何慧根1, 3 李巧萍2 吳統(tǒng)文2 唐紅玉1 胡澤勇3
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月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF2.0對(duì)中國(guó)氣溫和降水的預(yù)測(cè)性能評(píng)估
何慧根李巧萍吳統(tǒng)文唐紅玉胡澤勇
1重慶市氣候中心,重慶401147;2國(guó)家氣候中心,北京100081;3中國(guó)科學(xué)院寒旱區(qū)陸面過(guò)程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730000
基于國(guó)家氣候中心第二代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)(DERF2.0)開(kāi)展的1982~2010年的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)家氣象信息中心提供的669個(gè)臺(tái)站氣象觀測(cè)資料,利用距平相關(guān)系數(shù)ACC、平均方差技巧評(píng)分MSSS、距平符號(hào)一致率和短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)分級(jí)檢驗(yàn)Pg等4種方法綜合評(píng)估了DERF2.0系統(tǒng)對(duì)中國(guó)的氣溫和降水的預(yù)測(cè)性能。結(jié)果表明,DERF2.0模式對(duì)氣溫的總體預(yù)測(cè)效果較好,對(duì)氣溫的預(yù)測(cè)性能較DERF1.0模式有了較明顯的提升。與過(guò)去全國(guó)的短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)評(píng)分相比,DERF2.0對(duì)氣溫和降水的預(yù)測(cè)都有所提高。與氣溫相比,DERF2.0對(duì)降水的預(yù)測(cè)性能相對(duì)較差,對(duì)降水的預(yù)測(cè)水平與DERF1.0相接近。DERF2.0 對(duì)發(fā)生在1998年和2006年的極端旱、澇個(gè)例年也有一定的預(yù)測(cè)能力,且對(duì)氣溫的預(yù)測(cè)明顯好于降水。從空間上來(lái)看,DERF2.0在西南地區(qū)的確定性預(yù)測(cè)效果較差,模式仍然有很大的改進(jìn)空間。
BCC_AGCM 月動(dòng)力延伸 DERF2.0 月預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)性能
業(yè)務(wù)上月尺度氣候預(yù)測(cè)嘗試始于20世紀(jì)80年代。自Miyakoda et al.(1983,1986)的一系列月平均環(huán)流場(chǎng)異常預(yù)測(cè)成功后,長(zhǎng)期數(shù)值預(yù)報(bào)迅速發(fā)展。最具代表性的歐洲中期數(shù)值模式預(yù)報(bào)中心(ECMWF)于20世紀(jì)90年代初就建立了基于持續(xù)性海溫異常強(qiáng)迫、高分辨率的月尺度氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)T159L40,2004年該系統(tǒng)發(fā)展為集合成員達(dá)51個(gè)的海氣耦合月尺度集合預(yù)測(cè)系統(tǒng)(李維京,2012)。美國(guó)的氣候預(yù)測(cè)中心(NCEP/CPC)也于2004年基于NCEP的大氣、海洋和陸地同化資料,發(fā)展了分辨率為T(mén)62L64(水平近似于210 km)的海氣耦合模式CFSv1,該模式初始場(chǎng)由15個(gè)不同時(shí)間的樣本集合而成。2011年NCEP/CPC推出了包含16個(gè)集合成員、積分時(shí)間達(dá)45天的第二代模式系統(tǒng)CFSv2,其水平分辨率提升為T(mén)126(近似于100 km)(Saha et al., 2012)。日本氣象廳(JMA)的集合月動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)模式由日本的全球大氣環(huán)流模式TL159(近似于1.125°×1.125°)采用由JMA氣候資料同化系統(tǒng)提供的初值積分而成,系統(tǒng)集合了50個(gè)成員,每周運(yùn)行兩次(JMA, 2010)。成立于2005年的亞洲太平洋經(jīng)濟(jì)合作組織氣候中心(APCC)集合了美國(guó)、日本、加拿大、中國(guó)等國(guó)家的15個(gè)模式,提供全球和東亞地區(qū)未來(lái)3個(gè)月的逐月氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)品(Wang et al., 2009)。以上國(guó)外模式產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于短期氣候預(yù)測(cè)之中,目前已成為了月尺度氣候預(yù)測(cè)的主要工具。
“九五”期間,在國(guó)家重中之重項(xiàng)目“我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研究”的支持下,國(guó)家氣候中心和中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所共同研制出中等分辨率的全球大氣環(huán)流模式BCC_AGCM1.0(Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model version 1.0)。該模式水平方向采用三角形截?cái)啵?3波(近似于1.875°×1.875°),垂直方向分16層(T63L16)(丁一匯等,2002)?;谠撃J浇⒘藝?guó)家氣候中心第一代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF1.0(Dynamic Extended Range Forecast operational system version 1.0)。該系統(tǒng)初值形成包含滯后平均法和奇異向量法,對(duì)不同的初值進(jìn)行45天積分,并利用不同的方法進(jìn)行集合信息提取,形成最終產(chǎn)品。該系統(tǒng)提供的月預(yù)測(cè)為逐旬滾動(dòng),每月運(yùn)行3次(每旬一次),分別以每旬的最后4日4個(gè)時(shí)次的初始場(chǎng)為基本初值,海溫場(chǎng)選用距初值最近的周平均實(shí)況海溫,進(jìn)行30天平均集合預(yù)報(bào),集合的最大成員數(shù)可達(dá)64個(gè)(張培群等,2004)。該模式于2001年6月進(jìn)行業(yè)務(wù)化試驗(yàn)運(yùn)行,2005年作為我國(guó)第一代短期氣候預(yù)測(cè)動(dòng)力氣候模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分投入了業(yè)務(wù)應(yīng)用。該模式產(chǎn)品已成了我國(guó)月預(yù)測(cè)的主要參考依據(jù)之一。
2005年起,國(guó)家氣候中心基于美國(guó)國(guó)家大氣研究中心NCAR(Nation Center for Atmospheric Research)的CAM3.0模式(Community Atmospheric Model version 3.0),發(fā)展了第二代全球大氣環(huán)流譜模式BCC_AGCM2.0.1。其水平分辨率為T(mén)42(近似于2.8125°×2.8125°),垂直方向采用混合坐標(biāo),共26層(郭準(zhǔn)等,2011)。該模式引入了參考大氣和參考面氣壓,改進(jìn)了對(duì)流參數(shù)化等物理過(guò)程(Zhang and Mu,2005;Wu et al., 2008),并對(duì)模式邊界層進(jìn)行了處理,加入了新的感熱和潛熱通量計(jì)算方案(董敏等,2009),采用了Wu et al.,(2004)提出的雪蓋參數(shù)化方案。其他模式物理參數(shù)化方案,如輻射過(guò)程傳輸、陸面過(guò)程、邊界層過(guò)程等與CAM3.0相同(頡衛(wèi)華和吳統(tǒng)文,2010)。該模式的具體介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)Wu et al.(2010)。2008~2009年,BCC_AGCM2.0.1在線耦合了氣溶膠模式(CUACE)、大氣化學(xué)模式(MOZART),還實(shí)現(xiàn)了碳通量交換,建立了包含全球碳循環(huán)和動(dòng)態(tài)植被的海—陸—?dú)狻玉詈系臍夂蛳到y(tǒng)模式BCC_CSM1.1版本。該系統(tǒng)已用于CMIP5模式比較計(jì)劃的相關(guān)試驗(yàn)。
以往研究表明BCC_AGCM2.0.1模式對(duì)天氣尺度的演變過(guò)程具有4~7 d的可預(yù)報(bào)性(頡衛(wèi)華和吳統(tǒng)文,2010),對(duì)熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩有較好的預(yù)測(cè)效果,且明顯優(yōu)于CAM3.0模式(董敏等,2009),對(duì)極端溫度事件及其趨勢(shì)變化有較好的預(yù)測(cè)效果(Dong et al., 2012)。能預(yù)測(cè)出南澇北旱的格局,還能預(yù)測(cè)出對(duì)流層中上層變冷則西風(fēng)急流向南傾斜,西南季風(fēng)偏弱,雨帶也隨之偏南的相互關(guān)系,但對(duì)流層的冷中心和大尺度環(huán)流的預(yù)測(cè)存在著偏差(Chen et al., 2012)。對(duì)北半球冬季環(huán)流場(chǎng)也存在一定的偏差,極渦振蕩的振幅較強(qiáng),振蕩的時(shí)間也有所漂移,平流層極渦存在偏冷、偏強(qiáng)現(xiàn)象,對(duì)流層副熱帶西風(fēng)急流偏弱(劉玉鎮(zhèn)等,2012)。
近幾年來(lái)國(guó)家氣候中心對(duì)BCC_ AGCM2.0.1再次進(jìn)行了優(yōu)化,2011年3月完成了BCC_AGCM2.2版本的定型。在模式分辨率方面,BCC_AGCM2.2比CAM3.0有所提高,水平分辨率從原來(lái)的T42提高到T106,垂直分為26層(T106L26)。在BCC_AGCM2.2版本的基礎(chǔ)上建立了第二代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF2.0。第二代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)從模式結(jié)果本身、分辨率等方面與第一代相比進(jìn)行了較大的調(diào)整。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,2014年應(yīng)用于預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)。DERF2.0的大氣初始場(chǎng)采用NCEP一日四次的再分析資料,資料使用nudging方法輸入到模式,海表溫度初始場(chǎng)采用NOAA 的OISST再分析資料,包括月平均資料和周平均資料,在資料能夠獲取的情況下使用最近的周平均資料,在模式中保持初始海溫異常持續(xù)。本文分析的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果使用的是每月1日起報(bào),預(yù)報(bào)2個(gè)月。每月集合預(yù)報(bào)采用滯后平均方案,由不同起報(bào)時(shí)間組成,從起報(bào)之日向前每隔12小時(shí)進(jìn)行一次,共6個(gè)樣本成員進(jìn)行集合平均。
本文基于DERF2.0開(kāi)展的1982~2010年的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果,利用對(duì)模式要求較為嚴(yán)格的距平相關(guān)系數(shù)ACC、平均方差技巧評(píng)分MSSS(Mean square skill score)、距平符號(hào)一致率和短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)分級(jí)檢驗(yàn)Pg評(píng)分等4種方法綜合評(píng)估DERF2.0的預(yù)測(cè)性能,為科學(xué)利用該模式進(jìn)行旬、月尺度氣候預(yù)測(cè)提供科學(xué)基礎(chǔ),為進(jìn)一步改進(jìn)模式性能提供科學(xué)依據(jù),以期提高我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)服務(wù)的準(zhǔn)確率。
圖1 全國(guó)669個(gè)氣象站分布
以往的模式評(píng)估和業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)質(zhì)量評(píng)估中都采用全國(guó)160站實(shí)測(cè)資料作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(陳桂英和趙振國(guó),1998;丁一匯等,2004)。一方面近年來(lái)模式的分辨率在不斷提高,另一方面全國(guó)160個(gè)臺(tái)站分布不均勻,呈東多西少的分布特征,很難正確反映模式對(duì)我國(guó)西部地區(qū)的預(yù)測(cè)性能。
本文所用資料主要包括:(1)從全國(guó)756個(gè)站中挑選出資料相對(duì)完整的669個(gè)氣象站1982~2010年氣溫和降水資料(來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象信息中心),氣象站分布如圖1所示。(2)DERF2.0進(jìn)行的1982~2010年逐月地面氣溫和降水的回報(bào)結(jié)果。多年平均采用1982~2010年共29年平均。格點(diǎn)插值到站點(diǎn)的方法采用的是雙線性插值法。
短期氣候預(yù)測(cè)評(píng)分方法有很多。預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中常用的有相關(guān)系數(shù)RR(Chen et al., 2012)、距平相關(guān)系數(shù)ACC、預(yù)報(bào)技巧評(píng)分S、異常氣候評(píng)分TS和短期預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)評(píng)分Ps等(陳桂英和趙振國(guó),1998;李清泉等,2004;李維京,2012)。相關(guān)系數(shù)RR法對(duì)相對(duì)較大的數(shù)比較敏感,預(yù)報(bào)技巧評(píng)分法主要是 相對(duì)于無(wú)技巧的預(yù)報(bào)技巧評(píng)分,是一個(gè)比較客觀的評(píng)分方法,但評(píng)分與預(yù)報(bào)量分級(jí)評(píng)估有關(guān),分級(jí)越多隨機(jī)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率越低(王紹武和朱錦紅,2000)。異常氣候評(píng)分TS用于評(píng)估預(yù)報(bào)異常級(jí)的能力,以 前我國(guó)的月氣溫和降水的異常評(píng)分都比較低(陳桂英和趙振國(guó),1998)。之前我國(guó)的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)評(píng)分方法由國(guó)家氣象中心長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)科使用的評(píng)分方法修改而來(lái),經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。為了加強(qiáng)和規(guī)范短期 氣候預(yù)測(cè)質(zhì)量評(píng)定,鼓勵(lì)預(yù)測(cè)異常級(jí),2010年中國(guó)氣象局采用了分級(jí)業(yè)務(wù)評(píng)分Pg法。為了系統(tǒng)性地 評(píng)估模式的預(yù)測(cè)效果,改進(jìn)預(yù)測(cè)技術(shù),提高預(yù)測(cè)質(zhì)量,本文選用距平相關(guān)系數(shù)ACC、平均方差技巧評(píng)分MSSS、距平符號(hào)一致率和預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)分級(jí)檢 驗(yàn)Pg評(píng)分等4種指標(biāo)對(duì)預(yù)測(cè)回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)估。
距平相關(guān)系數(shù)ACC,主要反映的是預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相似程度,是世界氣象組織(WMO)于1996年11月在意大利召開(kāi)的第11屆工作會(huì)議上確定并建議使用的指標(biāo)?!熬盼濉逼陂g我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)估就以此作為評(píng)估參數(shù)之一(李清泉等,2004)。距平相關(guān)系數(shù)公式如下:
平均方差技巧MSSS評(píng)分是1996年WMO建議在氣候預(yù)測(cè)中使用的評(píng)分辦法(WMO,1999),我國(guó)的第一代短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)曾用此方法進(jìn)行評(píng)估(李清泉等,2004)。2006年WMO提出了標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估系統(tǒng),推薦模式的氣候預(yù)測(cè)采用MSSS 法進(jìn)行評(píng)估(WMO,2006)。MSSS評(píng)分法主要是用于不分類的確定性預(yù)報(bào)檢驗(yàn)和評(píng)估(WMO,2009)。和(=1,…,)分別表示某一格點(diǎn)或站點(diǎn)處的觀測(cè)和確定性預(yù)測(cè)時(shí)間序列。兩者的均值分別為和,方差分別為和:
(3)
預(yù)測(cè)的均方誤差為
“氣候?qū)W”預(yù)測(cè)的均方誤差為
, (5)
在點(diǎn)處的均方差技巧評(píng)分(MSSS)則定義為
對(duì)于不同的緯度位置,MSSS的計(jì)算應(yīng)該利用下式:
(7)
距平(距平百分率)符號(hào)一致率簡(jiǎn)稱同號(hào)率,以百分率的形式表現(xiàn)預(yù)報(bào)與實(shí)況的相似程度,是過(guò)去我國(guó)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中用來(lái)檢驗(yàn)的一種有效方法,是指預(yù)測(cè)值與實(shí)況值距平符號(hào)相同,或是有一個(gè)距平為0的氣象站站數(shù)與評(píng)分的氣象站總站數(shù)的百分比。
, (8)
式中,為評(píng)分的氣象站總站數(shù),為預(yù)測(cè)與實(shí)況距平(距平百分率)符號(hào)相同或兩者中有一個(gè)距平為0的氣象站站數(shù)。
分級(jí)檢驗(yàn)Pg評(píng)分法主要用于評(píng)定預(yù)測(cè)的氣溫距平(降水距平百分率)量級(jí)與實(shí)況的氣溫距平(降水距平百分率)的接近程度。根據(jù)中國(guó)氣象局2010年1月1日起執(zhí)行的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),氣溫和降水的趨勢(shì)預(yù)測(cè)按照六級(jí)評(píng)分制進(jìn)行評(píng)定,具體的各級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。
表1 氣溫、降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)六級(jí)評(píng)分制用語(yǔ)及各等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)
注:Δ表示降水距平百分率;Δ表示氣溫距平
本檢驗(yàn)方法最高分為100分,最低分為0分。當(dāng)預(yù)測(cè)與實(shí)況的距平(距平百分率)符號(hào)和量級(jí)均一致時(shí),評(píng)分為100分。當(dāng)預(yù)測(cè)與實(shí)況的量級(jí)相差1個(gè)級(jí)別時(shí),減20分;量級(jí)相差2個(gè)級(jí)別時(shí),減40分;量級(jí)相差3個(gè)級(jí)別時(shí),減60分;依次類推,減至0分為止。當(dāng)預(yù)測(cè)與實(shí)況的距平符號(hào)不一致時(shí),在量級(jí)減分的基礎(chǔ)上再減20分;減至0分為止。鼓勵(lì)預(yù)測(cè)異常,當(dāng)預(yù)測(cè)為異常級(jí)且預(yù)測(cè)與實(shí)況相差1個(gè)量級(jí)時(shí),可以在上述得分的基礎(chǔ)上再加10分。六級(jí)評(píng)分制的各級(jí)預(yù)測(cè)檢驗(yàn)評(píng)分詳見(jiàn)表2。
表2 氣溫和降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)六級(jí)檢驗(yàn)評(píng)分制單站評(píng)分表
多站氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)檢驗(yàn)總評(píng)分計(jì)算公式為
式中,Pg為多站氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)評(píng)分,P為單站的評(píng)分,為參加評(píng)分的氣象站總站數(shù)。
3.1 距平相關(guān)系數(shù)ACC評(píng)估
距平相關(guān)系數(shù)ACC是短期氣候預(yù)測(cè)中最常用的檢驗(yàn)方法之一,反映的是模式的總體預(yù)測(cè)性能。上世紀(jì)80~90年代我國(guó)汛期預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)降水的ACC平均值為0.1,降水預(yù)報(bào)水平只有55%~60%(王紹武和朱錦紅,2000)。
從圖2a可知,DERF2.0回報(bào)的氣溫各年的ACC值都超過(guò)了0.14,最高的年份達(dá)到了0.43,多年平均值為0.26。由此可知,DERF2.0對(duì)氣溫的總 體預(yù)測(cè)性能較好。與DERF1.0回報(bào)的評(píng)分相 比,DERF2.0回報(bào)的氣溫各年的ACC評(píng)分都明顯高于DERF1.0,多年平均提高了0.27。由此表明,DERF2.0對(duì)氣溫的預(yù)測(cè)性能較DERF1.0有了較明顯的提升。
從圖2b可知,DERF2.0回報(bào)的降水各年的ACC值仍然都大于0,多年平均值為0.11。與氣溫的ACC值相比,降水的ACC值相對(duì)較低,年際差異大。由此表明,DERF2.0對(duì)降水的總體預(yù)測(cè)性 能相對(duì)較差,且預(yù)測(cè)性能不穩(wěn)定。DERF2.0回報(bào) 的降水與DERF1.0在大部分年份的ACC值差異 較小,且兩個(gè)模式的多年平均值相同。由此可知,DERF2.0對(duì)降水的預(yù)測(cè)性能與DERF1.0相接近。DERF2.0對(duì)于降水的預(yù)測(cè)能力仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。
圖2 1982~2010年中國(guó)的(a)氣溫和(b)降水的距平相關(guān)系數(shù)ACC隨時(shí)間的變化
從表3的各月距平相關(guān)系數(shù)來(lái)看,DERF2.0回報(bào)的氣溫ACC評(píng)分普遍較高。各月的氣溫ACC值都在0.18以上,月平均氣溫ACC值達(dá)0.26。其中1月、2月、3月的氣溫ACC技巧相對(duì)較高,都在0.3以上,其中3月評(píng)分最高,達(dá)0.4;相對(duì)而言,6月、7月和9月的氣溫ACC技巧相對(duì)較低。各月的降水ACC評(píng)分都明顯低于氣溫,降水的ACC評(píng)分較氣溫平均偏低0.15。然而,各月的降水ACC值都大于0,月平均為0.11。由此表明,DERF2.0能夠預(yù)測(cè)出全國(guó)的總體旱澇趨勢(shì)。相對(duì)而言,1月、9月和11月降水的ACC技巧相對(duì)較高,都在0.15以上;4月、5月和6月降水的ACC技巧則相對(duì)較低。與DERF1.0回報(bào)的ACC評(píng)分相比,DERF2.0各月氣溫的評(píng)分都有明顯的提高。各月氣溫的ACC增幅在0.18~0.45之間,月平均增幅為0.27。其中2月增幅最大,達(dá)0.45。1月、2月、3月、7月、8月、9月和10月降水的預(yù)測(cè)技巧略有提高,4月、5月和6月的則有所下降??傮w而言,降水的月平均ACC評(píng)分與DERF1.0相一致。由此表明,DERF2.0對(duì)氣溫的預(yù)測(cè)性能明顯好于DERF1.0,尤其是2月氣溫的預(yù)測(cè)提升幅度最大。對(duì)降水的總體預(yù)測(cè)水平與DERF1.0接近。與過(guò)去的國(guó)家氣候中心業(yè)務(wù)發(fā)布的全國(guó)160站預(yù)測(cè)相比(陳桂英和趙振國(guó), 1998;陳麗娟等,2008;李維京,2012),DERF2.0對(duì)氣溫和降水的預(yù)測(cè)性能都有了明顯提高。
表3 DERF2.0和DERF1.0回報(bào)1982~2010年月平均距平相關(guān)系數(shù)ACC表
3.2 平均方差技巧MSSS評(píng)估
MSSS為確定性預(yù)報(bào)的主要評(píng)估方法。MSSS值越接近1,表明模式預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確。從圖3的檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,1月的氣溫確定性預(yù)報(bào)總體較差,其中西南大部地區(qū),尤其是西藏、四川和重慶地區(qū)評(píng)分很低,東北部氣溫預(yù)測(cè)相對(duì)較好。與1月相比,4月較差區(qū)域有所縮小并西移,華南、江南和河套地區(qū)氣溫預(yù)測(cè)較好,西藏、新疆、黑龍江、長(zhǎng)江與黃河之間地區(qū)相對(duì)較差。7月江南地區(qū)、西南的西部和西北的東部預(yù)測(cè)相對(duì)較好,華南、河套及黃淮地區(qū)相對(duì)較差。10月氣溫預(yù)測(cè)總體相對(duì)較好,較差的地區(qū)范圍明顯縮小,主要集中在西南地區(qū)東部和新疆的西部。
從圖3可知,降水的MSSS評(píng)分值相對(duì)較小,總體集中在±1之間。與氣溫相比,1月的降水MSSS評(píng)分為正值區(qū)域明顯擴(kuò)大,東北及華北地區(qū)的評(píng)分能過(guò)到0.4以上,而長(zhǎng)江流域則預(yù)測(cè)相對(duì)較差。4月除東北、華北和新疆外,大部地區(qū)評(píng)分為負(fù)值。7月和10月我國(guó)大部地區(qū)的降水MSSS評(píng)分都在-1~0之間,可見(jiàn)我國(guó)大部地區(qū)的降水確定性預(yù)測(cè)仍然相對(duì)較差,中高緯度地區(qū)的評(píng)分高于較低緯度地區(qū)。
綜上所述,各月氣溫的確定性預(yù)測(cè)評(píng)分較差的區(qū)域隨著季節(jié)的變化而變化。西南地區(qū),尤其是西南的東部地區(qū),DERF2.0的氣溫確定性預(yù)測(cè)較差。從空間分布來(lái)看,氣溫的評(píng)分正值區(qū)域明顯大于降水,表明在空間范圍內(nèi),氣溫的確定性預(yù)報(bào)好于降水。結(jié)合降水和氣溫的MSSS評(píng)分圖可見(jiàn),在青藏高原南部、四川盆地的MSSS評(píng)分都較差,這可能是由于青藏高原地形的影響所致,在今后的工作中需進(jìn)一步探討青藏高原地形對(duì)地面氣溫和降水預(yù)測(cè)的影響。
從表4可知,各月的氣溫和降水的MSSS評(píng)分值都較低,表明該模式對(duì)氣溫和降水的確定性預(yù)測(cè)性能仍然較低,模式仍然有很大的改進(jìn)空間。氣溫只有2月和3月評(píng)分大于0,降水則在1~3月、11月和12月的評(píng)分都大于0,由此表明氣溫和降水的確定性預(yù)測(cè)相對(duì)較好的月份主要集中在冬季,夏季較差。從月平均來(lái)看,氣溫的評(píng)分反而低于降水,這主要是由于在氣溫評(píng)分的空間分布中存在評(píng)分較差的集中區(qū)域,且這些區(qū)域內(nèi)的評(píng)分為較大的負(fù)值,從而影響了區(qū)域平均值。
圖3 全國(guó)1、4、7、10月平均方差技巧MSSS評(píng)分,左邊為氣溫,右邊為降水
表4 DERF2.0回報(bào)1982~2010年全國(guó)月平均均方差技巧MSSS評(píng)分表
3.3 分級(jí)檢驗(yàn)Pg評(píng)估
Pg評(píng)分主要反映的是模式對(duì)預(yù)測(cè)要素在量級(jí)上的把握程度。從圖4可知,各月的氣溫Pg評(píng)分都明顯高于降水的評(píng)分。1月各地的氣溫Pg評(píng)分都在65分以上,春季和秋季的4月和10月大部地區(qū)達(dá)到了70分以上,得分最高的在夏季7月份,大部地區(qū)達(dá)到了75分以上,其中部分地區(qū)達(dá)80分以上。由此表明,DERF2.0對(duì)大部分地區(qū)的氣溫預(yù)測(cè)在量級(jí)上把握較好,預(yù)測(cè)的氣溫距平與實(shí)況相差在2°C以內(nèi),Pg評(píng)分較高。
降水的Pg評(píng)分隨季節(jié)變化較為明顯。1月Pg評(píng)分在60分以上的區(qū)域主要分布在我國(guó)中東部地區(qū),4月我國(guó)大部地區(qū)的評(píng)分沒(méi)有達(dá)到60分,7月評(píng)分達(dá)60分以上的地區(qū)主要位于西南和西北地區(qū),10月則位于長(zhǎng)江與黃河之間地區(qū)。由此表明,DERF2.0對(duì)各地的降水預(yù)測(cè)在等級(jí)上把握不是很好,預(yù)測(cè)的降水距平百分率與實(shí)況符號(hào)相同時(shí)往往相差兩個(gè)等級(jí),或是同處正常級(jí)別但符號(hào)相反,Pg評(píng)分相對(duì)較低。
從表5的各月Pg評(píng)分可知,各月的氣溫Pg評(píng)分基本保持在70分以上,月平均達(dá)73.8分。其中夏季的7、8月份得分最高,達(dá)76分以上,冬季幾個(gè)月的得分相對(duì)較低。各月的降水Pg評(píng)分則維持在60分左右。得分較低的月份分別為2月、4月和10月,夏季幾個(gè)月得分則相對(duì)較高,維持在60分左右。
2010年全國(guó)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)評(píng)分采用了新評(píng)分辦法——分級(jí)檢驗(yàn)Pg評(píng)分法。從中國(guó)氣象局下發(fā)的2010年全國(guó)各省1~11月的業(yè)務(wù)Pg評(píng)分來(lái)看,全國(guó)各省的氣溫業(yè)務(wù)評(píng)分平均74.3分,其中最高的重慶市業(yè)務(wù)評(píng)分達(dá)84.8分,國(guó)家氣候中心的160站業(yè)務(wù)評(píng)分為72.9分。DERF2.0利用160站評(píng)分為75.1分,利用669站評(píng)分為59.3分。全國(guó)1~11月業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)降水平均58.6分,其中最高的貴州省業(yè)務(wù)評(píng)分達(dá)70分,國(guó)家氣候中心的業(yè)務(wù)評(píng)分為56.8分。DERF2.0利用160站評(píng)分為58.8分,669站為55分。由此表明,DERF2.0直接預(yù)測(cè)的氣溫評(píng)分已明顯高于全國(guó)各省的平均分和國(guó)家氣候中心的評(píng)分。利用669站的氣溫評(píng)分結(jié)果明顯低于160站的評(píng)分結(jié)果。DERF2.0直接預(yù)測(cè)的降水評(píng)分也高于全國(guó)平均和國(guó)家氣候中心的業(yè)務(wù)評(píng)分,且利用669站評(píng)分與利用160站評(píng)分結(jié)果差異較小??傊珼ERF2.0直接預(yù)測(cè)的氣溫和降水超過(guò)了目前的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)評(píng)分。
表5 DERF2.0回報(bào)1982~2010年全國(guó)月平均Pg評(píng)分表
表6 DERF2.0回報(bào)1982~2010年全國(guó)月平均距平符號(hào)一致率R
圖4 全國(guó)1、4、7、10月Pg評(píng)分,左邊為氣溫,右邊為降水
以往研究表明模式對(duì)降水的解釋?xiě)?yīng)用評(píng)分要高于模式的直接輸出產(chǎn)品(林紓等,2007;王娜和方建剛,2009)。但由于解釋?xiě)?yīng)用本質(zhì)上依賴于模式的預(yù)報(bào)能力和解釋?xiě)?yīng)用方法。因此,仍然需要模式在性能完善、模式的系統(tǒng)性誤差訂正和解釋?xiě)?yīng)用方法上做進(jìn)一步研究和應(yīng)用。
3.4 距平符號(hào)一致率評(píng)估
同號(hào)率反映的是一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)值與實(shí)況值距平(距平百分率)符號(hào)一致的站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)的比例,是以往模式檢驗(yàn)常用的方法之一。只有當(dāng)同號(hào)率大于50%,降水的主要趨勢(shì)被反映出來(lái)時(shí),再考察強(qiáng)度預(yù)測(cè)才有意義(李清泉等,2004)。從表6可知,各月的氣溫同號(hào)率都達(dá)60%以上,其中3月同號(hào)率達(dá)到了71.5%,月平均為64.2%。降水的同號(hào)率則相對(duì)要低些,但各月的值都超過(guò)了50%,月平均為56.9%,由此可知,DERF2.0的預(yù)測(cè)總體上能夠反映出氣溫和降水的主要趨勢(shì)。其中1月、11月和12月降水的同號(hào)率達(dá)60%以上,而最少的月份降水同號(hào)率只有52.7%。
盡管1982~2010年月平均氣溫的同號(hào)率都較高,但仍然也有個(gè)別年份的效果較差,如1996年的1月、2001年的4月、1982年的10月的氣溫同號(hào)率只有30%多。這些年份的預(yù)測(cè)效果較差的原因值得進(jìn)一步探討。盡管月平均的降水同號(hào)率較低,但仍然有一些年份的同號(hào)率較高,如1986年的1月能達(dá)到88%,2004年的10月達(dá)72%。
1998年夏季由于降水比較集中,加上暴雨的影響,長(zhǎng)江流域發(fā)生了20世紀(jì)僅次于1954年的特大洪澇(黃榮輝等,1998)。2006年川渝地區(qū)則出現(xiàn)了百年不遇的重伏旱(李永華等,2009)。接下來(lái)對(duì)這兩年的氣溫和降水預(yù)測(cè)進(jìn)行回報(bào)檢驗(yàn)和評(píng)估,初步考察DERF2.0對(duì)極端氣候事件的預(yù)測(cè)能力。
4.1 1998年夏季回報(bào)檢驗(yàn)與評(píng)估
從圖5可知,DERF2.0在1998年6月份回報(bào)結(jié)果顯示全國(guó)大面積氣溫偏低,偏高的區(qū)域主要分布在青藏高原和長(zhǎng)江下游。實(shí)況是新疆西部、東北和長(zhǎng)江下游出現(xiàn)了氣溫偏低,全國(guó)大范圍的氣溫偏高。7月回報(bào)偏低的范圍有所南移,與實(shí)況相比,偏低的區(qū)域范圍偏大。8月回報(bào)的全國(guó)仍然是大部地區(qū)以氣溫偏低為主,實(shí)況是除東北外,全國(guó)北暖南冷??傮w而言,長(zhǎng)江流域6、7月份的氣溫偏低預(yù)測(cè)效果較好,8月較差。DERF2.0回報(bào)的偏冷范圍較實(shí)況要偏大,偏冷區(qū)域與實(shí)況也有所出入。
圖5 1998年全國(guó)6、7、8月氣溫距平,左邊為預(yù)測(cè),右邊為實(shí)況。多年平均為1982~2010年,下同
從圖6可知,DERF2.0在6月回報(bào)全國(guó)大范圍的降水偏多,實(shí)況是雨帶主要位于長(zhǎng)江及以南、東北和新疆西部地區(qū)。7月回報(bào)的雨帶主要位于黃河以南地區(qū),實(shí)況是全國(guó)大范圍的出現(xiàn)了降水偏多。8月回報(bào)全國(guó)大范圍降水偏多,實(shí)況也是全國(guó)大范圍的偏多,只是在河套地區(qū)、華南及長(zhǎng)江下游相對(duì)較差??傮w而言,各月DERF2.0都回報(bào)出了長(zhǎng)江流域的降水偏多,只是在幅度上有所偏弱。
圖6 1998年全國(guó)6、7、8月降水距平百分率,左邊為預(yù)測(cè),右邊為實(shí)況
1998年夏季全國(guó)大范圍的降水偏多,且長(zhǎng)江流域出現(xiàn)了特大暴雨,6、7月份主要出現(xiàn)長(zhǎng)江中下流地區(qū),8月出現(xiàn)在上中游地區(qū)。從表7可知,DERF2.0在6月回報(bào)相對(duì)較差,氣溫和降水的ACC評(píng)分都為負(fù)值,氣溫的同號(hào)率只有41.9%,降水的同號(hào)率也只有46.8%。盡管同號(hào)率評(píng)分較低,但氣溫Pg評(píng)分還是達(dá)到了67.3分,降水得分相對(duì)較低些。預(yù)測(cè)效果最好的是8月,氣溫和降水的ACC評(píng)分都為正值。同號(hào)率和Pg評(píng)分都較6月明顯提高。整個(gè)夏季而言,降水的ACC評(píng)分略高于氣溫。氣溫Pg評(píng)分達(dá)到了71分,降水為56.9分,評(píng)分略低于2010年的全國(guó)業(yè)務(wù)評(píng)分。由此說(shuō)明,對(duì)于出現(xiàn)極端洪澇的1998年,DERF2.0對(duì)氣溫和降水仍然有一定的預(yù)測(cè)性,Pg評(píng)分接近于常年的業(yè)務(wù)水平。
表7 1998年夏季各月全國(guó)氣溫和降水的ACC評(píng)分、Pg評(píng)分和同號(hào)率R
DERF2.0能夠較好地回報(bào)出1998年夏季大范圍的氣溫偏低和降水偏多。這與DERF2.0能夠較好地預(yù)測(cè)出1998年夏季500 hPa高度場(chǎng)上,歐亞中高緯環(huán)流呈兩脊一槽型,中緯度高度場(chǎng)偏低有關(guān)。回報(bào)的1998年夏季氣溫偏低范圍和降水偏多的區(qū)域較實(shí)況都偏大,降水的主要落區(qū)與實(shí)況有所差異,這可能與DERF2.0預(yù)測(cè)的1998年夏季烏拉爾山地區(qū)的阻塞高壓和鄂霍次克海高壓較實(shí)況偏強(qiáng),西太平洋副熱帶高壓(西太副高)較實(shí)況面積偏大,強(qiáng)度偏強(qiáng)有關(guān)(圖略)。
4.2 2006年夏季回報(bào)檢驗(yàn)與評(píng)估
從圖7可知,2006年6月全國(guó)出現(xiàn)了大范圍的氣溫偏高,DERF2.0回報(bào)的氣溫偏低面積較實(shí)況偏大,且回報(bào)的氣溫偏高區(qū)域的增溫幅度較實(shí)況有所偏弱。7月的氣溫預(yù)測(cè)和實(shí)況都是全國(guó)大范圍的偏高。與實(shí)況相比,回報(bào)的氣溫偏低區(qū)域與實(shí)況有所差異。8月DERF2.0預(yù)測(cè)出全國(guó)大范圍的氣溫偏高,西南地區(qū)氣溫偏高的范圍比實(shí)況小??傮w而言,2006年夏季DERF2.0對(duì)氣溫的回報(bào)較好,只是高溫范圍較實(shí)況有所偏小,在程度上有所偏弱。
圖7 2006年全國(guó)6、7、8月氣溫距平,左邊為預(yù)測(cè),右邊為實(shí)況
從圖8可知,DERF2.0對(duì)2006年6月的北方降水回報(bào)較好,對(duì)長(zhǎng)江流域和西南地區(qū)的降水回報(bào)較差。7月DERF2.0對(duì)雨帶的主要位置把握不是很好。對(duì)華北、黃淮的雨帶面積回報(bào)偏大,對(duì)華南的雨帶面積回報(bào)偏小偏弱。8月回報(bào)效果相對(duì)較好,把握住了全國(guó)大范圍的降水偏少形勢(shì),對(duì)西北的降水異常偏少的回報(bào)效果也較好。
圖8 2006年全國(guó)6、7、8月降水距平百分率,左邊為預(yù)測(cè),右邊為實(shí)況
2006年夏季,西南地區(qū)氣溫偏高,川渝地區(qū)出現(xiàn)了極端高溫和嚴(yán)重干旱。DERF2.0對(duì)西南地區(qū)的氣溫回報(bào)6月效果較差,7、8月效果較好。對(duì)于降水的回報(bào)同樣在西南地區(qū)8月份好于6、7月份。從表7可知,對(duì)7、8月回報(bào)的氣溫ACC評(píng)分都為正值,同號(hào)率達(dá)66%以上,Pg評(píng)分更是達(dá)到了75分以上。盡管降水的同號(hào)率要低一些,但各月的降水ACC評(píng)分都為正值,表明DERF2.0對(duì)各月的旱澇總體趨勢(shì)有較好的回報(bào)。降水Pg評(píng)分最低的6月仍然達(dá)到了56.9分。最高的8月甚至達(dá)到了62.2分。整個(gè)夏季而言,氣溫的ACC評(píng)分達(dá)0.12,同號(hào)率高達(dá)65%。由此可知,DERF2.0對(duì)2006年夏季全國(guó)范圍的高溫有較好的回報(bào)效果。夏季氣溫的Pg平均分達(dá)77.6分,降水也接近60分,這兩個(gè)評(píng)分都超過(guò)了2010年的全國(guó)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)平均分。由此表明,對(duì)于極端干旱的2006年,DERF2.0對(duì)降水的預(yù)測(cè)仍然有一定的預(yù)測(cè)性,對(duì)氣溫的預(yù)測(cè)效果明顯好于降水。從表7和表8對(duì)比可知,無(wú)論是氣溫還是降水,DERF2.0對(duì)極端旱年的預(yù)測(cè)效果要明顯好于極端澇年。DERF2.0能夠較好地回報(bào)的2006年夏季大范圍的高溫少雨。這與DERF2.0能夠較好地預(yù)測(cè)出2006年夏季500 hPa高度場(chǎng)上,歐亞中高緯的環(huán)流形式呈兩槽一脊型有關(guān)。回報(bào)的氣溫偏高區(qū)域較實(shí)況偏小,強(qiáng)度偏弱,這可能與DERF2.0預(yù)測(cè)的2006年夏季中緯度地區(qū)高度場(chǎng)偏低范圍較實(shí)況偏大,西太副高較實(shí)況面積偏小,強(qiáng)度偏弱,脊線位置偏南有關(guān)(圖略)。
表8 2006年夏季各月全國(guó)氣溫和降水ACC評(píng)分、Pg評(píng)分和同號(hào)率R
(1)距平相關(guān)系數(shù)ACC反映的是模式的總體預(yù)測(cè)性能。DERF2.0對(duì)月氣溫的總體預(yù)測(cè)性能較 好,較DERF1.0有了較明顯的提升。與過(guò)去全國(guó)的短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)評(píng)分相比,DERF2.0對(duì)氣溫和降水的預(yù)測(cè)都有所提高。DERF2.0對(duì)降水的預(yù)測(cè)水平與DERF1.0相接近,未來(lái)仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。
(2)MSSS為確定性預(yù)報(bào)的主要評(píng)估方法。DERF 2.0對(duì)氣溫的確定性預(yù)測(cè)評(píng)分較差的地區(qū)主要集中在西南地區(qū),尤其是西南的東部地區(qū)。DERF2.0對(duì)于降水的確定性預(yù)測(cè)評(píng)分較低,較差的地區(qū)主要集中于長(zhǎng)江流域及華南地區(qū)。
(3)Pg評(píng)分主要反映的是模式對(duì)預(yù)測(cè)要素在量級(jí)上的把握程度。DERF2.0模式對(duì)各地的氣溫預(yù) 測(cè)在量級(jí)上把握較好,但對(duì)降水的預(yù)測(cè)在等級(jí)上把握較差,黃淮地區(qū)相對(duì)較好,冬季好于其他季節(jié)。DERF2.0未經(jīng)訂正的預(yù)測(cè)結(jié)果略高于2010年的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)評(píng)分。
(4)同號(hào)率反映的是一定范圍內(nèi)預(yù)測(cè)與實(shí)況距平(距平百分率)符號(hào)一致的站點(diǎn)數(shù)占總站點(diǎn)數(shù)的比例。各月的氣溫同號(hào)率達(dá)60%以上,月降水的同號(hào)率低于氣溫。
(5)DERF2.0對(duì)發(fā)生在1998年和2006年的極端旱、澇個(gè)例年也有一定的預(yù)測(cè)能力,對(duì)于氣溫的預(yù)測(cè)好于降水。
盡管DERF2.0對(duì)月氣溫的總體預(yù)測(cè)性能較好,較DERF1.0有了較明顯的提升。但DERF2.0對(duì)降水的預(yù)測(cè)能力仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。但從空間上來(lái)看,DERF2.0對(duì)氣溫和降水的確定性預(yù)測(cè)效果 仍然較差,尤其在我國(guó)的西南地區(qū)。這可能與BCC_AGCM2.0.1模式對(duì)流層的冷中心和大尺度環(huán)流的預(yù)測(cè)偏弱有關(guān)(Chen et al., 2012)。對(duì)北半球冬季環(huán)流場(chǎng)也存在一定的偏差,極渦振蕩的振幅較強(qiáng),振蕩的時(shí)間也有所漂移,平流層極渦存在偏冷、偏強(qiáng)現(xiàn)象,對(duì)流層副熱帶西風(fēng)急流偏弱(劉玉鎮(zhèn)等, 2012),對(duì)熱帶地區(qū)大氣環(huán)流的譜結(jié)構(gòu)比較分散,季節(jié)內(nèi)振蕩的西移波和西太平洋地區(qū)的振蕩都偏強(qiáng),印度洋則偏弱有關(guān)。也可能與BCC_ AGCM2.0.1模式預(yù)測(cè)的間接輻射強(qiáng)迫促使ITCZ變大,全球降水偏少(Wang et al., 2010)有關(guān)。要解決以上問(wèn)題,需要對(duì)模式的各種參數(shù)化進(jìn)一步改進(jìn),并考慮地形影響及海溫等初始場(chǎng)的影響,在不斷調(diào)試、檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)模式系統(tǒng)進(jìn)行再研發(fā)→再驗(yàn)證→再改進(jìn)。
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Temperature and Precipitation Evaluation of Monthly Dynamic Extended Range Forecast Operational System DERF2.0 in China
HE Huigen, LI Qiaoping, WU Tongwen, TANG Hongyu, and HU Zeyong
1,4011472,1000813,,730000
On the basis of the data of 669 observed weather stations supplied by the National Meteorological Information Center and hindcast data of the National Climate Centre second-generation monthly Dynamic Extended Range Forecast operational system (DERF2.0) from 1982 to 2010, temperature and precipitation in the prediction performance were evaluated and analyzed by using the anomaly correlation coefficient (ACC), mean square skill score (MSSS), anomaly sign consistency rate (), and short-term climate prediction operational grading evaluation scores (Pg). The results indicated that the temperature prediction performance of DERF2.0 was significantly better than that of the DERF1.0 operational system in current usage and that the ACC skill score of temperature was noticeably higher than the operational score of the short-range climate forecast. Compared with temperature, the precipitation prediction performance of DERF2.0 was relatively poor. The ACC skill score of precipitation of DERF2.0 was close to that of DERF1.0. DERF2.0 was somewhat skillful in extreme drought and flood years such as 1998 and 2006. Furthermore, the prediction performance of temperature was significantly better than that of precipitation in extreme drought and flood years. From space, the prediction performance of DERF2.0 on the deterministic prediction was poor in the southwest. Thus, DERF2.0 should be improved.
BCC_AGCM, Monthly dynamic extended range forecast, DERF2.0, Monthly prediction, Prediction performance
1006?9895(2014)05?0950?15
P435+.2
A
10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13166
2013?05?02,2014?01?24收修定稿
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“氣候變暖背景下我國(guó)南方旱澇災(zāi)害的變化規(guī)律和機(jī)理及其影響與對(duì)策”2013CB430204,國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“持續(xù)性異常氣象事件預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)研究”2009BAC51B01,中國(guó)科學(xué)院寒旱區(qū)陸面過(guò)程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金LPCC201202,中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用面上項(xiàng)目CMAGJ2013M40,重慶市氣象局業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)面上項(xiàng)目ywgg-201311
何慧根,男,1979年出生,碩士,主要從事短期氣候預(yù)測(cè)和評(píng)估研究。E-mail: hhg0258@163.com