王瑞英,周文韜,寧 婧,高宇星,肖天貴
(1.西安市氣象局,西安 710016;2.鄠邑區(qū)氣象局,陜西鄠邑 710300;3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,成都 610225)
延伸期預(yù)報(bào)作為天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測之間的預(yù)報(bào)“縫隙”,對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)、政府決策等具有重要作用,但同時(shí)也是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)[1-3],這主要是因?yàn)檠由炱陬A(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi),大氣系統(tǒng)的演變不僅受初始誤差的影響,還受陸氣相互作用、海氣相互作用等外界條件的部分影響。卞建春[4]指出兩周以內(nèi)的預(yù)報(bào)屬于第一類可預(yù)報(bào)性問題,與初始條件相關(guān);而月尺度以上的氣候預(yù)測屬于第二類可預(yù)報(bào)性問題,主要與邊界條件的影響有關(guān)。10~30 d的延伸期預(yù)報(bào)正好處于二者之間,一方面初始誤差非線性迅速增長[5-7],另一方面大氣開始受外強(qiáng)迫的作用;但超過了逐日預(yù)報(bào)的理論預(yù)報(bào)上限,并非意味著天氣預(yù)報(bào)完全不可進(jìn)行。丑紀(jì)范等[8]、王啟光等[9]指出大氣的運(yùn)動(dòng)不僅存在天氣尺度的混沌分量,還存在更長時(shí)間尺度的穩(wěn)定分量;大氣的復(fù)雜演變就是混沌分量與穩(wěn)定分量非線性相互作用的結(jié)果,在10~30 d的預(yù)報(bào)范圍內(nèi),可預(yù)報(bào)分量是客觀存在的。Zheng等[10]在研究中從誤差增長角度分離出了不可預(yù)報(bào)的隨機(jī)分量和可預(yù)報(bào)分量,并將可預(yù)報(bào)分量定義為預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)誤差增長較慢的部分。
大氣低頻振蕩[11]與延伸期預(yù)報(bào)在時(shí)間尺度上具有較好的一致性,可作為延伸期預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)分量,被廣泛應(yīng)用于延伸期預(yù)報(bào)的研究中。魏娜等[12]基于低頻天氣圖的預(yù)報(bào)原理,對(duì)2013—2015年陜西省延伸期強(qiáng)降水過程進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明低頻天氣圖預(yù)報(bào)效果較好,預(yù)報(bào)時(shí)效為10~30 d,可以在延伸期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中加以應(yīng)用。陳官軍、魏鳳英[13]研究發(fā)現(xiàn)江淮夏季降水具有20~50 d的低頻振蕩特征,選取對(duì)江淮地區(qū)持續(xù)性強(qiáng)降水有顯著影響的東亞環(huán)流指數(shù)作為預(yù)報(bào)因子,建立了低頻降水的延伸期預(yù)報(bào)模型。章毅之等[14]利用東亞地區(qū)850 hPa低頻經(jīng)向風(fēng)主成分,建立了江南地區(qū)低頻降水的多變量時(shí)滯回歸模型,發(fā)現(xiàn)利用低頻經(jīng)向風(fēng)場可以提前30 d較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出持續(xù)性強(qiáng)降水過程。魏曉雯等[15]分析了大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水的低頻振蕩特征,根據(jù)前期低頻信號(hào)構(gòu)造強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)指數(shù),對(duì)長江中下游大范圍強(qiáng)降水的延伸期預(yù)報(bào)具有參考意義。本文將基于西南地區(qū)雨季降水的低頻振蕩劃分8個(gè)位相,通過位相合成探究與低頻降水相聯(lián)系的低頻環(huán)流場演變特征,尋找有關(guān)的低頻關(guān)鍵區(qū)和影響因子,最后利用逐步回歸方法建立兩種預(yù)報(bào)模型,以期為西南地區(qū)雨季降水的延伸期預(yù)報(bào)提供參考。
所用資料為西南四省市(四川省、貴州省、云南省和重慶市)353個(gè)站點(diǎn)的逐日降水?dāng)?shù)據(jù),來源于中國國家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0),時(shí)間長度為1980年1月1日—2020年12月31日。同時(shí)段的大氣環(huán)流場數(shù)據(jù)來源于美國國家大氣與海洋管理局的再分析數(shù)據(jù),包括向外長波輻射及各高度上的水平風(fēng)、位勢高度等,空間分辨率2.5°×2.5°。
1.2.1 一階Butterworth帶通濾波的三步濾波方案 一階Butterworth帶通濾波器可以寫作:yk=a(xk-xk-2)-b1yk-1-b2yk-2,k=3,4,…,n)。公式中xk為輸入的時(shí)間序列,yk為經(jīng)過濾波后得到的結(jié)果序列。式中的初始值y1、y2可選擇任意值,但開端誤差會(huì)逐漸向后傳遞,影響濾波結(jié)果。為了抑制開端誤差,常用二步濾波方案,即先取y1=y2=0,并對(duì)輸入序列進(jìn)行一次正向?yàn)V波,對(duì)第一次正向?yàn)V波的輸出序列再進(jìn)行一次反向?yàn)V波。本文采用陳寅生等[16]提出的三步濾波法,即先進(jìn)行一次反向?yàn)V波,得到y(tǒng)1、y2值,再利用這兩個(gè)開端值,對(duì)輸入的原始序列進(jìn)行二步濾波,最后再進(jìn)行一次反向?yàn)V波。試驗(yàn)證明三步濾波可以有效的抑制誤差傳遞以及位相漂移,較二步濾波法具有更好的準(zhǔn)確性和適用性。
1.2.2 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)[17-18]是近年來在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種時(shí)間序列分析技術(shù),適合于分析非線性、非平穩(wěn)的時(shí)間序列,它可以把一個(gè)復(fù)雜的一維數(shù)據(jù)分解為有限個(gè)本征模函數(shù)(intrinsic mode function, IMF)和一個(gè)趨勢項(xiàng),每個(gè)IMF都反映了原序列不同時(shí)間尺度的局部特征。但在信號(hào)分解過程中,序列端點(diǎn)處不可避免地會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象,引起模態(tài)混合。通常的處理方法是分解后刪去序列兩端的部分?jǐn)?shù)據(jù),但為了不失去端點(diǎn)處的預(yù)報(bào)信息,首先利用鏡像延拓方法擴(kuò)展序列,分解后再刪去擴(kuò)展部分,以削減端點(diǎn)失真造成的影響。
根據(jù)西南地區(qū)多年平均候雨量的時(shí)間演變(圖1a)可以看出,西南地區(qū)全年雨量表現(xiàn)為單峰型特征。每年5月中旬降水量的標(biāo)準(zhǔn)化距平開始轉(zhuǎn)為正值,7、8月達(dá)到峰值,其中第42候,即7月底降水量最大,直到10月中旬降雨量標(biāo)準(zhǔn)化距平值再次降為負(fù)值。
圖1 1980—2020年西南地區(qū)平均雨量(a)和EEMD分解前兩模態(tài)(b)的逐候演變
為了探究西南雨季降水的低頻振蕩特征,利用EEMD方法提取降水序列不同時(shí)間尺度上的變化分量,得5個(gè)IMF分量和1個(gè)趨勢項(xiàng),其中IMF1代表了10~20 d的準(zhǔn)雙周振蕩,方差貢獻(xiàn)為6.8%;IMF2代表了30~60 d的季節(jié)內(nèi)變化,方差貢獻(xiàn)為10.4%。圖1b給出了降水EEMD分解前兩模態(tài)的逐候演變,對(duì)比原降水時(shí)間序列可以看出,雨季期間前兩個(gè)IMF的振幅較大,降水峰值時(shí)二者達(dá)到極大值且同位相疊加,在一定程度上反映了西南地區(qū)降水的演變特征;其中30~60 d振蕩方差貢獻(xiàn)更大,對(duì)西南雨季降水的影響也更顯著,因此將其作為主要研究對(duì)象。
鑒于低頻振蕩對(duì)于西南雨季降水的重要作用,進(jìn)一步對(duì)逐日降水序列進(jìn)行30~60 d帶通濾波,5—10月共有5個(gè)完整的波動(dòng),每個(gè)波動(dòng)劃分為8個(gè)位相,3位相(90°)對(duì)應(yīng)波峰;7位相(270°)對(duì)應(yīng)波谷;1、5位相是波動(dòng)與零線的交點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)0°和180°;而2、4、6、8位相則分別位于1、3、5、7位相和下一個(gè)1位相之間的中點(diǎn)。
根據(jù)上述規(guī)則劃分波動(dòng)的8個(gè)位相,利用Butterworth帶通濾波對(duì)大氣環(huán)流場進(jìn)行30~60 d濾波并分位相進(jìn)行合成,分析不同位相下大氣低頻環(huán)流特征,尋找與西南雨季降水低頻變化相聯(lián)系的大氣低頻結(jié)構(gòu)及傳播特征。
2.2.1 低頻OLR場的分布及演變 西南雨季降水低頻振蕩8個(gè)位相下低頻向外長波輻射(outgoing longwave radiation, OLR)場的演變主要與東亞正、負(fù)值區(qū)的順序北移有關(guān)(圖2)。第1位相,西南大部分地區(qū)為低頻對(duì)流的正值區(qū)覆蓋,東亞地區(qū)正、負(fù)值區(qū)經(jīng)向排列。第2位相,交替排列的正負(fù)值區(qū)順次北移,負(fù)值區(qū)在西南地區(qū)打通,對(duì)流增強(qiáng)。第3位相,西南地區(qū)對(duì)流進(jìn)一步加強(qiáng),赤道北部的正異常區(qū)北移至20°N附近,阿拉伯海、印度半島及孟加拉灣一帶完全轉(zhuǎn)為正值控制。隨著OLR低頻波列北移,到第6位相,西南大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為弱的正值控制。第7位相,正值在西南地區(qū)徹底打通,表現(xiàn)為較強(qiáng)的對(duì)流抑制;此時(shí)印度半島及其附近海域的大范圍地區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)值,而臺(tái)灣北側(cè)的黃海、朝鮮半島等地為OLR正值。通過分析發(fā)現(xiàn)黃海、朝鮮半島等地(28°N~38°N,115°E~130°E)及印度半島(10°N~20°N,75°E~85°E)低頻OLR與西南地區(qū)低頻OLR演變密切相關(guān),前者與西南地區(qū)低頻OLR存在顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.913;后者為負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.669;均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。
圖2 1980—2020年5—10月低頻OLR場(單位:W/m2)8個(gè)位相下的空間分布(矩形框代表西南地區(qū)所在位置)
2.2.2 850 hPa低頻風(fēng)場的分布及演變 分析850 hPa低頻風(fēng)場的演變(圖3)發(fā)現(xiàn):第3、7位相低頻風(fēng)場的分布形勢都發(fā)生了突變;從降水峰值向降水谷值演變的第4至6位相,阿拉伯海、孟加拉灣和西太平洋地區(qū)為低頻反氣旋控制,印度洋北側(cè)盛行偏東風(fēng),向西南地區(qū)的水汽輸送停滯;而從降水谷值向降水峰值演變的第8位相至下一波動(dòng)的第2位相,原本反氣旋控制的幾個(gè)地區(qū)都轉(zhuǎn)為低頻氣旋控制,印度洋北側(cè)轉(zhuǎn)為偏西氣流,加強(qiáng)向西南地區(qū)的水汽輸送。鑒于印度洋北部東、西風(fēng)的翻轉(zhuǎn)對(duì)降水的重要作用,進(jìn)一步分析北印度洋(10°N~15°N,50°E~90°E)區(qū)域平均低頻緯向風(fēng)與西南地區(qū)低頻降水間的時(shí)滯相關(guān)系數(shù),發(fā)現(xiàn)低頻風(fēng)場超前降水場20 d左右時(shí),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82(通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)),表明北印度洋上的低頻緯向風(fēng)對(duì)西南地區(qū)降水具有很好的指示意義,可以作為延伸期預(yù)報(bào)的低頻信號(hào)。
圖3 1980—2020年5—10月850 hPa低頻風(fēng)場8個(gè)位相下的空間分布(矩形框代表西南地區(qū)所在位置)
2.2.3 500 hPa低頻位勢高度場的分布及演變
500 hPa低頻環(huán)流場上(圖4),低緯度地區(qū)從第7位相到下一波動(dòng)的第2位相,孟加拉灣至阿拉伯海位勢高度為負(fù),對(duì)應(yīng)850 hPa上的氣旋性環(huán)流,低層到中層的正壓系統(tǒng)有利于西南地區(qū)雨季的水汽輸送;而第3至6位相則為正的位勢高度控制,與低層的低頻反氣旋對(duì)應(yīng)。中高緯度地區(qū),第1到3位相,亞歐“兩槽一脊”的環(huán)流形勢逐漸形成,原本位于貝加爾湖東側(cè)和巴爾喀什湖附近的兩個(gè)小正值中心,于第3位相在中西伯利亞合并加強(qiáng),形成阻塞形勢,有利于冷空氣沿烏山附近槽向我國西南地區(qū)輸送,對(duì)應(yīng)降水峰值。從第4位相開始,中西伯利亞低頻高值區(qū)減弱,東、西兩個(gè)負(fù)值區(qū)向內(nèi)收縮,到第7位相亞歐地區(qū)“兩脊一槽”的環(huán)流分布形成,中西伯利亞切斷形勢發(fā)展,不利于高緯度地區(qū)冷空氣向西南地區(qū)的輸送,對(duì)應(yīng)降水谷值。分析表明,烏拉爾山,貝加爾湖,及鄂霍茨克海地區(qū)低頻位勢高度的正負(fù)分布與西南地區(qū)雨季降水的低頻演變密切相關(guān),可以作為降水延伸期預(yù)報(bào)的低頻信號(hào)。
圖4 1980—2020年5—10月500 hPa低頻位勢高度場8個(gè)位相下的空間分布(矩形框代表西南地區(qū)所在位置)
2.2.4 200 hPa低頻環(huán)流場的分布及演變 200 hPa上(圖5),北半球中低緯度低頻氣旋和反氣旋緯向相間排列。第1位相,西南地區(qū)高空受低頻氣旋影響,氣旋東、西兩側(cè)分別為低頻反氣旋,隨著低頻波列東移。第3位相,西南地區(qū)為低頻反氣旋控制,提供了高層輻散流場,有利于對(duì)流的發(fā)展,對(duì)應(yīng)西南地區(qū)雨季降水峰值期。第7位相,西南地區(qū)又轉(zhuǎn)為低頻氣旋控制,高層輻合形勢不利于對(duì)流的發(fā)展,對(duì)應(yīng)西南區(qū)域雨季降水的谷值。
圖5 1980—2020年5—10月200 hPa低頻環(huán)流場8個(gè)位相下的空間分布(矩形框代表西南地區(qū)所在位置)
EEMD作為分析非線性、非平穩(wěn)信號(hào)序列的新方法,可以將時(shí)間序列平穩(wěn)化處理,所分解出的各IMF分量均包含了原信號(hào)不同時(shí)間尺度的局部特征,具有更好的可預(yù)報(bào)性和更長的預(yù)報(bào)時(shí)效,可作為延伸期預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)分量。因而提取逐候降水前5個(gè)IMF分量作為預(yù)報(bào)因子,采用逐步回歸的方法建立延伸期預(yù)報(bào)方程,對(duì)西南地區(qū)5—10月逐候降水量的季節(jié)內(nèi)分量進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn),樣本為預(yù)報(bào)年份之前的所有年。例如對(duì)2012年第25候的降水量進(jìn)行提前6候的預(yù)報(bào)試驗(yàn),則預(yù)報(bào)因子為1—19候逐候降水量的EEMD分量,樣本數(shù)為1980—2011年共32 a。
對(duì)2017—2020年西南地區(qū)雨季(第25~60候)期間的逐候降水量進(jìn)行提前1~10候的延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn)。從預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)(圖6a)可以看出,除2019年外其余年份提前1~3候的相關(guān)系數(shù)在0.5以上(通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)),隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增長預(yù)報(bào)值與實(shí)況降水的相關(guān)系數(shù)也逐漸降低,到提前4候時(shí)已基本降至0.4以下,失去參考意義。盡管相關(guān)系數(shù)并非預(yù)報(bào)時(shí)效的嚴(yán)格單調(diào)函數(shù),但整體上基于降水低頻信號(hào)的延伸期預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)效果并不十分理想,僅可提前15 d左右給出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)論。
為了進(jìn)一步探究模型對(duì)降水異常年的預(yù)報(bào)效果,選取降水異常偏多年(1999、2001年)和降水偏少年(2006、2011年)進(jìn)行分析(圖6b)。模型對(duì)于降水異常年的預(yù)報(bào)效果同樣是在提前1~3候時(shí)較好,第4候預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)迅速下降。另外,兩個(gè)典型雨季降水異常偏多年的預(yù)報(bào)效果整體好于降水異常偏少年,這可能與降水偏多年降水的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)更強(qiáng)有關(guān)。
圖6 基于降水低頻信號(hào)的模型預(yù)報(bào)值與2017—2020年(a)、降水異常年(b)實(shí)際雨量提前1~10候的相關(guān)系數(shù)
西南地區(qū)雨季降水量的變化是多種因子共同作用的結(jié)果,僅根據(jù)降水序列自身的低頻演變構(gòu)建預(yù)報(bào)模型,具有一定的局限性,因而考慮在預(yù)報(bào)模型中加入影響西南地區(qū)低頻降水的環(huán)流因子。一方面,有利于尋找出與西南雨季降水相關(guān)的監(jiān)測指標(biāo),為延伸期預(yù)報(bào)提供預(yù)報(bào)信號(hào);另一方面,使模型具有更好的物理意義。增加作為備選的預(yù)報(bào)因子數(shù)量,通過篩選出最優(yōu)因子進(jìn)入方程,在一定程度上提高模型的預(yù)報(bào)能力。根據(jù)前述大氣低頻流場的演變,選擇以下7個(gè)關(guān)鍵區(qū)的物理量序列作為預(yù)報(bào)因子(表1)。
表1 影響西南雨季降水季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)鍵區(qū)與低頻要素
用降水序列本身的季節(jié)內(nèi)振蕩分量及表1中7個(gè)關(guān)鍵區(qū)低頻環(huán)流序列作為預(yù)報(bào)因子,同樣對(duì)2017—2020年雨季(第25~60候)進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn)。根據(jù)圖7a可以看出:相較基于降水序列自身低頻分量而構(gòu)建的預(yù)報(bào)模型,加入了低頻影響因子的延伸期預(yù)報(bào)模型具有更好的預(yù)報(bào)效果。提前3候的相關(guān)系數(shù)基本在0.6以上,預(yù)報(bào)效果最好的2019年提前1~2候的相關(guān)系數(shù)在0.8以上,最高可達(dá)0.85;提前4候時(shí)相關(guān)系數(shù)仍維持較高水平,除2020年外都在0.5以上。整體上,可以提前20 d左右給出具有一定參考價(jià)值的預(yù)報(bào)結(jié)果。
同樣對(duì)雨季降水異常偏多個(gè)例年(1999、2001年)和偏少個(gè)例年(2006、2011年)進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)(圖7b),可以看出不論是降水異常偏多年還是偏少年,加入低頻影響因子的預(yù)報(bào)模型,預(yù)報(bào)效果都有較大提高。提前1~4候,1999年和2001年的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上,而預(yù)報(bào)效果相對(duì)較差的2006和2011年,前4候的相關(guān)系數(shù)也在0.4以上,遠(yuǎn)高于基于降水序列自身低頻分量的預(yù)報(bào)模型。另外,模型對(duì)于降水異常偏多年的預(yù)報(bào)效果整體好于降水偏少年。
圖7 基于低頻影響因子的模型預(yù)報(bào)值與2017—2020年(a)、降水異常年(b)實(shí)際雨量提前1~10候的相關(guān)系數(shù)
利用Butterworth帶通濾波和分位相合成的方法,分析了西南地區(qū)降水低頻特征及與之相聯(lián)系的大尺度低頻環(huán)流場演變特征,在此基礎(chǔ)上采用基于降水自身低頻信號(hào)和基于降水低頻影響因子兩種方法建立延伸期預(yù)報(bào)模型,對(duì)西南地區(qū)雨季降水的低頻振蕩進(jìn)行提前1~10候的預(yù)報(bào)試驗(yàn),主要得到以下結(jié)論。
(1)西南地區(qū)平均雨量表現(xiàn)為單峰型特征,峰值主要位于7、8月。通過EMD分解,發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)降水量時(shí)間演變具有10~20 d和30~60 d的低頻變化特征,是西南地區(qū)降水時(shí)間演變的重要貢獻(xiàn)者。
(2)西南地區(qū)降水季節(jié)內(nèi)振蕩8個(gè)位相下,低頻OLR場的演變主要與東亞地區(qū)正、負(fù)低頻區(qū)的相間分布及順次北移有關(guān)。850 hPa低頻風(fēng)場的演變表現(xiàn)為阿拉伯海、孟加拉灣等地氣旋、反氣旋的交替變化,環(huán)流場發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí),印度洋北側(cè)(10°N~15°N)低頻緯向風(fēng)也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,當(dāng)西南風(fēng)水汽輸送通道打開時(shí)有利于降水發(fā)展。500 hPa上,降水峰值對(duì)應(yīng)阿拉伯海、孟加拉灣一帶及西北太平洋地區(qū)正的低頻位勢高度,中高緯度為“兩槽一脊”的環(huán)流分布;降水谷值的環(huán)流形勢分布則正好相反。200 hPa低頻流場最突出的特征為低頻氣旋、反氣旋對(duì)西南地區(qū)的交替影響,低頻反氣旋為對(duì)流提供高層輻散場,高層的低頻氣旋則抑制對(duì)流發(fā)展。
(3)基于降水序列自身低頻信號(hào)的回歸方程可以提前15 d左右較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出西南地區(qū)雨季逐候降水的低頻分量?;诘皖l影響因子的預(yù)報(bào)模型,預(yù)報(bào)效果有了較大提高,可以提前20 d左右給出具有一定參考意義的預(yù)報(bào)結(jié)論。另外,兩個(gè)模型對(duì)于降水異常偏多年的預(yù)報(bào)效果均好于降水偏少年,這可能與雨量較多年降水的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)較強(qiáng)有關(guān)。