我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)方法研究進(jìn)展

劉珂 潘婕 張榮剛

摘要：夏季降水是我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容之一，近幾十年我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)技術(shù)和方法取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著熱帶海洋、歐亞積雪、中緯度環(huán)流形勢(shì)影響東亞夏季降水的物理機(jī)制不斷應(yīng)用在夏季降水預(yù)測(cè)中，新一代氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，多種模式降尺度釋用技術(shù)以及動(dòng)力一統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)逐漸在季節(jié)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮重要作用，我國(guó)夏季降水氣候預(yù)測(cè)能力有了極大提高，我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)逐漸走向以客觀動(dòng)力物理預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)的時(shí)代。

關(guān)鍵詞：模式預(yù)測(cè)；經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)；物理統(tǒng)計(jì)；降水預(yù)測(cè)；夏季

中圖分類號(hào)：P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.005

1 引言

氣候變化已經(jīng)對(duì)全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面產(chǎn)生了廣泛的影響，氣候變化導(dǎo)致的各類極端天氣事件（洪水、干旱、高溫和暴雪等）頻繁發(fā)生川，氣候變化成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一。我國(guó)地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，自然條件復(fù)雜，氣候變暖背景下的東亞季風(fēng)氣候同樣發(fā)生了深刻變化，其年際、年代際尺度的變化對(duì)我國(guó)降水的時(shí)空分布也產(chǎn)生了重大影響。20世紀(jì)70年代末，東亞夏季風(fēng)從相對(duì)較強(qiáng)轉(zhuǎn)向相對(duì)較弱，我國(guó)夏季降水隨之在江淮增加，華北減少，呈現(xiàn)出“南澇北旱”的異常情況。伴隨著每年東亞夏季風(fēng)的暴發(fā)和北進(jìn)，我國(guó)從南到北逐漸進(jìn)入汛期，汛期降水多寡直接影響到我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)層面。近年來，針對(duì)我國(guó)夏季降水的預(yù)測(cè)成為大氣科學(xué)工作者的一個(gè)重要研究方向。

我國(guó)近代短期氣候預(yù)測(cè)的研究工作是從涂長(zhǎng)望（1944年）開始的，早期的夏季降水預(yù)測(cè)通過建立局地降水與大尺度環(huán)流系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)。隨著對(duì)氣候系統(tǒng)中海一陸一氣相互作用的物理過程及其對(duì)氣候影響的理解不斷深入，在短期氣候預(yù)測(cè)方面建立了許多統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力預(yù)測(cè)模型，我國(guó)汛期降水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率也在20世紀(jì)80年代后明顯提高，但仍存在不足：利用任何一種模型方法或單一物理因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，其效果都存在較大的不穩(wěn)定性，原因是預(yù)測(cè)變量在一次預(yù)測(cè)中由多個(gè)預(yù)測(cè)因子共同影響，在另一次預(yù)測(cè)中可能是由少數(shù)甚至某一個(gè)因子起決定作用。為了減小預(yù)測(cè)方法的不確定性，利用多種統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力預(yù)測(cè)方法進(jìn)行集成預(yù)測(cè)，能在一定程度上減小預(yù)測(cè)的不確定性。

本文簡(jiǎn)要回顧了我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)的歷史和現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)概括了目前我國(guó)夏季降水客觀定量化預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中使用的主要預(yù)測(cè)方法。

2 夏季降水預(yù)測(cè)的主要方法

我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)的主要方法有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)/物理統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)值模式方法。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)/物理統(tǒng)計(jì)方法主要是利用預(yù)測(cè)變量在歷史時(shí)期自身所具有的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、前期預(yù)測(cè)因子和預(yù)測(cè)變量歷史資料之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，預(yù)測(cè)未來可能出現(xiàn)的情況；數(shù)值模式方法則是通過利用大尺度環(huán)流模式求解流體力學(xué)方程來預(yù)測(cè)氣候系統(tǒng)的演變情況。

2.1 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法是短期氣候預(yù)測(cè)研究中最早使用的方法。該方法的主要原理是根據(jù)天氣和氣候過去、現(xiàn)在的狀況和近期演變情況對(duì)將來進(jìn)行判斷，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)變量與預(yù)測(cè)因子之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的穩(wěn)定性有關(guān)。一般來說，歷史資料越長(zhǎng)、統(tǒng)計(jì)關(guān)系越穩(wěn)定，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率越高。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)降水主要有三種方法：第一種方法是通過分析降水量曲線的演變趨勢(shì)、周期和韻律等，建立降水量自身的統(tǒng)計(jì)、相似和周期關(guān)系，通過外推進(jìn)行降水預(yù)測(cè)；第二種方法主要是利用氣候系統(tǒng)中的某一個(gè)或某幾個(gè)變量（場(chǎng)）與降水量之間穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，通過氣候要素（場(chǎng)）的特征對(duì)降水量進(jìn)行預(yù)測(cè)；第三種方法是根據(jù)預(yù)報(bào)變量和環(huán)流場(chǎng)間的150d韻律關(guān)系，首先找到與預(yù)報(bào)變量具有高度相關(guān)的氣候變量（場(chǎng)），該要素場(chǎng)具有明顯的150d變化韻律，而后根據(jù)該變化韻律對(duì)預(yù)報(bào)變量進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前業(yè)務(wù)部門仍在使用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法主要有：通過分析降水自身演變規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)；通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)尋找高相關(guān)海表溫度關(guān)鍵區(qū)作為預(yù)測(cè)因子進(jìn)行降水預(yù)測(cè)（如某些地區(qū)夏季降水自身具有的3～8a的周期變化規(guī)律）；利用環(huán)流因子和區(qū)域降水的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（如前冬極渦強(qiáng)度與我國(guó)夏季降水分布格局之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系）進(jìn)行預(yù)測(cè)，或?qū)ふ遗c區(qū)域降水偏多偏少具有顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系的環(huán)流因子建立點(diǎn)聚圖進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用500hPa高度場(chǎng)具有預(yù)測(cè)意義的環(huán)流系統(tǒng)（如烏拉爾上阻塞高壓）自身變化規(guī)律進(jìn)行夏季降水預(yù)測(cè)。雖然經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法在以往夏季降水預(yù)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但它也存在一定缺陷，即歷史回報(bào)時(shí)擬合率很高，但實(shí)際預(yù)測(cè)中準(zhǔn)確率較低，原因是利用統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)的所謂“規(guī)律”并不一定是客觀存在的規(guī)律，可能只是自然界的一種“隨機(jī)分布”，因此沒有物理基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法不是短期氣候預(yù)測(cè)的主要途徑。

2.2 物理統(tǒng)計(jì)方法

20世紀(jì)80年代以后，隨著海一氣相互作用、陸一氣相互作用、大氣遙相關(guān)、低頻振蕩等理論研究的不斷深人，短期氣候預(yù)測(cè)逐漸轉(zhuǎn)向利用大氣環(huán)流、海一氣相互作用、陸一氣相互作用、大氣遙相關(guān)等氣候動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行形勢(shì)預(yù)測(cè)。目前短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)上主要使用的物理統(tǒng)計(jì)方法主要包括：利用海表溫度（SST）、ENSO循環(huán)、西太平洋暖池對(duì)流與我國(guó)夏季旱澇的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用季風(fēng)、熱帶環(huán)流、高原積雪等物理因子與我國(guó)夏季旱澇之間的物理影響機(jī)制進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用大氣環(huán)流異常特征與旱澇的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)弱趨勢(shì)、位置的持續(xù)性、轉(zhuǎn)折性與夏季旱澇的相關(guān)、相似性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)測(cè)；根據(jù)冬季大氣環(huán)流異常、夏季東亞阻塞高壓形勢(shì)、大氣遙相關(guān)結(jié)構(gòu)與夏季降水的相關(guān)、相似性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)因子中，青藏高原熱狀況、亞洲季風(fēng)、中緯度阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱西太副高）和ENSO事件是最重要的5個(gè)因素，也是我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中關(guān)注的幾個(gè)主要前兆信號(hào)和預(yù)測(cè)依據(jù)。在具體預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，我國(guó)國(guó)家氣象局氣候中心分別就高原積雪、200hPa緯向風(fēng)（前兆季風(fēng)指數(shù)）、西太副高（強(qiáng)度、脊線位置，西伸脊點(diǎn)位置等）、Nino3.4區(qū)（5°N-5°S，120°W-170°W）SST等重要的我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)指示因子的現(xiàn)狀以及模式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)時(shí)發(fā)布。根據(jù)發(fā)布的這些具有預(yù)測(cè)意義的環(huán)流因子，結(jié)合其與我國(guó)夏季降水之間的物理預(yù)測(cè)模型進(jìn)行夏季降水預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)因子與我國(guó)夏季降水間的物理預(yù)測(cè)模型簡(jiǎn)要概述如下：

（1）青藏高原冬季積雪影響我國(guó)夏季降水的物理概念模型。冬季高原積雪偏多（少），春季高原感熱偏弱（強(qiáng)），引起上升運(yùn)動(dòng)較弱，不利于（有利于）高原感熱通量向上輸送，高原上空對(duì)流層加熱弱（強(qiáng)），對(duì)流層溫度低（高），導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)偏弱（強(qiáng)），長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)降水易偏多（少）。

（2）亞洲夏季風(fēng)影響我國(guó)夏季降水的物理模型。東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，對(duì)流層低層亞洲熱低壓偏強(qiáng)（弱），西太副高位置偏北（南）、面積偏?。ù螅?，南亞高壓偏弱（強(qiáng)），長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣流以下沉（上升）為主、降水偏少（多），華北地區(qū)氣流以上升（下沉）為主、降水偏多（少）。預(yù)測(cè)夏季風(fēng)強(qiáng)弱的前期環(huán)流指標(biāo)主要有前兆季風(fēng)指數(shù)、冬季風(fēng)強(qiáng)弱、ENSO事件等。

（3）中高緯度阻塞高壓影響我國(guó)夏季降水的物理模型。中高緯度阻塞高壓通過擾動(dòng)動(dòng)量的向南輸送，從而改變中緯度地區(qū)的平均西風(fēng)強(qiáng)度，進(jìn)而影響副熱帶高壓的狀態(tài)及其南北進(jìn)退，最終決定雨帶的位置和維持時(shí)間。一般來說，“雙阻型”和“西阻型”環(huán)流形勢(shì)一般對(duì)應(yīng)長(zhǎng)江以南的強(qiáng)降水，“東阻型”對(duì)應(yīng)長(zhǎng)江中下游和華南地區(qū)的強(qiáng)降水。

（4）西太副高影響我國(guó)夏季降水的物理模型。西太副高與我國(guó)夏季降水關(guān)系最密切的特征是脊線和西伸脊點(diǎn)。西太副高脊線偏北（南）時(shí)，西南季風(fēng)偏北（南），梅雨鋒位于黃河流域（江淮流域），西太副高外圍的暖濕氣流主要輸送至黃河流域（江淮），黃河流域（江淮）降水偏多，我國(guó)夏季降水整體表現(xiàn)為北多（少）南少（多）。西太副高南北位置正常時(shí)西伸脊點(diǎn)偏西，有利于副高南側(cè)暖濕氣流深入我國(guó)大陸，有利于大部分地區(qū)的降水，其中長(zhǎng)江中游至黃河下游易出現(xiàn)異常強(qiáng)降水；西伸脊點(diǎn)偏東時(shí)，降水多集中在我國(guó)東部沿海地區(qū)。

（5）ENSO事件影響我國(guó)夏季降水的物理模型。ENSO事件與東亞季風(fēng)間的關(guān)系異常復(fù)雜，對(duì)其物理機(jī)制目前還未完全認(rèn)識(shí)清楚。但是，ENSO事件與我國(guó)夏季降水具有顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)ENSO事件處于發(fā)展階段時(shí)，我國(guó)江淮地區(qū)降水偏多，黃河流域、華北和江南地區(qū)降水偏少；當(dāng)ENSO事件處于衰減階段時(shí)，江淮地區(qū)降水偏少，黃河流域、華北、江南和華南地區(qū)降水可能偏多。

2.3 數(shù)值模式方法

全球大氣計(jì)劃中的THORPEX科學(xué)計(jì)劃報(bào)告中說“數(shù)值預(yù)測(cè)的成功是20世紀(jì)最重大的科技和社會(huì)進(jìn)步之一”。由于數(shù)值預(yù)測(cè)方法是從大氣內(nèi)部的物理規(guī)律出發(fā)建立數(shù)學(xué)物理模型，用數(shù)學(xué)物理方法并借助巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)來預(yù)測(cè)未來天氣變化，因此相對(duì)于天氣學(xué)的定性預(yù)測(cè)以及統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)來說更有優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛用于短期、中期、月、季天氣預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中。已有研究表明，大氣環(huán)流模式（GCM）能很好地預(yù)測(cè)出全球變化的主要大尺度環(huán)流形勢(shì)，特別是能較好地預(yù)測(cè)熱帶地區(qū)對(duì)流層的大氣環(huán)流形勢(shì)。Climate Forecast Sys-tem （CFS）和IAP2_L GCM（中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所兩層模式）都能成功模擬出亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)、主要降水中心以及大尺度環(huán)流系統(tǒng)的氣候及年際尺度的變化越勢(shì)，同時(shí)也能“抓住”東亞大部分地區(qū)梅雨帶的降水中心、量值以及北跳的規(guī)律。但是，對(duì)降水的預(yù)測(cè)隨模式、區(qū)域和季節(jié)的不同，預(yù)測(cè)性能存在較大差異。我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中，基于BCC -AGCM2.2（國(guó)家氣候中心大氣環(huán)流模式）的月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)（DERF2.0）已經(jīng)進(jìn)入了每日定時(shí)運(yùn)行階段?；貓?bào)技15分析表明，DERF2.0對(duì)全球熱帶和副熱帶地區(qū)的氣溫和降水有一定的預(yù)測(cè)能力，但在我國(guó)中西部地區(qū)的預(yù)測(cè)水平還不高。目前，國(guó)際上包括歐洲中期數(shù)值預(yù)測(cè)中心（ECMWF）、英國(guó)氣象局（UKMO）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）等在內(nèi)的主要業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)均在利用區(qū)域耦合氣候模式開展季節(jié)內(nèi)到季節(jié)一年際尺度的短期氣候預(yù)測(cè)，這也是未來我國(guó)短期氣候動(dòng)力預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。

2.4 動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法相結(jié)合

GCM對(duì)局地區(qū)域特征和動(dòng)力過程的預(yù)測(cè)能力極其有限，尤其是熱帶外降水。目前有兩種方法可以彌補(bǔ)這一不足：一是發(fā)展更高分辨率的GCM；二是采取降尺度方法。第一種方法需要大量的計(jì)算機(jī)，同時(shí)GCM仍有一些固有問題，而第二種方法應(yīng)用得更廣泛，降尺度方法包括動(dòng)力降尺度和統(tǒng)計(jì)降尺度。動(dòng)力降尺度方法是將GCM的輸出場(chǎng)作為邊界條件，嵌套區(qū)域氣候模式，獲得更高分辨率的回報(bào)結(jié)果，研究表明動(dòng)力降尺度在預(yù)測(cè)、模擬東亞季風(fēng)、降水上具有更好的回報(bào)能力，同時(shí)對(duì)極端降水也有更好的回報(bào)表現(xiàn)。目前，我國(guó)在短期氣候預(yù)測(cè)中使用的區(qū)域氣候模式主要包括PRECIS（ProvidingRegional Climates for Impacts Studies）、RegCM（RegionalClimate Model Version）系列、WRF（Weather ResearchForecast）模式等。

相對(duì)于動(dòng)力降尺度，統(tǒng)計(jì)降尺度是另外一種將有效的大尺度環(huán)流引入局地、區(qū)域變量的途徑，它能揭示一個(gè)或多個(gè)大尺度氣象背景場(chǎng)（預(yù)測(cè)因子）和局地變量（預(yù)測(cè)量）之間的穩(wěn)定關(guān)系，即將大尺度信息投射到局地變量上，利用預(yù)測(cè)因子和預(yù)測(cè)量之間的關(guān)系進(jìn)行區(qū)域要素預(yù)測(cè)。典型相關(guān)分析如CCA（典型相關(guān)性分析）、SVD（奇異值分解）、EOF（經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)）、多元線性回歸等方法是目前統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)測(cè)中最常見的幾種。除此之外，還根據(jù)GCM在熱帶具有較強(qiáng)模擬能力的特點(diǎn)，建立了熱帶大氣環(huán)流與區(qū)域預(yù)測(cè)變量的預(yù)測(cè)模型——熱帶相似理論。Lang X.M.等的研究表明，熱帶相似理論顯著提高了東亞夏季降水的預(yù)測(cè)能力。我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)中，動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)（FODAS）就是以氣候模式（BCC_CGCM）為動(dòng)力核心來分析模式誤差，以歷史相似作為統(tǒng)計(jì)手段進(jìn)行的針對(duì)性預(yù)測(cè)。業(yè)務(wù)實(shí)踐中相對(duì)于其他預(yù)測(cè)方法，F(xiàn)ODAS表現(xiàn)出更強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。

3 夏季降水預(yù)測(cè)的展望

夏季降水預(yù)測(cè)是短期氣候預(yù)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前的短期氣候預(yù)測(cè)在預(yù)測(cè)方法和預(yù)測(cè)理論方面都已經(jīng)取得了眾多研究成果，并發(fā)展了許多效果較好的預(yù)測(cè)模型，短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)水平有了顯著提高。在氣候系統(tǒng)觀測(cè)資料和氣象理論方面取得較大進(jìn)展的當(dāng)下，我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)方法呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

（1）隨著氣候動(dòng)力學(xué)理論和短期氣候變化物理過程研究的深入，更多的前兆預(yù)測(cè)信號(hào)和影響因子及其影響機(jī)制被揭示出來。總結(jié)對(duì)區(qū)域降水變化具有顯著影響的影響因子和預(yù)測(cè)因子，提取具有前兆意義的預(yù)測(cè)指標(biāo)、強(qiáng)信號(hào)，比如前冬歐亞積雪異常的預(yù)測(cè)信號(hào)等，建立預(yù)測(cè)模型并將其應(yīng)用在夏季降水預(yù)測(cè)中。

（2）使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法選取預(yù)測(cè)因子時(shí)，盡量選取經(jīng)過數(shù)值模式驗(yàn)證、動(dòng)力學(xué)研究證實(shí)的具有一定物理基礎(chǔ)的高水準(zhǔn)預(yù)測(cè)因子，選取通過更高統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)水準(zhǔn)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，減少缺乏物理機(jī)制和不符合動(dòng)力規(guī)律帶來的不確定性。

（3）隨著動(dòng)力預(yù)測(cè)技術(shù)的不斷提高，在夏季降水預(yù)測(cè)中越來越多地使用動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)氣候模式的解釋應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)動(dòng)力預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法的結(jié)合，完善模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)。