趙俊虎楊杰龔志強封國林（ 國家氣候中心，中國氣象局，北京 0008； 江蘇省氣象局氣候中心，南京 0008）

2013年中國夏季降水動力—統(tǒng)計氣候預測及檢驗分析探討

趙俊虎1楊杰2龔志強1封國林1
（1 國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081；2 江蘇省氣象局氣候中心，南京 210008）

2013年夏季（6—8月），中國降水呈北多南少的異常分布，東北、華北、四川盆地東部及西北大部降水偏多，而淮河流域至江南大范圍地區(qū)及青藏高原等地降水偏少。動力—統(tǒng)計預測和動力統(tǒng)計—診斷預測兩種方法對夏季北方多雨和長江少雨的總體形勢預測基本正確，預測評分（PS）分別為71分和74分，空間距平相關系數(shù)（ACC）分別為0.09和0.20。對西太平洋副熱帶高壓、歐亞阻塞高壓和東北冷渦區(qū)500hPa高度距平場的動力—統(tǒng)計預測結果也較理想，為夏季旱澇分布的診斷預測提供了依據(jù)。指出了目前動力—統(tǒng)計預測可能存在的問題，如預測結果對模式預測能力依賴性強，采用多因子選取相似年時，部分因子與降水之間的物理機制不清晰，等等；并指出了可能的解決途徑，如通過多模式評估和集合預報來克服預測結果對模式的依賴性，通過深入分析因子對降水的影響機制、因子與降水之間年際關系的年代際變化等來解決因子的篩選問題。

夏季降水，高度距平場，動力—統(tǒng)計預測，動力統(tǒng)計—診斷預測

0　引言

夏季（6—8月）降水預測是短期氣候預測的重要內容，也是氣候預測的難點問題[1]。近幾十年來，氣象學者對中國夏季降水的統(tǒng)計規(guī)律、影響機制及預測方法等進行了研究[2-7]，其中預測方法主要有兩類，即統(tǒng)計方法和數(shù)值模式的動力學方法，二者各有優(yōu)缺點，目前普遍的共識是：統(tǒng)計學方法與動力學方法要相互借鑒，融合發(fā)展[8]。研究表明，動力和統(tǒng)計相結合是提高短期氣候預測準確率的有效途徑之一。圍繞兩者如何有效結合的問題，國內外開展了廣泛的研究[9-12]，其中在氣候模式預報基礎上結合數(shù)理統(tǒng)計方法，利用歷史資料信息對模式誤差進行預報是引人注目的研究方向。早在1958年，顧震潮[13]就提出將數(shù)值預報從初值問題改為演變問題，并指出了數(shù)值天氣預報中使用歷史資料的重要性和可行性[14]。丑紀范從理論上探討了在長期預報中動力和統(tǒng)計如何結合的問題[15-17]。在此基礎上，眾多氣象學者從不同的角度建立相似—動力模式[18-22]，發(fā)展了適用于動力季節(jié)預測的相似誤差訂正方法，并進行了預測試驗，其結果顯示這些方法能有效提高熱帶降水和環(huán)流的預報技巧[23-25]。2008年以來，一些研究發(fā)展了利用相似年的模式誤差信息，實現(xiàn)對預報年氣候模式預報誤差預報的季節(jié)降水動力—統(tǒng)計預測（DSP）方法[26-33]，該方法在中國氣象局國家氣候中心（NCC）的2009—2012年夏季降水預測中實現(xiàn)了業(yè)務應用，4年預測評分（PS）平均為73分，空間距平相關系數(shù)（ACC）平均為0.16[34]，體現(xiàn)了較高的預報技巧。

本文回顧了2013年中國夏季降水實況、DSP和動力統(tǒng)計—診斷（DSDP）兩種方法的預測結果，以及西太平洋副高、歐亞阻塞高壓及東北冷渦活動區(qū)500hPa高度場距平的DSP及檢驗，最后指出了目前DSP中存在的一些問題，為進一步完善和細化DSP的理論和技術提供參考。

1　資料和方法

1.1資料

本文采用CMAP的1983—2013年夏季總降水量作為夏季降水實況資料，以NCEP/NCAR再分析月平均位勢高度場作為高度場的觀測資料，模式資料為NCC_CGCM生成的1983—2013年共31年回報和預報的逐月降水場和高度場資料（以上資料水平分辨率均為2.5°×2.5°）。此外，還采用了NCC氣候系統(tǒng)診斷預測室提供的74項月環(huán)流特征量資料和NOAA的40項月氣候指數(shù)（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/ climateindices/list/），時段均為1951年1月—2013年2月。本文取1981—2010年平均值為氣候態(tài)。

1.2預測和檢驗方法

預測方法主要有DSP和DSDP兩種方法。DSP方法在文獻[26]和[34]中均有詳細介紹，具體思路和步驟簡要概述如下：以2013年夏季降水為例，針對不同氣候區(qū)域（將全國分為8個區(qū)域），進行單因子相似誤差訂正1983—2012年交叉檢驗的30年平均ACC從大到小排序，將其中ACC最大值因子作為組合的首選因子，通過逐步增加因子個數(shù)得到不同因子個數(shù)下（因子數(shù)為10個時，ACC較高且穩(wěn)定）預報年前期歷史交叉檢驗ACC評分最高的因子組合，對因子組采用EOF分解提取累積方差貢獻達80%的主分量，通過計算歐氏距離得到因子組合選取的4個相似年，進而選取相似誤差場，結合模式結果得到2013年汛期降水預測圖。

在DSP方法的基礎上，進行了DSDP，其方法簡要概述如下[32-33]：首先針對不同氣候區(qū)域，進行單因子相似誤差訂正交叉檢驗的平均ACC從大到小排序，獲取關鍵預報因子集；對上述各區(qū)所選因子與區(qū)域夏季平均降水量進行相關性檢驗，剔除相關性較差的因子（未通過95%的信度檢驗），并考慮剩余因子潛在的物理意義和合理性，對預測因子進行診斷分析，剔除偽相關因子；對剩余因子不足10個的區(qū)域添加部分前期異常因子，如海溫、大氣遙相關型等；最后利用獲取的新的因子組合，按照DSP方法進行預測。

降水的檢驗方法主要為PS評分和ACC，具體計算方法參見文獻[35]。

2　2013年夏季降水實況及預測

2.12013年夏季降水實況

2013年夏季我國降水整體略偏多，且呈北多南少的分布，降水異常偏多的區(qū)域主要位于東北、華北、四川盆地東部及西北大部，降水偏多兩成以上，四川盆地東部和華南沿海降水也偏多；降水異常偏少的區(qū)域主要位于黃淮南部地區(qū)、江淮地區(qū)和云貴高原至江南一帶地區(qū)，青藏高原中東部和河套西北部降水也偏少（圖1）。夏季東北局部地區(qū)出現(xiàn)了澇災，7月下旬至8月中旬江南出現(xiàn)了罕見的大范圍持續(xù)高溫天氣。

2.2預測結果及檢驗

圖2a為DSP方法預測的2013年汛期降水距平百分率圖。預測主雨帶位于華北南部，東北大部、華南至江南東部、青藏高原東部等地降水偏多，西北和內蒙古大部、西南地區(qū)南部、長江中下游地區(qū)降水偏少；其中華北南部和東北大部、華南南部降水偏多預測正確，西南南部和長江中下游地區(qū)降水偏少預測正確；淮河流域和青藏高原東部地區(qū)降水預測偏多，西北和內蒙古大部降水預測偏少，預測錯誤。預測結果PS評分為71分，ACC為0.09。

此外，利用DSDP方法對2013年夏季降水進行了預測（圖2b），預測主雨帶位于西藏東部至華北南部一帶，內蒙古東部和東北東部、新疆大部、江南東部降水偏多，而西藏西部至青海西部、內蒙古中西部、華北北部至東北西南部、西南大部、華南西部、長江中下游地區(qū)降水偏少。其中對主雨帶的預測接近實況，華北南部、東北北部和東部、新疆大部偏多，長江流域、西南大部降水偏少預報正確；華北北部至東北西南部、華南南部預測降水偏少，江南東部等地預測降水偏多，與實況不符。預測結果PS評分為74分，ACC為0.20。

DSDP方法是在DSP方法的基礎之上，對各區(qū)域因子進行診斷分析之后（8個區(qū)域，每個區(qū)域10個因子），再通過選取相似年提取其誤差，疊加到模式預測結果之上獲得夏季降水預測結果。趙俊虎等[33]以2011年長江中下游地區(qū)為例，對比了兩種預測方法選取因子的差異，指出通過對因子進行診斷篩選后再進行DSP，可以進一步提高預測水平。

3　關鍵區(qū)域高度場的動力—統(tǒng)計預測

環(huán)流異常是降水異常的直接原因。對中國夏季降水而言，東亞夏季風系統(tǒng)是最主要的影響因素，東亞夏季風與中高緯系統(tǒng)的配置形勢等又會造成相同氣候背景下不同區(qū)域的旱澇分布[36]。對關鍵區(qū)域環(huán)流的預測可以為夏季旱澇的大體分布趨勢預測提供參考。趙俊虎等[37]對歐亞中高緯阻塞高壓關鍵區(qū)高度場進行了動力—統(tǒng)計跨季度預測試驗，其方法主要概況如下：（1）分別從NCEP和CGCM的多年回報數(shù)據(jù)中提取夏季平均500hPa高度場觀測資料和模式結果，并求取高度場的預報誤差場，提取氣候因子的逐年冬季季節(jié)平均指數(shù)；（2）分別計算前冬氣候因子與關鍵區(qū)域夏季區(qū)域平均的高度場和模式誤差場的相關系數(shù)，獲取關鍵因子，利用預測年關鍵因子與歷史因子之間的歐式距離選取歷史相似年，將相似年的誤差疊加到預報年的模式結果之上，形成預報結果；（3）通過多年獨立樣本回報結果，確定關鍵因子和相似年個數(shù)，形成最終預報方案。將此方法分別應用到2013年夏季副高區(qū)、歐亞中高緯阻塞高壓區(qū)和東北冷渦區(qū)500hPa高度距平場的跨季度預測。圖3給出了2013年夏季副高（5880gpm等值線）的觀測和預測情況。由圖可見，2013年副高偏強偏西，副高西部北翹；模式系統(tǒng)訂正結果接近氣候態(tài)，DSP方法預測副高偏強偏西，與實況接近，但面積較實況偏大，副高體西部位置也有所差異。

烏拉爾山（40°—50°N，40°—70°E）、貝加爾湖（50°—60°N，80°—110°E）和鄂霍次克海（50°—60°N，120°—150°E）三個區(qū)域是歐亞中高緯阻塞高壓發(fā)生頻次最高的地區(qū)，這三個地區(qū)夏季有無阻塞高壓建立和維持，對中國夏季旱澇分布有較大的影響[38]。圖4給出了2013年夏季三個區(qū)域500hPa高度距平場的觀測和DSP方法預測的情況。由圖4a—4c可見，2013年夏季烏拉爾山至鄂霍次克海西部為負距平控制，不利于阻塞高壓活動。DSP方法預測（圖4d—4f）除貝加爾湖西部地區(qū)外，其余地區(qū)均為負距平，即歐亞中高緯阻塞形勢較弱，以緯向環(huán)流為主。

夏季中國東北冷渦的活動對北方降水也有較大影響[39]。圖5給出了2013年夏季東北冷渦活動區(qū)域500hPa高度距平場的觀測和預測情況。由圖5a可見，2013年夏季東北冷渦活動區(qū)中西部為負距平控制，利于冷渦活動；DSP方法預測均為負距平（圖5b）。由NCC對夏季歐亞中高緯阻塞高壓和東北冷渦二者季節(jié)內活動的檢測（圖略）可見，夏季歐亞中高緯阻塞形勢較弱，東北冷渦活躍，中高緯以緯向環(huán)流為主，不利于冷空氣南下。

根據(jù)夏季副高、歐亞阻塞高壓及東北冷渦的趨勢預測結果，進而預測夏季華北和東北多雨、長江少雨。DSP方法預測結果較好地把握了夏季副高、歐亞阻塞高壓和東北冷渦的主要趨勢，為夏季旱澇分布的趨勢預測提供了診斷依據(jù)。

4　動力—統(tǒng)計預測存在問題的探討

眾所周知，目前短期氣候預測是一個世界性的難題，隨著全球氣候變暖，極端氣候事件頻發(fā)，區(qū)域氣候也發(fā)生了變化，影響我國氣候變化的因素也隨之變化，增大了短期氣候預測的困難。近年來動力—統(tǒng)計預測方法在解決夏季降水預測這一難題上取得了一定進展，該方法在近5年的全國夏季降水預測中表現(xiàn)出了較高的預報技巧，體現(xiàn)了動力—統(tǒng)計相結合的短期氣候預測思路的正確性。該方法利用歷史資料彌補了模式預報誤差，雖然提高了短期氣候預測準確率，但也存在一些問題，如預測結果對模式預測能力依賴性強，若模式結果較差，動力—統(tǒng)計預測的提升空間也很有限；采用多因子選取相似年時，部分因子與降水之間的物理機制不清晰；目前只是對季節(jié)尺度氣候進行了預測，而對季節(jié)內異常氣候過程無能為力；等等。針對以上一些問題，提出以下可能的解決途徑：

1）加強傳統(tǒng)影響因素（ENSO、東亞夏季風、副高、歐亞阻塞高壓及遙相關等）和新的影響因素（平流層大氣環(huán)流、北極海冰和印度洋海溫等）在新的年代際氣候背景下與中國短期氣候，尤其是夏季降水之間關系及其年代際變化的理解和認識。例如，柳艷香等[40]指出，在最近10年，東亞中高緯阻塞高壓出現(xiàn)的頻率增大，但多雨帶位置并沒有出現(xiàn)在長江及以南地區(qū)。這可能與東亞夏季風的年代際恢復性增強有關。此外，以往研究多注重單個系統(tǒng)與夏季降水的關系，在新的氣候背景下，更應注重系統(tǒng)之間的配置及綜合作用。

2）對DSP而言，首先考慮到模式原始預測結果對動力—統(tǒng)計預測結果有重要的影響，因此可在評估多個氣候模式預測結果的基礎上，擇優(yōu)選取若干模式進行預測試驗，并進行集合預測；其次需考慮不同氣候異常情景下預測方案的選取，如在ENSO年和非ENSO年分別用什么預測方案較適合；將動力—統(tǒng)計相結合的思想應用到月、延伸期預報之中，解決異常氣候過程的預測問題；環(huán)流異常是氣候異常的直接因素，因此需加強對環(huán)流的動力—統(tǒng)計預測，再降尺度到降水等要素。NCC近年研發(fā)的第二代氣候系統(tǒng)模式（BCC_CSM）對環(huán)流場有較好的預測技巧[41]，這為提高短期氣候預測水平提供了新的條件。

對以上問題的探索和研究，將有利于提高短期氣候預測的水平，促進我國短期氣候預測業(yè)務的發(fā)展。

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Analysis of and Discussion about Dynamic-Statistical Climate Prediction for Summer Rainfall of 2013 in China

Zhao Junhu1, Yang Jie2, Gong Zhiqiang1, Feng Guolin1
(1 National Climate Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Jiangsu Provincial Climate Center, Nanjing 210008)

The precipitation anomaly distribution over China in the summer of 2013 was seen by the phenomenon of flooding in north and drought in south. More rainfall occurred in northeast China, north China, the eastern Sichuan basin and the most of the northwest China, while less rainfall occurred from the Huaihe river basin to the south of the lower reaches of the Yangtze River, and it also occurred over Tibetan Plateau. Both the dynamic-statistical prediction (DSP) and dynamic statistical-diagnostic prediction (DSDP) have made the approximately correct forecast for the situation of the flood in north and drought in the Yangtze River. The predictive score (PS) is 71 and 74 respectively, while the anomaly correlation coefficient (ACC) is 0.09 and 0.20 respectively. The DSP results of 500hPa height anomalies field in the areas of western Pacific subtropical high, Eurasian blocking high and northeast China cold vortex are ideal, which provided the basis for diagnostic prediction of the summer drought and flood distribution. Finally, the existing problems of DSP were discussed and we pointed out the possible solutions.

summer Rainfall, height anomalies field, dynamic-statistical prediction, dynamic statistical-diagnostic prediction

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.004

2013年12月14日；

2014年4月17日

趙俊虎（1985—），E-mail: zhaojh@cma.gov.cn

資助信息：氣象關鍵技術集成與應用重點項目（CMAGJ2014Z09）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201306021）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2013CB430204）