為什么NCEP-CFSv2模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)性能較好

楊洪卿 范可 田寶強(qiáng) 華維

1 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），珠海 519082

2 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國(guó)際研究中心，北京 100029

1 引言

由于海陸熱力差異的影響，冬半年在歐亞大陸對(duì)流層低層形成一個(gè)季節(jié)性大氣活動(dòng)中心—西伯利亞高壓。作為東亞冬季風(fēng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，西伯利亞高壓是影響歐亞地區(qū)冬季氣溫和降水年際變率的主要因子之一（施能等,2000;龔道溢等,2002;Gong and Ho,2002;李勇等,2007;Hasanean et al.,2013）。同時(shí)，其強(qiáng)度和位置的變化會(huì)對(duì)歐亞地區(qū)極端低溫、降水以及霧霾等天氣事件產(chǎn)生影響（楊蓮梅等,2006;麻巨慧等,2009;Iqbal et al.,2013;Jia et al.,2015;Zhang et al.,2016;Song and Wu,2017;Riaz and Iqbal,2017）。例如，2012年1～2月歐亞大陸極端低溫事件發(fā)生時(shí)，西伯利亞高壓強(qiáng)度達(dá)到1979年以來(lái)的最大值（Wu et al.,2017）。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)西伯利亞高壓強(qiáng)度對(duì)歐亞地區(qū)冬季氣候形勢(shì)的預(yù)測(cè)有著重要意義。

西伯利亞高壓在動(dòng)力和熱力因子共同作用下形成，地表輻射冷卻和大尺度下沉運(yùn)動(dòng)是高壓加強(qiáng)和維持的主要原因（Ding and Krishnamurti,1987;Ding,1990;丁一匯等,1991;謝安等,1992）。在全球變暖的背景下，冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度在1975年前后有明顯的減弱趨勢(shì)（Sahsamanoglou et al.,1991;龔道溢和王紹武,1999;Panagiotopoulos et al.,2005）。此外，已有研究表明11月與12～1月西伯利亞高壓強(qiáng)度的關(guān)系存在年代際變化，1978年之前11月與12～1月西伯利亞高壓強(qiáng)度一致變化，之后相反（Chang and Lu,2012）。進(jìn)一步研究表明，造成1978年以后11月與12～1月西伯利亞高壓強(qiáng)度相反的原因是9月北極海冰對(duì)11月與12～1月北極地區(qū)熱通量、北大西洋風(fēng)暴軸和烏拉爾山阻塞高壓頻次的響應(yīng)不同（Lü et al.,2019）。

已有研究表明，西伯利亞高壓強(qiáng)度不僅受北極濤動(dòng)、北大西洋風(fēng)暴軸等大氣內(nèi)部變率的影響，同時(shí)也受海溫、海冰以及積雪等下墊面變化的影響（Wagner,1973;Parkinson,1990;Gong et al.,2001;曾鼎文等,2015;李棟梁和藍(lán)柳茹,2017）。冬季北極濤動(dòng)處于負(fù)位相時(shí)，冬季的西伯利亞高壓強(qiáng)度越強(qiáng)，東亞冷涌事件頻發(fā)（Gong et al.,2001;Park et al.,2011）。同時(shí)，當(dāng)冬季北大西洋風(fēng)暴軸位置偏北時(shí)，高緯地區(qū)的西風(fēng)增強(qiáng)，使得冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱（曾鼎文等,2015）。除了大氣內(nèi)部變率對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度的影響，9月巴倫支?！：１臏p少會(huì)使冬季極地至中高緯的經(jīng)向溫度梯度減弱，西伯利亞地區(qū)緯向西風(fēng)減弱，更多的冷空氣在此地堆積，冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)（Parkinson,1990;武炳義等,2011;Chen et al.,2018;武炳義,2018）。冬季北大西洋海溫異常通過(guò)影響烏拉爾山阻塞高壓的強(qiáng)度，也造成同期西伯利亞高壓強(qiáng)度的變化（李棟梁和藍(lán)柳茹,2017）。此外，冬半年歐亞大陸積雪的變化會(huì)對(duì)歐亞地區(qū)大氣環(huán)流以及東亞地區(qū)氣候造成影響（Wagner,1973;Barnett et al.,1988;葛旭陽(yáng)和周霞瓊,2001;Robinson and Kukla,2010;陳紅,2017;Xu et al.,2018）。對(duì)于西伯利亞地區(qū)而言，10月該地區(qū)積雪覆蓋率異常增加，造成10～11月對(duì)流層低層向平流層傳播的波活動(dòng)通量增加，平流層增暖，使得冬季平流層向?qū)α鲗拥蛯觽鞑サ牟ɑ顒?dòng)通量加強(qiáng)，對(duì)流層低層位勢(shì)高度降低，冬季北極濤動(dòng)出現(xiàn)負(fù)位相（Cohen et al.,2001;Cohen and Fletcher, 2007;Jaiser et al.,2013）。同時(shí)，歐亞地區(qū)積雪覆蓋率的變化也會(huì)通過(guò)改變地表輻射收支影響對(duì)流層低層大氣環(huán)流系統(tǒng)（Cohen and Rind,1991;Cohen,1994;陳海山和孫照渤,2003;張?zhí)煊畹?2007）。

目前，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的氣候模式對(duì)東亞冬季風(fēng)的預(yù)測(cè)能力非常有限，其中對(duì)風(fēng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)能力由赤道向中高緯地區(qū)遞減，且利用中高緯關(guān)鍵系統(tǒng)定義的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度則更低（張剛,2012;Yang and Lu,2014;Tian et al.,2018）。西伯利亞高壓是東亞冬季風(fēng)中高緯系統(tǒng)的重要組成部分，科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)估和提高西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)能力將有助于東亞冬季風(fēng)預(yù)測(cè)能力的提升。本文利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心第二代氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)（NCEP-CFSv2，National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System,version 2）對(duì)冬半年（11～2月）及逐月西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行系統(tǒng)地評(píng)估，進(jìn)而分析西伯利亞高壓的可預(yù)測(cè)來(lái)源和原因，為改進(jìn)氣候模式對(duì)西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)效能提供基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心—國(guó)家大氣研究中心1948～2019年月平均再分析資料（Kalnay et al.,1996），包括海平面氣壓場(chǎng)、經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)和緯向風(fēng)場(chǎng)等水平分辨率為2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）的大氣環(huán)流資料以及0～10 cm土壤溫度、對(duì)外長(zhǎng)波輻射通量、潛熱通量和感熱通量場(chǎng)等高斯格點(diǎn)的地表資料。同時(shí)，采用美國(guó)羅格斯大學(xué)全球積雪實(shí)驗(yàn)室1966～2019年分辨率為89個(gè)格點(diǎn)（緯向）×89個(gè)格點(diǎn)（經(jīng)向）積雪覆蓋率資料，積雪覆蓋率表示格點(diǎn)內(nèi)積雪覆蓋面積與總面積之比（Robinson and Kukla,2010）。為了便于對(duì)該積雪覆蓋率資料進(jìn)行分析，將其雙線性插值為2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）。

NCEP-CFSv2模式是美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心研制的第二代海洋—陸地—海冰—大氣全耦合的實(shí)時(shí)動(dòng)力預(yù)測(cè)系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)的時(shí)間段為1982～2019年，由1982～2010年的回報(bào)試驗(yàn)和2011～2019年的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果共同組成，其中每月隔5天分別從00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)、18時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）這四個(gè)時(shí)刻的初始場(chǎng)開(kāi)始積分，共24～28個(gè)集合成員回報(bào)當(dāng)月并對(duì)未來(lái)8個(gè)月進(jìn)行預(yù)測(cè)，其分辨率為1°（緯度）×1°（經(jīng)度）（Saha et al.,2014）。例如，模式10月預(yù)測(cè)11月的結(jié)果即為模式提前1個(gè)月起報(bào)的結(jié)果，依次類推模式10～5月預(yù)測(cè)11月的結(jié)果即為模式提前1～6個(gè)月對(duì)11月預(yù)測(cè)的結(jié)果。GloSea5（Global Seasonal forecast system version 5）模式是英國(guó)氣象局研制的第五代大氣、陸地、海洋和海冰全耦合的全球季節(jié)至季節(jié)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)。其英國(guó)氣象局版本數(shù)據(jù)的時(shí)間段為1993～2019年，由1993～2015年的回報(bào)試驗(yàn)和2016～2019年的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果共同組成，對(duì)未來(lái)5個(gè)月進(jìn)行預(yù)測(cè)，其分辨率為1°（緯度）×1°（經(jīng)度）（MacLachlan et al.,2015）。

為了便于分析和評(píng)估，本文采用雙線性插值將模式資料插值成與觀測(cè)資料相同的分辨率，同時(shí)利用時(shí)間相關(guān)系數(shù)（TCC）、空間相關(guān)系數(shù)（PCC）及均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)來(lái)評(píng)估NCEPCFSv2模式對(duì)西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)能力。此外，本文利用信噪比（SNR）的方法[公式（1）至公式（6）]評(píng)估集合模式的潛在可預(yù)測(cè)性（Phelps et al.,2004;Peng et al., 2011）。假設(shè)集合模式完美，模式集合平均的氣候態(tài)為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的結(jié)果，將各子集合成員相對(duì)于集合平均的內(nèi)部變率定義為模式的噪音[公式（1）至公式（4）]，集合平均的變率則看作可預(yù)測(cè)的部分，稱為模式的外部變率，即信號(hào)[公式（1）和公式（5）]。SNR為信號(hào)和噪音的比值[公式（6）]。因此，SNR越大表明模式潛在可預(yù)測(cè)性越高。

信噪比（SNR）的計(jì)算公式如下：

其中，A為模式預(yù)測(cè)的海平面氣壓場(chǎng)，i為模式中的某一個(gè)集合成員（M為集合成員的總數(shù)），α為模式預(yù)測(cè)的具體年份（Y為總的年份的長(zhǎng)度），Aˉα為模式預(yù)測(cè)的每一年集合平均的結(jié)果，Aˉ為模式預(yù)測(cè)的集合平均的氣候態(tài)， σ2E為模式可預(yù)測(cè)的信號(hào)，σ2I為模式的噪音，SNR為信噪比。

本文采用Gong and Ho（2002）定義的西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)（SHI）即海平面氣壓場(chǎng)的區(qū)域（40°～60°N，70°～120°E）平均值，選取11～2月（+1）作為北半球的冬半年，利用1982～2018年NCEP-CFSv2模式提前1～6個(gè)月的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)冬半年平均及逐月SHI的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。

3 NCEP-CFSv2 模式對(duì)冬半年及逐月西伯利亞高壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效能

3.1 實(shí)際預(yù)測(cè)效能

首先，利用NCEP-CFSv2模式對(duì)冬半年及逐月西伯利亞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效能進(jìn)行評(píng)估。圖1a為1982～2018年冬半年（11～2月）及逐月觀測(cè)和NCEP-CFSv2模式提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的SHI之間的時(shí)間相關(guān)系數(shù)（TCC），結(jié)果顯示模式對(duì)12月、1月、2月及冬半年平均的SHI的預(yù)測(cè)能力較低，其TCC接近于0甚至為負(fù)值。值得注意的是，模式對(duì)11月西伯利亞高壓具有較好的預(yù)測(cè)效能。1982～2018年，模式除了提前2個(gè)月對(duì)11月SHI預(yù)測(cè)TCC為0.23，未通過(guò)0.1的顯著性水平外，提前1、3、4、5和6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月SHI的TCC分別為0.36、0.43、0.42、0.28和0.37，均通過(guò)0.1的顯著性水平。模式提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的冬半年及逐月SHI的均方根誤差（RMSE）顯示11月的RMSE最小（圖1b）。其中，提前1個(gè)月起報(bào)時(shí)，11月SHI的RMSE為1.12，而12月、1月、2月及冬半年SHI的RMSE分別為1.37、1.40、1.23和1.43。故NCEP-CFSv2模式提前1～6個(gè)月對(duì)11月SHI的預(yù)測(cè)效能較之冬半年、12月、1月和2月相比是最好。

圖1 （a）1982～2018年冬半年（11月至次年2月）及逐月觀測(cè)與NCEP-CFSv2（National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System, version 2）提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)（SHI）的時(shí)間相關(guān)系數(shù)（TCC），虛線為0.1的顯著性水平；（b）NCEPCFSv2提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的SHI的均方根誤差（RMSE）Fig.1(a)Temporal correlation coefficient (TCC)of the Siberian high intensity index(SHI)during 1982–2018 in winter time(November–February),November,December,January,and February between the observed and predicted data by the National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System version 2(NCEP-CFSv2)with 1-to 6-month leads.The dotted linesindicate significance at the 0.1 significance level.(b)Root mean square error (RMSE)of the SHI predicted by the NCEP-CFSv2 with 1-to 6-month leads

同時(shí)，選取GloSea5模式和NCEP-CFSv2模式重合的時(shí)間段（1993～2018年）比較兩個(gè)模式提前1～4個(gè)月對(duì)11月西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)能力（圖略）。在1993～2018年NCEP-CFSv2和GloSea5模式提前1個(gè)月對(duì)11月SHI具有較好的預(yù)測(cè)能力。然而，較NCEP-CFSv2模式而言，GloSea5模式前2～4個(gè)月對(duì)11月SHI的預(yù)測(cè)能力較差，其TCC分別為?0.01，?0.24，0.22（均未通過(guò)0.1的顯著性水平）。

進(jìn)一步分析NCEP-CFSv2模式對(duì)11月西伯利亞地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)的預(yù)測(cè)能力。由1982～2018年觀測(cè)和NCEP-CFSv2模式提前1個(gè)月和6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月海平面氣壓場(chǎng)的氣候態(tài)可知，11月觀測(cè)和模式預(yù)測(cè)的西伯利亞高壓地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)不僅空間分布基本一致（圖2a–c），而且在高壓關(guān)鍵區(qū)內(nèi)（40°～60°N，70°～120°E）平均的海平面氣壓值也相同，均為1026 hPa。觀測(cè)和模式預(yù)測(cè)的西伯利亞高壓氣候態(tài)之間的空間相關(guān)系數(shù)（PCC）也顯示提前1～6個(gè)月時(shí)PCC均達(dá)0.6以上，通過(guò)0.01的顯著性水平（圖2f）。但是，較觀測(cè)而言，NCEP-CFSv2模式對(duì)高壓中心強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力略偏低為1032 hPa（觀測(cè)為1035 hPa）。在貝加爾湖東北部地區(qū)，模式提前1個(gè)月和6個(gè)月預(yù)測(cè)的海平面氣壓氣候態(tài)較觀測(cè)偏高（圖2d,e）。

圖2 1982～2018年11月（a）觀測(cè)、NCEP-CFSv2提前（b）1個(gè)月和（c）6個(gè)月預(yù)測(cè)的海平面氣壓的氣候平均（單位：hPa）；提前（d）1個(gè)月和（e）6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月海平面氣壓場(chǎng)氣候態(tài)差值（模式－觀測(cè)）；（f）觀測(cè)和提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的西伯利亞地區(qū)（40°～60°N，70°～120°E）海平面氣壓氣候態(tài)的空間相關(guān)系數(shù)（PCC），0.01的顯著性水平對(duì)應(yīng)的PCC為0.24Fig.2 Climatological mean of (a)the observed and NCEP-CFSv2 predicted data of the(b)1-month and(c)6-month lead sea level pressure(unit:hPa)in November during 1982–2018.Climatological differences between the NCEP-CFSv2 predicted data with (d)1-month and (e)6-month leads and observed sea level pressure in November.(f)Spatial correlation coefficient between the observed and predicted sea level pressure anomalies in November at 1-to 6-month leadsover theregion (40°–60°N，70°–120°E).The PCCvalueof 0.24 representsthe 0.01 significancelevel

此外，評(píng)估模式對(duì)西伯利亞高壓地區(qū)海平面氣壓異常的預(yù)測(cè)能力。由圖3可以看出，模式提前1～6個(gè)月對(duì)海平面氣壓場(chǎng)的預(yù)測(cè)能力均較好，大部分地區(qū)通過(guò)0.01的顯著性水平。在高壓關(guān)鍵區(qū)內(nèi)，隨著提前預(yù)測(cè)時(shí)間不同，海平面氣壓場(chǎng)預(yù)測(cè)效能最好的區(qū)域有所不同，其中提前1、2和5個(gè)月時(shí)，模式在西伯利亞西部地區(qū)有較高的預(yù)測(cè)能力（圖3a，b，e）；而提前3、4和6個(gè)月起報(bào)時(shí)，模式對(duì)其中部和北部地區(qū)的預(yù)測(cè)效能較好（圖3c，d，f）。因此，NCEP-CFSv2模式提前1～6個(gè)月能有效地預(yù)測(cè)11月西伯利亞地區(qū)的海平面氣壓場(chǎng)。

圖3 1982～2018年11月（a–f）觀測(cè)與NCEP-CFSv2提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的海平面氣壓距平場(chǎng)TCC的空間分布，打點(diǎn)為通過(guò)0.1的顯著性水平Fig.3(a–f)TCC between the observed and predicted sea level pressure anomalies by the NECP-CSFv2 with 1-to 6-month leadsduring 1982–2018.The dotted areasindicate significant at the 0.1 significancelevel

3.2 潛在可預(yù)測(cè)性

Lorenz（1969）指出集合模式的可預(yù)測(cè)性包括兩部分，一方面是模式相對(duì)于觀測(cè)而言的預(yù)測(cè)能力，另一方面是假設(shè)集合模式的結(jié)果為完美的，將模式集合平均的結(jié)果假設(shè)為準(zhǔn)確的結(jié)果來(lái)討論模式集合成員和集合平均之間的差異，以研究模式的潛在可預(yù)測(cè)性。近年來(lái)，針對(duì)模式內(nèi)部不同集合成員的初始條件不同，模式的潛在可預(yù)測(cè)性逐漸成為影響模式預(yù)測(cè)時(shí)效的重要因素之一（Peng and Robinson,2001;Peng et al.,2011）。隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的提前，模式不同集合成員之間的差異逐漸顯著，故本文進(jìn)一步利用信噪比（SNR）方法研究西伯利亞高壓的潛在可預(yù)測(cè)性。

模式提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月海平面氣壓場(chǎng)SNR顯示，西伯利亞高壓南部的潛在可預(yù)測(cè)性高于北部（圖4a–e），其中模式提前1～2個(gè)月對(duì)11月該地區(qū)海平面氣壓的潛在可預(yù)測(cè)性較高，其區(qū)域（40°～60°N，70°～120°E）平均的海平面氣壓場(chǎng)的SNR均為0.14。隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的提前，模式內(nèi)部的噪音逐漸增大，SNR也逐漸減小（圖4g）。但較冬半年和其它月份而言，提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月西伯利亞區(qū)域（40°～60°N，70°～120°E）平均海平面氣壓場(chǎng)SNR均高于0.1，而冬半年及其它月份提前3個(gè)月以上預(yù)測(cè)的西伯利亞區(qū)域平均海平面氣壓場(chǎng)SNR低于0.1。因此，相比于冬半年、12月、1月、2月而言，NCEP-CFSv2模式提前1～6個(gè)月對(duì)11月西伯利亞高壓的潛在可預(yù)測(cè)性更高。

圖4 1982～2018年11月模式提前（a–f）1～6個(gè)月NCEP-CFSv2預(yù)測(cè)的海平面氣壓的信噪比（SNR）；（g）NCEP-CFSv2提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月西伯利亞區(qū)域關(guān)鍵區(qū)（40°～60°N，70°～120°E）平均的SNRFig.4 (a–f)Signal-to-noise ratio(SNR)of the sea level pressure predicted by the NCEP-CFSv2 with 1- to 6-month leads in November during 1982–2018.(g)Regional-average SNR for the sea level pressure predicted by the NCEP-CFSv2 with 1- to 6-month leads over the region(40°–60°N,70°–120°E)in November

4 模式對(duì)1 1 月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)能力較好的原因

為什么NCEP-CFSv2對(duì)11月西伯利亞高壓的預(yù)測(cè)效能及潛在可預(yù)測(cè)性均較好？本文利用NCEPCFSv2模式提前1個(gè)月起報(bào)的結(jié)果為例，對(duì)影響西伯利亞高壓強(qiáng)度的熱力過(guò)程、動(dòng)力過(guò)程以及該地區(qū)積雪狀況進(jìn)行分析，由此分析該模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)效能較好的原因和可預(yù)測(cè)來(lái)源。

4.1 影響西伯利亞高壓發(fā)展的熱力過(guò)程

西伯利亞地區(qū)是歐亞大陸冷空氣聚集地，其東移南下造成歐亞地區(qū)大范圍的降溫和寒潮等天氣過(guò)程發(fā)生（王遵婭和丁一匯,2006;Song and Wu,2017;Song et al.,2018）。已有研究表明，西伯利亞高壓的形成主要由于西伯利亞地區(qū)對(duì)流層低層絕熱加熱和溫度平流的作用相抵消，其熱量分布主要受非絕熱冷卻影響，其中地表對(duì)外長(zhǎng)波輻射增加造成該地區(qū)冷空氣堆積，氣溫降低，使得海平面氣壓升高（Ding and Krishnamurti,1987）?；诖?，我們分析11月SHI與西伯利亞地區(qū)0～10 cm土壤溫度之間的聯(lián)系。由圖5a顯示，當(dāng)西伯利亞地區(qū)土壤溫度越低，西伯利亞高壓越強(qiáng)，其中在西伯利亞高壓西部和南部區(qū)域0～10 cm土壤溫度對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度的影響最為顯著。此外，冷空氣堆積使得西伯利亞地區(qū)地表輻射冷卻加強(qiáng)，這將進(jìn)一步造成該地區(qū)非絕熱冷卻加強(qiáng)，高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，其中在巴爾喀什湖及其東部區(qū)域，輻射冷卻和土壤溫度對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度的影響較為一致（圖5b）。由此可見(jiàn)，西伯利亞地區(qū)的土壤溫度、地表輻射等相關(guān)熱力過(guò)程對(duì)西伯利亞地區(qū)強(qiáng)度有重要的影響。

圖5 1982～2018年11月（a，b）觀測(cè)和（c,d）NCEP-CFSv2提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的（a，c）0～10 cm深度土壤溫度（單位：K）和（b，d）對(duì)外長(zhǎng)波輻射通量（單位：W m?2）異常對(duì)11月SHI的回歸，斜線為通過(guò)0.1的顯著性水平；SHI與（e）0～10 cm土壤溫度和（f）對(duì)外長(zhǎng)波輻射通量的TCC差值（模式－觀測(cè)）Fig.5 Regression of (a,c)0–10 cm soil temperature (units:K)and (b,d)upward long-wave radiation flux (units:W m?2)anomalies onto the Siberian high intensity index (SHI)in November during 1982–2018 for (a, b)the observation and (c,d) NCEP-CFSv2 with a 1-month lead, theareas with slash indicate significance at the 0.1 significance level.TCC between the SHIand 0–10 cm soil temperature anomalies(e),upward long-wave radiation flux anomalies,(f) differences between the NECP-CFSv2 and observation data

那么，模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度及其相聯(lián)熱力過(guò)程的再現(xiàn)能力如何？圖5c，d為1982～2018年11月NCEP-CFSv2模式提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的0～10 cm土壤溫度和對(duì)外長(zhǎng)波輻射異常對(duì)SHI的回歸場(chǎng)?？梢钥闯觯Ｊ教崆?個(gè)月能夠較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度和該地區(qū)0～10 cm土壤溫度（圖5c）、對(duì)外長(zhǎng)波輻射之間的相互作用（圖5d）。在巴爾喀什湖及其東部地區(qū)的西伯利亞高壓強(qiáng)度受土壤溫度和輻射冷卻影響較大，與觀測(cè)相一致。然而，在貝加爾湖東南部和巴爾喀什湖以南地區(qū)，模式較觀測(cè)而言，高估了高壓強(qiáng)度和土壤溫度、對(duì)外長(zhǎng)波輻射之間的聯(lián)系（圖5e，f）。

由觀測(cè)結(jié)果可知，1982～2018年冬半年及逐月SHI和西伯利亞區(qū)域（40°～60°N，70°～120°E）平均的0～10 cm土壤溫度之間的TCC分別為?0.68、?0.67、?0.68、?0.64、?0.52，均通過(guò)0.01的顯著性水平，故冬半年及逐月西伯利亞地區(qū)的表層土壤溫度也是影響同期西伯利亞高壓強(qiáng)度的重要因子之一。那么模式對(duì)冬半年及其它月份西伯利亞高壓強(qiáng)度和該地區(qū)土壤溫度之間聯(lián)系的再現(xiàn)能力又如何呢？11月模式提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的SHI和區(qū)域平均土壤溫度的TCC與觀測(cè)相一致，均為?0.67；冬半年模式預(yù)測(cè)的TCC為?0.79，與觀測(cè)相比高估冬半年土壤溫度和高壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系；12月、1月、2月TCC分別為?0.29、?0.37、?0.03，與觀測(cè)結(jié)果的偏差更大，均未通過(guò)0.01的顯著性水平（圖6）。因此，模式僅對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)效能較好，可能是由于NCEP-CFSv2可以較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度和表層土壤溫度等相關(guān)熱力過(guò)程之間的聯(lián)系。

圖6 1982～2018年冬半年（11～2月）及逐月觀測(cè)（黑色柱）和NCEP-CFSv2（灰色柱）提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的SHI和區(qū)域（40°～60°N,70°～120°E）平均的土壤溫度的TCC，虛線為0.01的顯著性水平Fig.6 TCC between the SHIand regional-averaged soil temperature over the region(40°–60°N，70°–120°E)in winter time(November–February),November,December,January,and February for the observation(black bar)and NECP-CFSv2 with a 1-month lead(white bar)during 1982–2018.The dotted linesindicatesignificanceat the 0.01 significance level

4.2 影響西伯利亞高壓發(fā)展的動(dòng)力環(huán)流

影響西伯利亞高壓發(fā)展的動(dòng)力成因主要是對(duì)流層中、上層強(qiáng)的質(zhì)量輻合和強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)（丁一匯等,1991）。圖7a，b為1982～2018年緯向平均的（70°～120°E）散度異常、垂直速度異常對(duì)SHI的回歸場(chǎng)。結(jié)果顯示，在對(duì)流層中高層，高壓中心（50°N）北側(cè)為強(qiáng)的輻合運(yùn)動(dòng)，使得更多的冷空氣在對(duì)流層中高層聚集造成強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)（圖7a，b）。西伯利亞高壓地區(qū)對(duì)流層低層的輻散運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)的增強(qiáng)，西伯利亞高壓強(qiáng)度加強(qiáng)。

與觀測(cè)相比，在高壓中心北側(cè)的對(duì)流層中高層，模式預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)均為一致的輻合運(yùn)動(dòng)；在對(duì)流層低層，觀測(cè)和模式均為一致的輻散環(huán)流（圖7c）。同時(shí)，模式可以較好地再現(xiàn)西伯利亞高壓中心北側(cè)的高壓強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)（圖7d）。但由模式提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的緯向平均的（70°～120°E）散度異常、垂直速度異常對(duì)SHI的回歸場(chǎng)可以看出，在高壓中心（50°N）南側(cè)，模式高估對(duì)流層中高層輻散環(huán)流、對(duì)流層低層下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度的影響（圖7e，f）。

圖7 1982～2018年11月（a,b）觀測(cè)和（c,d）NCEP-CFSv2提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的緯向平均（70°～120°E）（a，c）散度（單位：10?7 s?1）和（b，d）垂直速度（單位：10?3 Pa s?1）異常對(duì)11月SHI的回歸，打點(diǎn)為通過(guò)0.1的顯著性水平；SHI與緯向平均（70°～120°E）的（e）散度場(chǎng)和（f）垂直速度場(chǎng)的TCC差值（模式－觀測(cè)）Fig.7 Regression of the zonal(70°–120°E)mean horizontal(a,c)divergence(units:10?7 s?1)and(b,d)vertical velocity(units:10?3 Pa s?1)anomalies of the SHIin November during 1982–2018 for(a,b)the observation and (c,d) NCEP-CFSv2 with a 1-month lead,the dotted areasindicate significanceat the 0.1 significancelevel.TCC between the SHIand zonal mean horizontal(70°–120°E)divergence(e),vertical velocity (f)differences between the NECP-CFSv2 and observation data

進(jìn)一步分析12月、1月和2月SHI和該地區(qū)垂直速度之間的聯(lián)系。圖8為1982～2018年12～2月觀測(cè)的緯向平均的（70°～120°E）垂直速度異常對(duì)SHI的回歸場(chǎng)。結(jié)果顯示，在12月、1月和2月，對(duì)流層高層至低層的下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，西伯利亞高壓強(qiáng)度也增強(qiáng)，其中1月在高壓中心北側(cè)對(duì)流層中層下沉運(yùn)動(dòng)和高壓強(qiáng)度之間的聯(lián)系最為密切（圖8a–c）。觀測(cè)結(jié)果也表明12月高壓強(qiáng)度和下沉運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)關(guān)系最顯著的中心位于50°N以北，但模式預(yù)測(cè)的中心卻位于43°N和57°N附近（圖8a，d）。此外，觀測(cè)的12月、1月和2月對(duì)流層低層下沉運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，高壓強(qiáng)度越強(qiáng)，模式預(yù)測(cè)結(jié)果卻與之相反（圖8）。因此，相對(duì)于冬半年其它月份而言，模式能較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度及其動(dòng)力過(guò)程的聯(lián)系是NCEP-CFSv2模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)能力較好的另一原因。

圖8 1982～2018年12～2月（a–c）觀測(cè)和（d–f）NCEP-CFSv2提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的緯向平均（70°～120°E）垂直速度（單位：10?3 Pa s?1）異常對(duì)12～2（+1）SHI的回歸，打點(diǎn)為通過(guò)0.1的顯著性水平Fig.8 Regression of the zonal(70°–120°E) mean horizontal vertical velocity(units:10?3 Pa s?1)anomalies of the SHI in December,January,and February during 1982–2018 for(a–c)the observation and(d–f) NCEP-CFSv2 with a 1-month lead.The dotted areas indicate significance at the 0.1 significance level

4.3 11月西伯利亞地區(qū)積雪

積雪作為陸氣相互作用的主要因子之一，其較高的反照率和低的熱傳導(dǎo)性不僅使得地表熱量分布發(fā)生變化，也對(duì)大氣環(huán)流和氣候有重要影響（陳海山和孫照渤,2003;Gong et al.,2004;Cohen and Fletcher,2007;Ao and Sun,2016）。觀測(cè)結(jié)果顯示，從9～1月歐亞大陸積雪覆蓋率逐漸增加（圖略），但西伯利亞地區(qū)11月積雪覆蓋率年際變率最大。1982～2018年9～2月西伯利亞地區(qū)（40°～60°N,70°～120°E）平均的積雪覆蓋率標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.29、8.14、8.34、3.85、3.44和3.15。1982～2018年11月觀測(cè)的積雪覆蓋率氣候態(tài)顯示，巴爾喀什湖以北地區(qū)的積雪覆蓋率達(dá)到90%以上，以南地區(qū)積雪覆蓋率為20%左右（圖9a）。模式提前1個(gè)月和6個(gè)月預(yù)測(cè)的西伯利亞地區(qū)的積雪覆蓋率氣候態(tài)的空間分布與觀測(cè)結(jié)果較為一致（圖9b,c），但模式提前1個(gè)月和6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月巴爾喀什湖至貝加爾湖以南地區(qū)積雪覆蓋率較觀測(cè)偏少（圖9d,e）。此外，觀測(cè)和模式提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的西伯利亞地區(qū)積雪覆蓋率氣候態(tài)之間的PCC均達(dá)0.8以上（圖9f），通過(guò)0.01的顯著性水平。因此，NCEP-CFSv2模式可以較好地預(yù)測(cè)11月西伯利亞地區(qū)積雪覆蓋率氣候態(tài)的空間分布狀況。

圖9 1982～2018年11月（a）觀測(cè)、NCEP-CFSv2提前（b）1個(gè)月和（c）6個(gè)月預(yù)測(cè)的積雪覆蓋率氣候平均（陰影）；提前（d）1個(gè)月和（e）6個(gè)月預(yù)測(cè)的11月積雪覆蓋率（陰影）氣候態(tài)差值（模式－觀測(cè)）；（f）觀測(cè)和提前1～6個(gè)月預(yù)測(cè)的西伯利亞地區(qū)（40°～60°N，70°～120°E）積雪覆蓋率氣候態(tài)的PCC，0.01的顯著性水平對(duì)應(yīng)的PCC為0.24Fig.9 Climatological mean of (a)the observed and NCEP-CFSv2 predicted data of the(b)1-month and(c)6-month snow cover extent(shaded)for November during 1982–2018.The climatological differences between the NCEP-CFSv2 predicted data with(d)1-month and(e)6-month leads and observed snow cover extent(shaded)in November.(f)The PCC between the observed and predicted snow cover extents in November with 1-to 6-month leads over theregion (40°–60°N,70°–120°E).The PCC valueof 0.24 isthe0.01 significancelevel

由1982～2018年11月西伯利亞地區(qū)積雪覆蓋率、潛熱通量、感熱通量異常對(duì)SHI的回歸場(chǎng)可以看出，當(dāng)積雪覆蓋率升高時(shí)，該地區(qū)潛熱通量減少，且較高的反照率使得該地區(qū)吸收熱量減少，釋放的感熱通量增加，造成該地區(qū)的氣溫降低，西伯利亞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)（圖10a–c）。進(jìn)一步分析1982～2018年11月西伯利亞區(qū)域（40°～60°N,70°～120°E）平均的積雪覆蓋率與該區(qū)域平均土壤溫度的TCC為?0.7，通過(guò)0.01的顯著性水平。因此說(shuō)明西伯利亞積雪異?？赡苡绊懳鞑麃喌貐^(qū)的熱力過(guò)程，進(jìn)一步對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度造成影響。

與觀測(cè)結(jié)果相比，模式能較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度和該地區(qū)積雪及其相關(guān)過(guò)程（圖10d–f）。然而，較觀測(cè)而言，在巴爾喀什湖以北地區(qū)，模式低估西伯利亞高壓強(qiáng)度與積雪覆蓋率之間的聯(lián)系，而在以南地區(qū)又高估兩者之間的相互作用（圖10g）。在貝加爾湖地區(qū)，模式低估西伯利亞高壓強(qiáng)度和潛熱通量之間的聯(lián)系，而在巴爾喀什湖以南地區(qū)模式高估其與感熱通量之間的聯(lián)系（圖10h，i）。進(jìn)一步分析觀測(cè)和模式中12～2月逐月西伯利亞地區(qū)積雪覆蓋率對(duì)西伯利亞高壓強(qiáng)度的影響。由12～2月的積雪覆蓋率異常對(duì)同期SHI的回歸場(chǎng)顯示，在巴爾喀什湖地區(qū)，12月積雪覆蓋率升高，西伯利亞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，而模式預(yù)測(cè)結(jié)果卻與之相反（圖11a，b）。此外，觀測(cè)結(jié)果顯示，在1月和2月巴爾喀什湖東南部地區(qū)的積雪覆蓋率越高時(shí)，西伯利亞高壓強(qiáng)度越強(qiáng)，模式預(yù)測(cè)結(jié)果卻也與之相反（圖11c–f）。因此，模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)效能較好的另一原因是模式在一定程度上可以較合理再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度和該地區(qū)積雪狀況。

圖10 1982～2018年11月（a，b，c）觀測(cè)和（d，e，f）NCEP-CFSv2提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的（a，d）積雪覆蓋率（陰影）、（b，e）潛熱通量（陰影，單位：W m?2）和（c，f）感熱通量（陰影，單位：W m?2）異常對(duì)11月SHI的回歸，斜線為通過(guò)0.1的顯著性水平；SHI與（g）積雪覆蓋率、（h）潛熱通量和（i）感熱通量的TCC差值（模式－觀測(cè)）Fig.10 Regression of the(a,b,c)observed and(d,e,f) NCEP-CFSv2 predicted(a,d)snow cover extent(shaded),(b,e)latent heat flux(shaded,units:W m?2),and(c,f)sensible heat flux(shaded,units:W m?2)anomalies with a 1-month lead for the November SHI, the slashed areas indicate significance at the 0.1 significance level.Temporal correlation coefficient between the SHIand(g)snow cover extent anomalies,(h)latent heat flux anomalies,(i)sensibleheat flux anomalies,differences between the NECP-CFSv2 and observation data

圖11 1982～2018年12～2月（a，c，e）觀測(cè)和（b，d，f）NCEP-CFSv2提前1個(gè)月預(yù)測(cè)的積雪覆蓋率（陰影）異常對(duì)12～2（+1）月SHI的回歸分析，斜線為通過(guò)0.1的顯著性水平Fig.11 Regression of the snow cover extent(shaded)anomalies in the SHI in December,January,and February during 1982–2018 for the(a,c,e)observation and (b,d,f) NCEP-CFSv2 with a 1-month lead.Theslashed areasindicatesignificanceat the 0.1 significance level

5 總結(jié)和討論

本文首先系統(tǒng)評(píng)估了NCEP-CFSv2模式對(duì)1982～2018年冬半年及逐月西伯利亞高壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效能，研究結(jié)果表明NCEP-CFSv2模式對(duì)冬半年及12月、1月、2月西伯利亞高壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)效能偏低，僅對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力和可預(yù)測(cè)性較好。同時(shí)，NCEP-CFSv2模式在不同起報(bào)月份對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力均高于GloSea5模式。

研究結(jié)果表明，西伯利亞高壓強(qiáng)度的變化不僅受西伯利亞地區(qū)熱力和動(dòng)力過(guò)程的影響，同時(shí)也與西伯利亞地區(qū)積雪狀況有關(guān)。首先，土壤溫度及相關(guān)的熱力過(guò)程是造成西伯利亞地區(qū)地表熱量分布及強(qiáng)度變化的因素之一。冬半年及逐月的西伯利亞高壓強(qiáng)度與地表熱力過(guò)程之間聯(lián)系密切，而NCEPCFSv2模式僅能較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度與土壤溫度等熱力因素之間的聯(lián)系。同時(shí)，西伯利亞地區(qū)對(duì)流層中高層的輻合下沉運(yùn)動(dòng)以及對(duì)流層低層的輻散是造成西伯利亞高壓加強(qiáng)的動(dòng)力因素。模式也能較好地再現(xiàn)11月西伯利亞高壓及其該地區(qū)中高層輻合下沉運(yùn)動(dòng)以及低層輻散環(huán)流。此外，模式在一定程度上也能再現(xiàn)11月西伯利亞高壓和該地區(qū)積雪及其相關(guān)過(guò)程。

西伯利亞高壓是北半球冬半年主要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，通過(guò)上述分析表明西伯利亞地區(qū)的局地?zé)崃^(guò)程、動(dòng)力過(guò)程以及該地區(qū)的積雪是11月西伯利亞高壓強(qiáng)度的主要可預(yù)測(cè)來(lái)源。但在分析中我們注意到，NCEP-CFSv2模式對(duì)11月西伯利亞高壓強(qiáng)度提前2個(gè)月的預(yù)測(cè)卻低于提前6個(gè)月的預(yù)測(cè)能力，這說(shuō)明氣候模式對(duì)季節(jié)內(nèi)尺度的預(yù)測(cè)更為復(fù)雜和不穩(wěn)定。因此，在未來(lái)工作中，除了季節(jié)平均的預(yù)測(cè)外，將進(jìn)一步深入研究西伯利亞高壓季內(nèi)變化的物理過(guò)程、可預(yù)測(cè)來(lái)源，進(jìn)而提高西伯利亞高壓的季節(jié)平均和季內(nèi)的預(yù)測(cè)水平。