的預(yù)報技巧和穩(wěn)定性欠佳。 30～60d 低頻分量的ACC 明顯較高，在提前0～10d 時比濾波前更穩(wěn)定； 在提前15d 預(yù)測時效時的穩(wěn)定性有所下降，大部分年份ACC 超過0.2，個別年份出現(xiàn)ACC 負(fù)值。 但整體來看，濾波后的30～60d 低頻分量在提前0～40d 時平均預(yù)報技巧較濾波前明顯提高。需要注意的是，本文僅討論了對流層中層（500hPa）的模式預(yù)報技巧，對流層其他高度的結(jié)果可能有所不同， 還需要更加細(xì)致的研究和討論。

圖4 提前10d 的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場10～20d（a）、30～60d（b）低頻分量在不同預(yù)測時效下的距平相關(guān)系數(shù)年際變化（虛線和實線分別為通過信度為90%和95%的顯著性檢驗）

以提前10d 為例， 在TCC 空間分布異常場（圖5）中可以明顯看出，濾波后30～60d 低頻分量的預(yù)報技巧較濾波前（圖2）有明顯提高。 10～20d低頻分量TCC 高值區(qū)在40°N 及其以南的中低緯度地區(qū)， 低值區(qū)位于高緯度地區(qū)；30～60d 低頻分量TCC 高值區(qū)則位于貝加爾湖及其以北的大陸高緯度地區(qū)。 這種分布可能與低頻振蕩信號來源有關(guān)， 即10～20d 的準(zhǔn)雙周振蕩信號來源于低緯，季節(jié)內(nèi)振蕩（30～60d）信號則來源于高緯。

圖5 提前10 d 的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢高度場10～20d（a）、30～60d（b）低頻分量時間相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)語

（1）DERF2.0 模式對夏季東亞地區(qū)500hPa 高度場預(yù)報技巧隨時效的增加而迅速下降， 可預(yù)測性在10d 以內(nèi)較高； 對7 月預(yù)報技巧優(yōu)于6 月和8 月。 提前10d 以內(nèi)的預(yù)測效果較穩(wěn)定，提前25～40d 的預(yù)報技巧迅速降低。 在空間分布上， 提前10d 以內(nèi)在90°E 以東表現(xiàn)為中低緯地區(qū)技巧較高，而90°E 以西則是中高緯技巧較高；提前15d以上預(yù)報技巧由低緯向中高緯遞減， 海洋向大陸遞減。 6 月預(yù)報技巧呈緯向帶狀分布，由低緯向高緯遞減；7 月為經(jīng)向分布，低值區(qū)位于巴爾喀什湖附近；8 月在副熱帶地區(qū)、中緯度的貝加爾湖附近和日本?！鞅碧窖蟾浇A(yù)報技巧較好。

（2）預(yù)報誤差方面，在高緯度地區(qū)對500hPa高度場的預(yù)報值偏小，在中緯度地區(qū)預(yù)報值偏大，對西太平洋副熱帶高壓強度預(yù)報誤差較小， 對位置的預(yù)報誤差偏北。 在各時效下，6 月誤差絕對值均大于7 月和8 月。 對8 月環(huán)流的預(yù)測經(jīng)向度更??；在西北太平洋副熱帶高壓區(qū)域，6 月和7 月的誤差分布利于西北太平洋副熱帶高壓預(yù)測偏北，8月則更利于西北太平洋副熱帶高壓偏西偏強。

（3）DERF2.0 模式對30～60d 低頻分量的預(yù)報技巧較好， 在貝加爾湖及其以北的大陸高緯度地區(qū)技巧較高；10～20d 低頻分量在10～40d 的預(yù)報技巧和穩(wěn)定性欠佳， 空間分布上在中低緯度技巧較高。10～20d 低頻分量可能是對DERF2.0 模式延伸期預(yù)報結(jié)果的訂正重點。