云南夏季降水異常的影響因子及物理統(tǒng)計預測方法

王秀英 王俊杰

(1 云南省普洱市氣象局， 普洱 665000； 2 普洱學院，普洱 665000)

引言

夏季降水異常是區(qū)域性干旱或洪澇等災害發(fā)生的最直接的決定性因素[1]，汛期降水對國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有極大的影響。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，氣象災害所造成的經(jīng)濟損失也越來越嚴重[2]。因此，通過深入地研究影響夏季降水異常的關鍵物理過程，提前、準確地預測夏季降水對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。

影響中國汛期降水的基本因素是多方面的，包括大氣環(huán)流、準兩年振蕩和太陽活動、天文條件、地球物理因素等[3]。而大氣環(huán)流因子是影響我國天氣變化的重要因素之一[4]。已有的研究表明，前期冬季極渦、北太平洋副熱帶高壓及南亞高壓面積及強度與我國夏季降水關系密切[3,5]。索馬里急流(SMJ)作為最主要的越赤道氣流，影響兩個半球間水汽輸送，可對東亞夏季降水產(chǎn)生影響[6]。冬季和春季印度洋海溫異常年際變率模態(tài)通過改變印度洋和孟加拉灣向長江中游地區(qū)的水汽輸送而影響我國東部夏季降水[7]。強的ENSO循環(huán)不僅直接影響中國東部夏季降水異常，而且能對其他控制東亞夏季風的因子造成影響，進而影響中國東部的降水[8]。超強的El Nio可通過影響菲律賓附近低層異常反氣旋環(huán)流影響我國東部6—7月的降水，熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)活動對8月降水有重要影響[9]。南極濤動(AntArctic Oscillation,AAO)、東亞高緯環(huán)流、南太平洋海平面氣壓、青藏高原冬春積雪等是長江中下游夏季降水的重要影響因子[10-11]。東亞夏季風異?？捎绊扅S淮地區(qū)夏季的降水[12]，北半球高度場環(huán)流異常與海河流域東南部的降水關系密切[13]。歐亞中高緯度高度場異常升高、西風帶異常減弱，黃河流域夏季降水異常減少[14]。對于西南地區(qū)而言，MJO與西南地區(qū)東部夏季降水之間存在著顯著的關系[15]。

云南地處低緯高原，受季風氣候影響，降水主要集中在夏季，夏季降水約占全年總降水量的55%～65%[16]。前期研究表明，5月南亞高壓脊線位置偏北，有利于夏季南海和西太平洋向云南輸送水汽[17]。印度洋暖池中北部、西太平洋暖池西部正異常，西太平洋暖池東北部負異常，有利于低緯高原地區(qū)的水汽和熱量輸送,動力輻合及垂直運動加強，降水增多[18]。印度洋熱帶赤道地區(qū)低層東風加強和高空西風加強、亞洲地區(qū)中高緯度溫度的升高是2002年云南夏季降水顯著減少的重要原因[19]。6—10月熱帶中東印度洋MJO指數(shù)持續(xù)為正，在熱帶印度洋地區(qū)激發(fā)出異常的下沉環(huán)流，使得南亞地區(qū)垂直環(huán)流圈異常減弱，熱帶印度洋向云南輸送的西南暖濕氣流減弱，是導致2009年夏季至秋季云南的降水持續(xù)偏少的成因[20]。

由于對影響短期氣候異常的關鍵物理過程及氣候可預報性缺乏足夠的認識,氣候預測模型的預測能力有限,目前我國短期氣候預測的質(zhì)量遠不能滿足需求[14]。面對復雜的氣候預測問題，近年來提出了年際增量的方法[21-24]，年際增量方法定義為當年的變量值減前一年的變量值。通過變量的轉化可將氣候預測對象由距平轉換為年際增量。這一方法不僅可以反映對流層中層大氣環(huán)流及氣象要素的準兩年變化，可放大相關環(huán)流的異常信號。還可以將氣候預測由距平轉換為由前一年的觀測信息來對后一年進行預測，對氣候預測要素的年際及年代際趨勢變化有很好的預測能力。采用年際增量方法可確實有效提高長江中下游夏季降水的預測技巧[25]，在東北大雪-暴雪日數(shù)的氣候預測上具有較高的預測能力[26]，對云南普洱雨季開始期的的異常年份預測具有較好的效果[27]。而云南夏季降水年際變化大，降水異常的預測較為困難，相關的研究少。鑒于此，我們利用夏季降水變量場及預測因子場年際增量，將氣候預測的對象及因子由距平轉換為年際增量，得到云南夏季降水及預測因子的年際增量。進而利用多元線性回歸的方法，建立云南夏季降水的統(tǒng)計預測模型，并通過53年交叉樣本獨立檢驗和20年的回報檢驗，再次檢驗模型的預測能力。

文中所使用的降水資料為云南省122個氣象觀測站的逐日降水觀測資料，大氣環(huán)流資料使用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)的再分析月平均資料，包括高度場、風場、海平面氣壓場，水平分辨率為2.5°×2.5°，海溫資料同樣來源于NCEP，水平分辨率為1°×1°。所有資料選取時段為1965—2017年共53年。

1 云南夏季降水

云南122個站點分布(圖1a)及夏季平均站點降水變化圖(圖1c)顯示，云南夏季降水具有年際變化大，但年代際變化趨勢不顯著的特點。為分析云南122個站點夏季降水變化是否一致，能否使用全省站點平均值反映云南夏季降水。本文使用經(jīng)驗正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function，EOF)對云南夏季降水進行空間函數(shù)和時間函數(shù)的分解，采用Kaiser的標準公式驗證變量場的主模態(tài)，提取變量距平場的主要信息[28]：

(1)

式中，Xk,k為所分解變量場的第k個方差，K為保留到第K個模態(tài)，λm為保留變量場EOF的特征值，T取0.7[28]。

圖1 1965—2017年云南夏季降水距平EOF第1模態(tài):(a)EOF1與夏季降水距平的相關系數(shù)及空間分布及站點空間分布(圓點)， (b)標準化時間系數(shù)(PC1)及11年滑動平均曲線(折線)，(c)標準化夏季降水及11年滑動平均曲線(折線)，(d)夏季降水年際增量

2 云南夏季降水年際增量環(huán)流形勢及預測因子

使用云南122個氣象觀測站的夏季降水平均值年際增量(圖1d)來分析與云南夏季降水年際增量有關的年際增量環(huán)流。研究發(fā)現(xiàn)，北太平洋副熱帶海區(qū)海水的蒸發(fā)超過降水，其上為副熱帶高壓。北太平洋副熱帶環(huán)流是海洋經(jīng)向上熱輸送的重要系統(tǒng)，是我國乃至全球的重要水汽源地[29]，也是影響我國天氣氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)[30]。從500 hPa(圖2a)、200 hPa(圖略)位勢高度場上可見，東北太平洋上副熱帶高壓較前一年異常偏強，海平面氣壓場上(圖2b)赤道太平洋中部海平面氣壓異常偏高。赤道太平洋中部海平面氣壓為西南-東北向，西南方向上顯著增強。此大氣環(huán)流背景下，云南夏季降水異常增多。700 hPa風場(圖2c)顯示，赤道中太平洋的海平面氣壓異常加強了赤道東風，使赤道中太平洋至南海南部出現(xiàn)東風異常。進而有利于西南至華南地區(qū)偏南風的增強及其水汽的輸送。西南風與青藏高原南部的偏西氣流所形成的低空切變有利于云南夏季降水。同樣的，500 hPa流場(圖2d)表現(xiàn)為歐亞大陸中高緯為氣旋式環(huán)流異常，而巴爾喀什湖至貝加爾湖以東地區(qū)為顯著的反氣旋式環(huán)流異常。導致東亞50°N附近西風減弱，有利于大氣經(jīng)向環(huán)流的加強，阻塞形式增加(中阻型)。對應的中國南部為氣旋式環(huán)流異常，500 hPa等壓面上為上升氣流控制(圖略)，有利于云南區(qū)域氣流的輻合及抬升，夏季降水異常增多。同時巴爾喀什湖南部的異常東北氣流及中國南部的氣旋式環(huán)流異常，有利于青藏高原東部偏北氣流與西南暖濕氣流形成的中空切變，此切變是提供云南地區(qū)夏季降水的一個重要的動力成因(圖2d)。

綜上所述，云南夏季降水較前一年增多的年際增量環(huán)流為，較前一年而言，赤道中太平洋海平面氣壓異常增高，東北太平洋上副熱帶高壓異常偏強，有利于對流層低層西南地區(qū)西南風的增強及低空切變的生成，同時有利于云南區(qū)域水汽的輸送。而歐亞大陸中高緯為氣旋式環(huán)流異常，巴爾喀什湖至貝加爾湖以東地區(qū)為顯著的反氣旋式環(huán)流異常,有利于云南中空切變的生成，上升運動增強。中低空切變是云南夏季降水的主要動力機制。

圖2 1967—2017年云南夏季降水年際增量與同期各環(huán)流因子年際增量的相關系數(shù)： (a)500 hPa位勢高度場,(b)海平面氣壓；(c)700 hPa風場,(d)500 hPa風場, (打點區(qū)表示通過0.05的顯著性水平,下同)

基于云南夏季降水年際增量環(huán)流形勢，我們選取前期顯著相關且具有影響云南夏季降水年際增量變化的物理過程來分析云南夏季降水。

海洋熱容量大，使得海溫的變化存在明顯的持續(xù)性及滯后性，能將大氣環(huán)流的異常信息貯存和記憶，因此海氣相互作用是造成短期氣候變化的重要因子。近年來隨著海溫觀測資料、資料同化技術和資料重構技術的提高，南太平洋海溫異常的研究逐步深入。研究發(fā)現(xiàn)，南太平洋海溫對東亞氣候具有重要影響[31]。通過考察云南夏季降水與2月海溫的年際增量在1967—2017年的相關場，我們選取顯著相關區(qū)域(45°～35°S，85°～75°W)的海溫作為預測因子x1，這一區(qū)域海溫的年際增量與云南夏季降水年際增量相關系數(shù)為-0.59，超過0.01的顯著性水平(圖3a)。Nio 3.4海區(qū)以南位置太平洋海溫偏低時，關鍵區(qū)上空可激發(fā)出反氣旋式環(huán)流異常[32](圖3b)，隨后5月南半球中高緯繞極環(huán)流異常增強，澳大利亞、南太平洋高壓異常增強，南極濤動AAO為異常正位相(圖3c)，此時ENSO異常信號并不強(圖略)。研究指出，AAO可以通過兩個經(jīng)向遙相關，即歐亞經(jīng)向遙相關和太平洋型遙相關來影東亞氣候[33]。弱的AAO正異常，熱帶西太平洋對流減弱，黃淮及華北為反氣旋式環(huán)流異常[25](圖略)。作為能夠反映AAO異常的東南太平洋海溫，前期其異常偏高，隨后夏季巴爾喀什湖至貝加爾湖阻高(中阻型)異常減弱(圖3 d)，我國為反氣旋式環(huán)流異常(圖略)。夏季巴爾喀什湖至貝加爾湖阻高與我國的反氣旋式環(huán)流異常正是影響云南夏季水汽輸送及動力抬升的重要天氣系統(tǒng)(圖2a，圖2d)，因此，我們選取東南太平洋(45°～35°S，85°～75°W)2月海溫作為云南夏季降水的預測因子。

極地對全球變化的響應較敏感，北半球極渦中心出現(xiàn)頻率最高、最集中的區(qū)域是以極地為中心向亞洲北部新地島以東的喀拉海、太梅爾半島和中西伯利亞伸展，另一端伸向加拿大東部[34]。而亞洲極渦強度對北半球極渦面積的影響最大[35]。研究發(fā)現(xiàn)，北半球極渦的異?？梢鸨睒O濤動(Arcti Oscillation,AO)的異常[36](圖4b)。AO依賴于對流層中低層經(jīng)向和緯向風異常對平均氣溫的水平輸送可對東亞大槽進行影響[35]，槽前貝加爾湖地區(qū)對流層中低層存在著明顯的氣旋式環(huán)流異常(圖4 b，c)，此環(huán)流異?？捎绊憱|亞的天氣氣候。因此，我們選取(75°～85°N，130°～145°E)2月海平面氣壓作為預測因子x2。這一區(qū)域海平面氣壓與云南夏季降水年際增量在1967—2017年具有很高的相關，相關系數(shù)為0.45，超過0.01的顯著性水平(圖4a)。前期2月這一區(qū)域海平面氣壓與后期夏季200 hPa在貝加爾湖以東地區(qū)有很好的相關， 前期東亞高緯海平面氣壓異常增高，隨后夏季貝加爾湖以東地區(qū)阻塞形勢顯著增強，此阻高正是云南夏季中空切變線形成的關鍵系統(tǒng)(圖2a，d)，因此我們選取這一區(qū)域的海平面氣壓作為云南夏季降水的預測因子。

圖3 1967—2017年年際增量環(huán)流相關場:(a)云南夏季降水年際增量與2月海溫(x1),(b)x1 與2月1000 hPa風場,(c)x1與5月海平面氣壓,(d)x1與夏季200 hPa 位勢高度

圖4 1967—2017年年際增量環(huán)流相關場:(a)云南夏季降水年際增量與2月海平面氣壓(x2)，(b)x2與2月200 hPa位勢高度，(c)x2與2月500 hPa 風場，(d)x2與夏季200 hPa位勢高度，(e)云南夏季降水年際增量與4月500 hPa位勢高 度，(f)4月500 hPa位勢高度(x3)與夏季500 hPa 風場

此外，極渦與北太平洋副熱帶高壓是影響我國天氣氣候變化最主要的兩個大氣環(huán)流系統(tǒng)[34]。研究發(fā)現(xiàn)前期4月北美(60°～70°N，75°～50°W)500 hPa位勢高度較前一年增高，云南夏季降水增多。這一區(qū)域的平均500 hPa 位勢高度指數(shù)的年際增量與云南夏季降水的年際增量在1967—2017年相關很高，相關系數(shù)為0.47，超過0.01的顯著性水平(圖4e)。因此，我們選取前期4月北美(60°～70°N，75°～50°W)500 hPa 位勢高度的平均指數(shù)作為第3個預測因子x3。前期4月北美繞極環(huán)流與對流層低層西南地區(qū)西南風相關顯著，前期繞極環(huán)流異常增強，后期夏季500 hPa(圖4f)、700 hPa(圖略)等壓面上赤道西太平洋東風異常增強，西南地區(qū)西南風異常增強，有利于南海暖濕氣流向西南地區(qū)輸送。而西南地區(qū)西南風異常正是影響云南夏季降水的重要天氣系統(tǒng)，西南風異常在中緯西風的協(xié)同作用下，有利于云南區(qū)域形成中低空切變，有利于云南夏季降水的增多。

北半球副熱帶高壓是亞洲季風環(huán)流的主要成員之一，其脊線的位置與東亞夏季風有關[37]，其強度、位置變化與我國夏季降水有著密切的聯(lián)系[38]。第四個預測因子是能夠反映前期北半球副熱帶高壓變化的預測因子，它是前期5月(55°～65°N，160°～145°W)平均海平面氣壓年際增量，與云南夏季降水年際增量相關系數(shù)在1967～2017年為-0.55，超過0.01的顯著性水平(圖5a)。前期這一區(qū)域的海平面氣壓與后期夏季30°N附近東北太平洋500 hPa位勢高度有很高的相關。前期這一區(qū)域的海平面氣壓較前一年增加，后期夏季30°N附近東北太平洋上副熱帶高壓較前一年異常減弱(圖5b)，而東北太平洋上副熱帶高壓正是影響云南夏季降水的重要系統(tǒng)(圖2a)，因此我們選取這一區(qū)域的海平面氣壓作為云南夏季降水的預測因子x4。

圖5 1967—2017年年際增量環(huán)流相關場:(a)云南夏季降水年際增量與5月 海平面氣壓(x4),(b)x4與夏季500 hPa位勢高度

研究發(fā)現(xiàn)，前期1月印度半島北部(20°～30°N，70°～80°E)區(qū)域500 hPa位勢高度較前一年增大，云南夏季降水較前一年減少，這一區(qū)域500 hPa平均位勢高度指數(shù)的年際增量與云南夏季降水在1967—2017年相關系數(shù)為-0.45，超過0.01的顯著性水平(圖6a)前期1月印度半島北部500 hPa位勢高度與后期夏季東北太平洋上副熱帶高壓相關顯著(圖略)。前期1月500 hPa這一區(qū)域位勢高度增加，后期夏季印度半島至西太平洋30°N附近為反氣旋式環(huán)流異常(圖6b)，孟加拉灣位勢高度異常增加，不利于孟加拉灣季風槽的加強及云南至中國南部對流層中層的垂直運動的發(fā)展(圖6c，d)。而對流層中層的上升運動正是影響云南夏季降水的重要物理量因子。因此，我們選取前期1月(20°～30°N，70°～80°E)區(qū)域500 hPa位勢高度平均指數(shù)作為另一個預測因子(x5)。

另外，南北半球可通過越赤道氣流進行物理量的強烈交換，前期2月200 hPa位勢高度南半球澳洲以南區(qū)域(50°～65°S，170°～180°E)較前一年增大，(40°～45°S，120°～130°E)區(qū)域較前一年減小，云南夏季降水增多(圖7a)。為描述這種偶極子變化，以200 hPa(50°～65°S，170°～180°E)平均位勢高度和(40°～45°S，120°～130°E)平均位勢高度的差作為偶極子指數(shù)。前期2月南半球澳洲以南區(qū)域偶極子指數(shù)與后期夏季巴爾喀什湖至貝加爾湖以東地區(qū)位勢高度相關顯著。前期2月這一偶極子指數(shù)增加，后期夏季巴爾喀什湖至貝加爾湖以東地區(qū)位勢高度增加，阻塞形勢增強(圖7b)。以上阻高正是影響云南夏季降水的重要系統(tǒng)(圖2a)，因此，我們選取(50°～65°S，170°～180°E)及(40°～45°S，120°～130°E)平均位勢高度的差作為云南夏季降水的預測因子(x6)。

圖6 1967—2017年年際增量環(huán)流相關場:(a)云南夏季降水年際增量與1月500 hPa位勢高度(x5)； (b)x5與夏季500 hPa風場；(c)x5與夏季500 hPa位勢高度；(d)x5與夏季500 hPa 垂直速度

圖7 1967—2017年年際增量環(huán)流相關場:(a)云南夏季降水年際增量與2月200 hPa位勢高度, (b)2月200 hPa相關顯著區(qū)高度差(x6)與夏季500 hPa位勢高度

3 預測模型檢驗

為檢驗以上6個預測因子之間的獨立性，使用Pearson相關系數(shù)對因子間的多重共線性進行了檢驗。若因子間的Pearson相關系數(shù)的絕對值大于0.7，且相關關系顯著時，可判定兩因子在回歸分析中存在多重共線性的可能較大[39]。Pearson相關系數(shù)見表1，因子x1與因子x2相關系數(shù)絕對值最大，為0.39，其余因子間相關系數(shù)絕對值均小0.32。參照以上標準，可判定以上預測因子間不存在多重共線性，因子間相互獨立，可構建預測模型。

表1 預測因子間Pearson相關系數(shù)

采用多元線性回歸分析的方法，使用1967—2017年共51年的以上6個預測因子年際增量來建立云南夏季降水年際增量預測模型。為避免統(tǒng)計預測模型的過度擬合，使用交叉檢驗的方法，將每一年作為預測年，其余年份建立預測模型來預測目標年云南夏季降水年際增量，分別建立51個預測模型進行檢驗。同時還對1998—2017年共20年進行了逐年回報檢驗，逐年回報檢驗是將前期數(shù)據(jù)建立模型，依次預測后一年的云南夏季降水年際增量，以此來檢驗預測模型的預測能力。文中還使用降水距平百分率及相對均方根誤差做了檢驗，表達式為：

(2)

(3)

圖8顯示了云南夏季降水預測值和觀測值在1967—2017年年際增量及降水距平百分率。云南夏季降水年際增量的觀測值和預測值交叉檢驗中相關系數(shù)為0.85，降水年際增量相對均方根誤差為8.0%。對夏季降水年際增量變化超過100 mm的15年中，觀測值與預測值同號率為100%，53%的預測值與觀測值相差小于50 mm，僅1975年預測值與觀測值相差超過100 mm。從圖8b可見預測模型能夠很好地模擬1967—1974年、1987—1994年、2003—2017年的夏季降水距平百分率的變化趨勢。夏季降水距平百分率異常(偏多或偏少)的13年中，觀測值與預測值同號率為85%，有62%的年份預測值能夠準確地預報出夏季降水的異常。而使用國家氣候中心第一代全球海-氣耦合模式(CGCM/NCC)對云南區(qū)域夏季降水預測，預測值和實況值相關系數(shù)小于0.3[41]，通過檢驗和對比，年際增量法對云南夏季降水的預測具有顯著的優(yōu)勢。

圖8 1967—2017年云南夏季降水預測模型交叉檢驗結果: (a)年際增量逐年交叉檢驗,(b)距平百分率年際增量逐年交叉檢驗

圖9a為1998—2017年(20年)的夏季降水年際增量回報檢驗結果，降水年際增量相對均方根誤差為9.1%，觀測值與預測值同號率為80%。夏季降水年際增量變化超過100 mm的5年中，2003年及2009年觀測值與預測值相差大于90 mm，其余3年均小于25 mm。1998—2017年間夏季降水距平百分率異常(偏多或偏少)的8年中，有2年觀測值與預測值符號相反，其余年份預測值能夠準確地預報出夏季降水的異常，且與觀測值相差均小于16%(圖9b)。

圖9 云南夏季降水1998—2017年預測模型回報檢驗結果: (a)年際增量逐年回報檢驗,(b)距平百分率年際增量逐年回報檢驗

4 結論和討論

本文通過分析與云南夏季降水有關的年際增量環(huán)流及相應的物理過程，選取了6個具有物理意義的預測因子，包括:①前期2月南太平洋海溫異常；②前期2月東亞北部海平面氣壓異常；③前期4月北美500 hPa HGT異常；④前期5月太平洋北部海平面氣壓異常；⑤前期1月印度半島北部500 hPa HGT異常；⑥前期2月南半球澳洲以南地區(qū)200 hPa HGT偶極子異常。使用以上預測因子來建立夏季降水的物理統(tǒng)計預測模型。通過對1967—2017年51年的交叉檢驗及1998—2017年的回報檢驗，顯示預測模型對夏季降水的異常變化及逐年的變化趨勢能夠較好地完成預測。

影響短期氣候預測的因子眾多，期間關系復雜?；诮y(tǒng)計模式和動力模式的夏季降水預測水平為60%～70%[25]。國家氣候中心第一代全球海-氣耦合模式在云南夏季降水的預測中，預測值和實況值相關系數(shù)小于0.3[41]。云南夏季降水預測方法的研究仍處于探索階段，在影響夏季降水的物理過程方面仍需探索，未來充分使用動力模式和通過改進統(tǒng)計分析方法，可發(fā)展新的氣候預測方法，提高預測效果。

致謝:作者由衷的感謝李崇銀院士工作站及范可老師、田寶強博士的給予的極大幫助！