短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)和方法的新進(jìn)展

短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)和方法的新進(jìn)展

我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的發(fā)展歷程短期氣候預(yù)測(cè)主要是指月度、季節(jié)和年度的預(yù)測(cè)，也被稱為長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。但隨著混沌現(xiàn)象的揭示,人們逐漸認(rèn)識(shí)到氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的混沌系統(tǒng),天氣預(yù)報(bào)時(shí)效不超過兩周,月以上只能作氣候預(yù)測(cè),所以改稱短期氣候預(yù)測(cè)。氣候預(yù)測(cè)方法研究歷史較長(zhǎng),可追溯到19世紀(jì)甚至更早。近一百多年來,利用不同的相關(guān)關(guān)系、經(jīng)驗(yàn)規(guī)則、動(dòng)力模式和非線性混沌理論等提出了多種氣候預(yù)測(cè)方法,其中有些也在實(shí)際預(yù)報(bào)中得到了應(yīng)用,然而目前氣候預(yù)測(cè)仍然是國(guó)際大氣科學(xué)領(lǐng)域的難題,氣候預(yù)測(cè)的理論、方法和實(shí)踐均不成熟,氣候預(yù)測(cè)還存在很大的不確定性,整體來看,氣候預(yù)測(cè)仍處于研究、試驗(yàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷改進(jìn)的階段。我國(guó)開展短期氣候預(yù)測(cè)已有五十多年的歷史,是世界上開展短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)較早且一直堅(jiān)持的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一。氣候預(yù)測(cè)為國(guó)家防御和減輕氣象災(zāi)害做出了重要貢獻(xiàn),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的作用也越來越大。特別是我國(guó)地處全球最為復(fù)雜的東亞季風(fēng)區(qū),氣候異常受到青藏高原、海洋、季風(fēng)、中高緯度環(huán)流系統(tǒng)等諸多因素的影響,氣候異常的成因極其復(fù)雜,氣候預(yù)測(cè)的難度很大,人們?yōu)榇俗隽舜罅科D苦的工作。我國(guó)的短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)經(jīng)歷了簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力模式和動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合幾個(gè)發(fā)展階段,目前我國(guó)已經(jīng)建立了一套較為完備的延伸期-月-季節(jié)-年度短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。尤其是近些年來,圍繞發(fā)展短期氣候預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和提高氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,開展了大量短期氣候預(yù)測(cè)理論和技術(shù)方法研究,加強(qiáng)了科研成果向業(yè)務(wù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,一些影響我國(guó)氣候異常的新機(jī)理和短期氣候預(yù)測(cè)新方法不斷在業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用,取得了很好的效果,極大推進(jìn)了我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)能力的提高。本文將就我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程、業(yè)務(wù)技術(shù)現(xiàn)狀和近些年來一些在業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用的新技術(shù)、新方法和新的科學(xué)認(rèn)識(shí)進(jìn)行概述。1物理統(tǒng)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展我國(guó)是世界上開展短期氣候預(yù)測(cè)研究和業(yè)務(wù)最早的國(guó)家之一。早在20世紀(jì)30年代就進(jìn)行了三大濤動(dòng)與中國(guó)旱澇關(guān)系等方面的研究。1954年以“氣候展望”的名稱第1次正式對(duì)外發(fā)布年度氣候趨勢(shì)展望。1958年增加了月預(yù)報(bào)的內(nèi)容,并易名為“長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)”。1961年正式制作和發(fā)布汛期旱澇趨勢(shì)預(yù)測(cè)。到1995年國(guó)家氣候中心成立后,以“每月氣候預(yù)測(cè)”、“汛期旱澇預(yù)測(cè)”、“年度氣候預(yù)測(cè)”對(duì)外發(fā)布?xì)夂蝾A(yù)測(cè)服務(wù),另外根據(jù)服務(wù)需求陸續(xù)增加了各種專題預(yù)測(cè)服務(wù)產(chǎn)品。由于影響我國(guó)氣候變化因素的多重性、相互關(guān)系的復(fù)雜性和預(yù)測(cè)方法的多樣性,我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的基本技術(shù)特點(diǎn)是多種因子的綜合分析和多種方法的綜合應(yīng)用,預(yù)測(cè)技術(shù)難度非常大。近60年來,隨著觀測(cè)事實(shí)的積累和短期氣候預(yù)測(cè)理論的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)經(jīng)歷了逐步改進(jìn)、完善和不斷發(fā)展、提高的過程。大體經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析、物理統(tǒng)計(jì)分析、動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合3個(gè)主要發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代以前,是我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的艱苦創(chuàng)業(yè)階段,由于資料匱乏,計(jì)算條件非常落后,以經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析為主要手段,采用歷史資料和天氣氣候分析,包括歷史曲線演變、大氣環(huán)流型分析、天氣周期和韻律活動(dòng)等方法,也吸收了天氣諺語中的有益經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)50年代末,也曾試用過美國(guó)納米阿斯的月平均環(huán)流趨勢(shì)法和前蘇聯(lián)王根蓋姆、吉爾斯的大型環(huán)流型等,另外也進(jìn)行了多元回歸等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的嘗試應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)60年代,隨著資料樣本的增多,相關(guān)概率、點(diǎn)聚圖、復(fù)相關(guān)表等方法及周期平均環(huán)流圖、環(huán)流指數(shù)、環(huán)流特征量和太陽黑子等也在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用。這一時(shí)期從資料計(jì)算到預(yù)報(bào)制作完全是人工操作,但該階段建立了我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的基本業(yè)務(wù),為此后我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代到90年代前期,隨著資料種類和樣本長(zhǎng)度的增加以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的物理統(tǒng)計(jì)技術(shù)得到了很大發(fā)展。70年代后數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法包括多元回歸、逐步回歸、最大熵譜、正交函數(shù)分解、判別分析、聚類分析等在氣候分析和預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用,以多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)建立的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中取得了一定的效果,直到現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法的研究和應(yīng)用也在不斷發(fā)展,已成為短期氣候預(yù)測(cè)的主要手段之一,很多學(xué)者對(duì)此也做了較全面的總結(jié)。80年代以來,隨著短期氣候預(yù)測(cè)理論研究的發(fā)展和觀測(cè)事實(shí)的不斷揭示,物理因子分析受到極大重視,對(duì)影響大氣環(huán)流和氣候異常的物理因素的分析,從廣度和深度方面均有很大發(fā)展,如海氣相互作用、陸地?zé)釥顩r、低頻振蕩、遙相關(guān)型等等。80年代初,我國(guó)氣候預(yù)測(cè)工作者首次提出了中國(guó)東部地區(qū)夏季3類雨型,三十多年來一直在全國(guó)推廣應(yīng)用?！捌呶濉?、“八五”期間中國(guó)氣象局重點(diǎn)研究課題的實(shí)施,有力推動(dòng)了我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)研究和業(yè)務(wù)工作的發(fā)展。先后研究了ENSO事件、青藏高原熱狀況對(duì)東亞大氣環(huán)流和中國(guó)氣候的可能影響,以及東亞遙相關(guān)型、東亞阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓、亞洲季風(fēng)、南亞高壓、北太平洋濤動(dòng)、南方濤動(dòng)、準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)等大氣環(huán)流異常與中國(guó)夏季降水的關(guān)系,提出了各種具有一定物理意義的預(yù)測(cè)概念模型,是這一階段預(yù)測(cè)思路的顯著特點(diǎn),比如以夏季3類雨型為主要預(yù)測(cè)對(duì)象、以ENSO事件和東亞大氣環(huán)流異常為主要預(yù)測(cè)因子的汛期旱澇預(yù)報(bào)概念模型等,在我國(guó)汛期降水預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮了重要作用。從80年代后期開始,我國(guó)各級(jí)氣候業(yè)務(wù)部門先后建立了第1代以物理統(tǒng)計(jì)方法為主的短期氣候預(yù)測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng),使我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)向現(xiàn)代化邁進(jìn)了一大步,基本結(jié)束了資料處理和預(yù)報(bào)制作手工和半手工操作的局面。20世紀(jì)90年代后期以來,隨著國(guó)家“九五”重中之重科技項(xiàng)目的實(shí)施,我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)和現(xiàn)代化水平都上了一個(gè)新臺(tái)階,進(jìn)入了動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的新階段。首先,在總結(jié)前人有關(guān)物理統(tǒng)計(jì)方法研究成果的基礎(chǔ)上,更加深入地研究了海、陸下墊面熱力因素和東亞大氣環(huán)流異常與我國(guó)氣候變化特別是汛期旱澇的關(guān)系,加深了對(duì)我國(guó)氣候異常物理成因的認(rèn)識(shí),以太平洋海溫(ENSO)、青藏高原積雪、亞洲季風(fēng)、東亞阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓等東、西、南、北、中五大因素為基礎(chǔ),建立了物理概念比較清楚的中國(guó)夏季降水物理統(tǒng)計(jì)綜合預(yù)測(cè)模型。其次,研究建立了我國(guó)第1代動(dòng)力氣候模式系統(tǒng)。90年代中期以來,國(guó)家氣候中心先后研制了包括全球大氣環(huán)流模式、全球海洋環(huán)流模式、東亞區(qū)域氣候模式和簡(jiǎn)化的ENSO預(yù)測(cè)模式等月、季、年際時(shí)間尺度的動(dòng)力氣候模式系列,建立起了我國(guó)第1代動(dòng)力氣候模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)。目前正在研發(fā)新一代海-陸-氣-冰-生多圈層耦合的氣候系統(tǒng)模式以及多模式集合、動(dòng)力相似預(yù)測(cè)試驗(yàn)和動(dòng)力模式產(chǎn)品釋用技術(shù)的研究、應(yīng)用。2氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中的預(yù)測(cè)技巧我國(guó)現(xiàn)代短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)是在國(guó)家“九五”重中之重科技攻關(guān)項(xiàng)目“我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究”支持下建立的。通過5～10年的努力,研制了一套月、季、年時(shí)間尺度的物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型,發(fā)展了一套月、季時(shí)間尺度的動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行了解釋應(yīng)用方法研發(fā),初步實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合思想在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。在后續(xù)的“十五”、“十一五”期間各類項(xiàng)目研發(fā)成果的支持下,物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的內(nèi)涵和外延不斷擴(kuò)大,基于動(dòng)力氣候模式高技巧信息和誤差分布特征的動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合預(yù)測(cè)方法的研發(fā)也向廣度和深度發(fā)展。正是在大量的研發(fā)成果的支持下,短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品和服務(wù)更具科學(xué)內(nèi)涵,總體預(yù)測(cè)能力也在穩(wěn)步提高,尤其是倍受政府和用戶關(guān)注的汛期降水預(yù)測(cè)在近幾年沒有出現(xiàn)大的失誤。除了針對(duì)降水和氣溫的趨勢(shì)預(yù)測(cè)外,還開展了季內(nèi)主要?dú)夂蚴录?南海夏季風(fēng)、華南前汛期、梅雨、華北雨季等)的起始時(shí)間和強(qiáng)度,以及各類專項(xiàng)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)(ENSO、臺(tái)風(fēng)、冷空氣過程、沙塵暴、春播、霜凍、森林火險(xiǎn)等)的預(yù)測(cè),大大豐富了為用戶服務(wù)的內(nèi)涵。下面簡(jiǎn)要介紹物理統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力模式、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合3類方法在我國(guó)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用和預(yù)測(cè)技巧。在物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的建立方面,預(yù)報(bào)員結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果和業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的研究,首先建立并增強(qiáng)了統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的物理基礎(chǔ)。以汛期降水預(yù)測(cè)作為重要預(yù)報(bào)對(duì)象,從多角度分析了影響我國(guó)汛期降水的因子,設(shè)計(jì)了一幅汛期降水物理概念模型圖,簡(jiǎn)稱“東南西北中”模型。在后期的實(shí)際應(yīng)用中,該模型的內(nèi)涵不斷得到擴(kuò)充。支撐現(xiàn)代氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)是動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)第1代動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)(DCMPS)由氣候模式子系統(tǒng)、預(yù)測(cè)子系統(tǒng)和產(chǎn)品子系統(tǒng)構(gòu)成。模式子系統(tǒng)由資料同化和模式運(yùn)行組成。模式運(yùn)行部分主要包括了4種氣候模式:全球大氣環(huán)流模式、全球海洋環(huán)流模式、高分辨率東亞區(qū)域氣候模式和簡(jiǎn)化的ENSO預(yù)測(cè)模式。其中全球大氣環(huán)流模式主要用于月尺度動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)的集合預(yù)測(cè)(eDERF),它與全球海洋環(huán)流模式耦合,構(gòu)成海氣耦合模式,用于季節(jié)/多季節(jié)的全球氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)。海氣耦合模式與區(qū)域氣候模式嵌套,用于提供高分辨率的東亞季節(jié)氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)。動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)化系統(tǒng)分為資料同化與支持子系統(tǒng)、模式運(yùn)行子系統(tǒng)、預(yù)報(bào)訂正與檢驗(yàn)子系統(tǒng)和產(chǎn)品生成與分發(fā)子系統(tǒng)。全部業(yè)務(wù)系統(tǒng)在高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、產(chǎn)品生成和分發(fā)。月尺度動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)每天運(yùn)行8個(gè)樣本,每5d集成40個(gè)樣本,提供未來30d的候、旬、月多要素概率預(yù)測(cè)和確定性預(yù)測(cè)信息(/pred/md.php),海氣耦合模式每月運(yùn)行,海洋大氣初值組合共48個(gè)樣本,提供未來11個(gè)月(8個(gè)滾動(dòng)季節(jié))多要素概率預(yù)測(cè)和確定性預(yù)測(cè)信息(/pred/cs.php),模式系統(tǒng)豐富的預(yù)報(bào)信息以及在此基礎(chǔ)上的解釋應(yīng)用產(chǎn)品有力地支持了全國(guó)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)。此外,將動(dòng)力數(shù)值模式和統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)相結(jié)合的思路已被廣泛接受,但如何實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的探索過程。早在20世紀(jì)50年代,顧震潮就指出了在數(shù)值預(yù)報(bào)中引入歷史資料的重要性和可行性。后來我國(guó)學(xué)者開展了一系列獨(dú)具特色的工作:使用過去演變資料的多時(shí)刻預(yù)報(bào)方法、相似-動(dòng)力方法、基于大氣自憶性原理的方法、動(dòng)力相似預(yù)報(bào)(DAP)的概念和方法。尤其是利用歷史相似信息對(duì)動(dòng)力模式的預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行預(yù)報(bào)的新思路和預(yù)報(bào)方法,開拓了動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合方法的新局面,該方法也為近幾年的月、季氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)提供了實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果,取得可喜的成績(jī)。3新技術(shù)和新方法的應(yīng)用3.1建立了新的海洋觀測(cè)系統(tǒng)海洋作為氣候系統(tǒng)中的重要成員,是氣候預(yù)測(cè)最主要的可預(yù)報(bào)性來源,全球各大洋的海溫異常都會(huì)對(duì)我國(guó)的氣候變率產(chǎn)生影響,海溫也是目前我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中最重要的預(yù)報(bào)因子。然而,海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏一直是制約大氣和海洋科學(xué)發(fā)展的瓶頸。為此,20世紀(jì)末國(guó)際上開始籌建ARGO(ArrayforReal-timeGeostrophicOceanography)全球?qū)崟r(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)。ARGO海洋觀測(cè)網(wǎng)是目前唯一能夠立體觀測(cè)全球海洋的實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng),為研究大氣和海洋提供了前所未有的深廣視角。我國(guó)于2001年加入國(guó)際ARGO計(jì)劃,構(gòu)建了我國(guó)的ARGO海洋觀測(cè)網(wǎng),并參與全球ARGO實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)。利用ARGO海洋觀測(cè)資料,我國(guó)學(xué)者開展了海洋資料同化、海洋模式改進(jìn)的研究,并應(yīng)用于海洋分析和氣候預(yù)測(cè)研究,促進(jìn)了我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)水平以及海洋監(jiān)測(cè)分析業(yè)務(wù)能力。張人禾等最近對(duì)我國(guó)開展的ARGO資料質(zhì)量控制、利用ARGO資料開展的有關(guān)海洋資料同化、短期氣候預(yù)測(cè)、海洋模式改進(jìn)、海洋表層流、溫鹽變化特征、厄爾尼諾/拉尼娜(EI/La)等方面的研究進(jìn)行了綜述。這里僅簡(jiǎn)要介紹一下ARGO海洋觀測(cè)資料同化在國(guó)家氣候中心動(dòng)力模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。國(guó)家氣候中心全球海洋資料四維變分同化系統(tǒng)(NCC＿GODAS)通過引入AR-GO的全球溫鹽觀測(cè)資料大大改善了同化結(jié)果,其同化結(jié)果可為海-氣耦合模式進(jìn)行季節(jié)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)提供更加可信的海洋初始場(chǎng)資料。在NCC＿GODAS中引入了ARGO資料后,將其與國(guó)家氣候中心全球海氣耦合模式(NCC＿CGCM)進(jìn)行耦合,顯著提高了模式對(duì)我國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)的技巧,模式回報(bào)的夏季降水距平與觀測(cè)降水距平相關(guān)為正的格點(diǎn)數(shù)比未采用ARGO資料時(shí)增加了9.38%。自2005年起采用同化了ARGO資料的NCC＿GODAS后,NCC＿CGCM預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的熱帶太平洋3.4區(qū)海面溫度距平與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5左右。3.2與海洋相關(guān)的子系統(tǒng)2005年起,國(guó)家氣候中心啟動(dòng)了新一代多圈層耦合的氣候系統(tǒng)模式研制工作。幾年來,研制工作取得了重要成果,先后建成了耦合大氣、陸面、海洋、海冰分量在內(nèi)的不同版本的氣候系統(tǒng)模式BCC＿CSM1.0,BCC＿CSM1.1和BCC＿CSM1.1(m)。同期,基于全球近110km中等分辨率的新一代氣候系統(tǒng)模式BCC＿CSM1.1(m)研發(fā)的第2代短期氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,該系統(tǒng)包含第2代海洋資料同化系統(tǒng)、陸面資料同化系統(tǒng)、月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)、季節(jié)氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)。詳細(xì)的技術(shù)進(jìn)展可參考文獻(xiàn)。第2代海洋資料同化系統(tǒng)已初步建成,其對(duì)海洋溫鹽的同化效果總體上要優(yōu)于第1代海洋資料同化系統(tǒng),未來將為第2代短期氣候預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的海洋初、邊值條件。目前,正在完成從資料預(yù)處理、質(zhì)量控制到系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化設(shè)計(jì)工作。在陸面資料同化系統(tǒng)的發(fā)展方面,土壤溫度和土壤濕度同化子系統(tǒng)正在研發(fā)中,而多源降水融合子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)建設(shè)工作已基本完成,其可為短期氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)陸面分量提供可靠的實(shí)時(shí)大氣降水強(qiáng)迫場(chǎng)。第2代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)基于T106水平分辨率的大氣環(huán)流模式BCC＿AGCM2.2建立,其對(duì)全球及區(qū)域降水、環(huán)流的氣候態(tài)和年際變率等多個(gè)要素的預(yù)測(cè)能力總體要高于第1代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)。該系統(tǒng)已于2012年投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行,實(shí)時(shí)輸出候、旬、月時(shí)間尺度和全球、北半球、東北半球、東亞、中國(guó)等空間尺度的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和圖形產(chǎn)品。第2代季節(jié)氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)基于全球近110km的中等分辨率氣候系統(tǒng)模式BCC＿CSM1.1(m)建立,其對(duì)降水、環(huán)流和季風(fēng)指數(shù)、ENSO等多個(gè)要素的預(yù)報(bào)技巧總體上要高于第1代季節(jié)氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)。該系統(tǒng)已于2012年底完成基本構(gòu)建工作,目前正在開展全面的性能檢驗(yàn)以及準(zhǔn)業(yè)務(wù)化設(shè)計(jì)等工作,將于2013年實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。3.3統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)報(bào)的主要特點(diǎn)早在20世紀(jì)50年代,就提出了利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)值模式產(chǎn)品進(jìn)行解釋應(yīng)用的思想,也提出了完全預(yù)報(bào)方法(PP)和模式輸出統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)(MOS)方法。但無論是PP方法還是MOS方法均未考慮模式對(duì)預(yù)報(bào)因子的預(yù)報(bào)能力,因此,所建立的要素預(yù)報(bào)和環(huán)流形勢(shì)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系更多體現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而缺乏明確的物理意義。李維京等利用大尺度大氣動(dòng)力學(xué)方程組推導(dǎo)出月降水與高度場(chǎng)異常之間的關(guān)系,并結(jié)合月動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)500hPa高度場(chǎng)與降水觀測(cè)資料確定預(yù)報(bào)方程的系數(shù),這種具有明確的物理意義的模式釋用在實(shí)際預(yù)報(bào)試驗(yàn)中取得較好的效果。20世紀(jì)90年代,隨著全球氣候模式的發(fā)展,統(tǒng)計(jì)降尺度方法作為一個(gè)嶄新的學(xué)科方向在國(guó)際上流行開來,它的主要思想就是模式解釋應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)降尺度方法可以將氣候模式輸出中物理意義較好、模擬較準(zhǔn)確的氣候信息應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)模式,從而糾正氣候模式的系統(tǒng)誤差。大量研究結(jié)果表明,基于模式高技巧輸出信息的統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)報(bào)明顯改進(jìn)了氣候預(yù)測(cè)的效果[24,25,26,27,28,30,31,32,56,57,58,59,60,61,62,63,64]。統(tǒng)計(jì)降尺度方法很多,主要包括轉(zhuǎn)換函數(shù)法、天氣分型技術(shù)和天氣發(fā)生器。在月、季氣候預(yù)測(cè)中,轉(zhuǎn)換函數(shù)法最為常用。轉(zhuǎn)換函數(shù)可以是線性,也可以是非線性,其中線性回歸方法在統(tǒng)計(jì)降尺度研究中最為常用,包括多元線性回歸、逐步線性回歸、最優(yōu)子集回歸(OSR)、典型相關(guān)分析(CCA)、奇異值分解(SVD)等。從統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)報(bào)模型的特點(diǎn)來看,一般可以分為兩類,分別是大尺度預(yù)報(bào)因子對(duì)區(qū)域要素主要模態(tài)的預(yù)報(bào)以及對(duì)站點(diǎn)(格點(diǎn))要素的預(yù)報(bào)。當(dāng)預(yù)報(bào)對(duì)象是區(qū)域要素主要模態(tài)時(shí),通常用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、典型相關(guān)分析等方法得到區(qū)域要素的主要模態(tài),并利用其主成分與大尺度預(yù)報(bào)因子建立回歸模型,最后利用空間模態(tài)與主成分對(duì)預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行還原。統(tǒng)計(jì)降尺度更多應(yīng)用于對(duì)站點(diǎn)(格點(diǎn))要素的預(yù)報(bào),當(dāng)預(yù)報(bào)對(duì)象為站點(diǎn)要素時(shí),由于區(qū)域氣候環(huán)境及局地復(fù)雜地形影響,站點(diǎn)要素的變率可能較大,導(dǎo)致與大尺度環(huán)流之間的關(guān)系不密切或者不穩(wěn)定,這會(huì)影響到降尺度模型的預(yù)測(cè)能力?；谠撎攸c(diǎn),提出了空間分區(qū)技術(shù),利用區(qū)域要素的平均狀態(tài)來消除站點(diǎn)可能存在的不確定性。隨著統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展,如何更好地應(yīng)用模式信息建立穩(wěn)定有效的降尺度模型始終是關(guān)注重點(diǎn),已有研究表明結(jié)合前期大氣海洋的異常信號(hào)與模式輸出的有用信息一起建立預(yù)測(cè)模型可以取得更好的預(yù)測(cè)效果。此外,分別利用多個(gè)單模式的有用信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)降尺度再對(duì)降尺度結(jié)果進(jìn)行集合的預(yù)報(bào)方案也已經(jīng)被提出。若要素預(yù)報(bào)量包含了不同時(shí)間尺度信息,會(huì)對(duì)降尺度模型的構(gòu)建帶來不利影響,因此,提出了分離時(shí)間尺度的統(tǒng)計(jì)降尺度思路,并取得較好的預(yù)測(cè)效果。統(tǒng)計(jì)降尺度已經(jīng)在氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域開展了大量的研究工作,是當(dāng)前及未來一段時(shí)間內(nèi)短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,而基于模式輸出結(jié)果的釋用技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用一直是國(guó)家氣候中心關(guān)注的問題。利用月動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)(DERF)500hPa高度場(chǎng)對(duì)中國(guó)區(qū)域降水的解釋應(yīng)用在月氣候預(yù)測(cè)中得到較好的應(yīng)用?；贒ERF模式最優(yōu)信息提取技術(shù)也被應(yīng)用到月氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中,逐月提供氣溫和降水的降尺度預(yù)報(bào)產(chǎn)品。在月尺度預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上,利用DERF逐候結(jié)果結(jié)合統(tǒng)計(jì)降尺度方法開發(fā)了逐候滾動(dòng)的延伸期逐旬氣溫和降水預(yù)測(cè)產(chǎn)品,并將預(yù)測(cè)對(duì)象拓展到極端降水日數(shù)、最高(低)氣溫距平等。而基于國(guó)家氣候中心全球海氣耦合模式(NCC＿CGCM)的輸出結(jié)果得到的統(tǒng)計(jì)降尺度產(chǎn)品對(duì)季節(jié)預(yù)測(cè)起了很好的參考作用。這些模式解釋應(yīng)用技術(shù)的業(yè)務(wù)化為月、季氣候預(yù)測(cè)提供了重要支撐。而如何更好地利用國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀氣候模式的有用信息來指導(dǎo)月、季氣候預(yù)測(cè)是國(guó)家氣候中心氣候業(yè)務(wù)發(fā)展關(guān)注的問題。3.4多模式集合在短期氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展由于氣候系統(tǒng)自身的混沌性特征,模式預(yù)測(cè)對(duì)初始值誤差和模式自身誤差敏感。采用多個(gè)模式進(jìn)行集合預(yù)報(bào)時(shí),能夠同時(shí)減少模式不確定性和初始值不確定性,從而成為有效的解決方案,并因此得到廣泛應(yīng)用。多模式集合最早出現(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域,研究均表明,多個(gè)模式集合平均后的效果優(yōu)于單模式,并因此提出利用多個(gè)業(yè)務(wù)中心的天氣預(yù)測(cè)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到更優(yōu)預(yù)測(cè)的PoorMan集合的思路和應(yīng)用方法。在集合平均方法的基礎(chǔ)上,Krishnamurti等提出超級(jí)集合的概念。在上述相關(guān)研究中,并不是將多模式模擬結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的集合平均,而是將多模式預(yù)報(bào)過程分為訓(xùn)練和預(yù)報(bào)兩個(gè)階段。在訓(xùn)練階段,通過已有的模式結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)資料利用多元線性回歸方法求取各個(gè)模式的權(quán)重,并將其用于預(yù)報(bào)階段。與單模式相比,多模式超級(jí)集合可以明顯減小單模式和集合平均的均方根誤差,Krishnamurti等的發(fā)現(xiàn)受到了極大關(guān)注,多模式集合預(yù)報(bào)迅速成為大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。多模式集合預(yù)報(bào)可以提高天氣預(yù)報(bào)水平得到廣泛認(rèn)同,但在氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域,多模式超級(jí)集合能否提高集合平均預(yù)測(cè)能力仍存在爭(zhēng)議。隨著氣候模式的發(fā)展,多模式集合在短期氣候預(yù)測(cè)方面的預(yù)測(cè)能力倍受關(guān)注。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的PROVOST項(xiàng)目和美國(guó)NCEP的DSP項(xiàng)目利用多個(gè)AGCM進(jìn)行集合肯定了多模式集合的效果。隨后,ECMWF的DEMETER計(jì)劃利用歐洲國(guó)家的7個(gè)模式細(xì)致研究了多個(gè)耦合模式集合在短期氣候預(yù)測(cè)應(yīng)用的效果和前景,利用概率性預(yù)報(bào)結(jié)果闡明了多模式集合預(yù)報(bào)的思想,討論了簡(jiǎn)單的集合平均對(duì)于單模式的優(yōu)勢(shì),回答了多模式集合平均優(yōu)于單模式的平均預(yù)報(bào)水平的原因以及不用最好的單模式取代多模式集合等問題,提出了概率方法應(yīng)用于多模式集合預(yù)報(bào)的思想和應(yīng)用方法。此外,APCC利用亞太經(jīng)合組織國(guó)家的14個(gè)模式開展了CliPAS項(xiàng)目,詳細(xì)評(píng)估了多模式集合預(yù)測(cè)在短期氣候尺度的預(yù)測(cè)效果。從現(xiàn)有多模式集合預(yù)測(cè)技巧來看,在氣溫預(yù)測(cè)方面,DEME-TER和CliPAS兩個(gè)多模式集合項(xiàng)目均在熱帶地區(qū)預(yù)測(cè)技巧較高,在北半球中緯度地區(qū)也有一定的預(yù)測(cè)能力;在降水方面,均僅在熱帶和副熱帶海洋有較高的預(yù)測(cè)技巧。在氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中,多模式集合首先涉及到多個(gè)質(zhì)量穩(wěn)定的耦合模式數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲得。目前,APCC,IRI,ECMWF,NCEP先后根據(jù)能獲得的數(shù)個(gè)模式推出了自己的多模式集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)產(chǎn)品。我國(guó)科學(xué)家在利用多模式集合在氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域也開展了很多研究工作?？导t文等用亞太氣候中心(APECClimateCenter,APCC)收集到的多個(gè)動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品,利用動(dòng)力季節(jié)模式輸出的匹配域投影技術(shù)和多模式集合預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)多個(gè)國(guó)家和城市的站點(diǎn)月降水進(jìn)行預(yù)報(bào)。李芳借助EN-SEMBLES計(jì)劃提供的5個(gè)海-氣耦合模式(CGCM)的多初值后報(bào)降水資料,采用常用的4種多模式集合方案,制作了1960-2005年中國(guó)東部夏季降水概率密度函數(shù)(PDF)季度預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上評(píng)估了目前基于多模式集合方案的中國(guó)東部夏季降水的概率密度函數(shù)季度預(yù)測(cè)能力。張剛利用DEMETER多模式集合預(yù)測(cè)系統(tǒng)1980-2001年的回報(bào)試驗(yàn),研究了歐洲7個(gè)耦合模式對(duì)東亞地區(qū)(0°～60°N,70°～140°E)冬季大氣環(huán)流和氣候異常的預(yù)測(cè)效果。在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中,2011年起開展多模式集合業(yè)務(wù)。2011年基于美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)、東京氣候中心(TCC)和中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心(NCC)的氣候模式,中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心開始進(jìn)行多模式集合技術(shù)應(yīng)用方面的初步探索,并結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)方法初步建立了多模式解釋應(yīng)用集成預(yù)測(cè)系統(tǒng)(MODES),目前MODES系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)逐月運(yùn)行,開始在國(guó)家氣候中心月、季氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮作用。從4個(gè)模式及MODES多模式集合對(duì)我國(guó)160個(gè)站夏季和冬季氣溫、降水預(yù)測(cè)效果的初步評(píng)估看,多模式集合預(yù)測(cè)的效果和最佳模式相同或接近,甚至有部分改進(jìn)。但由于現(xiàn)有4個(gè)模式預(yù)測(cè)性能之間差異過大,目前直接進(jìn)行集合尚未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。MODES系統(tǒng)詳細(xì)的技術(shù)進(jìn)展可參考文獻(xiàn)。多模式集合技術(shù)本質(zhì)上通過減小由于模式自身不確定性帶來的誤差而提高預(yù)測(cè)能力,在各個(gè)模式預(yù)測(cè)能力有限時(shí),多模式集合的效果依賴于各單一模式的預(yù)測(cè)能力,在單一模式?jīng)]有預(yù)測(cè)能力的同時(shí),多模式集合也不能提供足夠有用的預(yù)測(cè)信息。因此,獲取更多的高質(zhì)量氣候模式數(shù)據(jù),模式后處理和選擇最優(yōu)的模式組合進(jìn)行超級(jí)集合是國(guó)家氣候中心多模式集合預(yù)報(bào)工作下一步的方向。3.5預(yù)測(cè)系統(tǒng)fodas1.0動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合是提高短期氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的有效途徑之一。2008年以來,中國(guó)氣象局公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)“由歷史資料改進(jìn)動(dòng)力季節(jié)預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究”利用國(guó)家氣候中心的季節(jié)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式和較全面的歷史資料,發(fā)展了利用相似年的模式誤差信息實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)報(bào)年氣候模式預(yù)報(bào)誤差預(yù)報(bào)的汛期降水動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)客觀定量化預(yù)測(cè)方法,并利用兩類動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方案,建立了動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)降水預(yù)測(cè)系統(tǒng)(FODAS1.0)。該系統(tǒng)在動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)客觀定量化預(yù)測(cè)理論和方法的基礎(chǔ)上,充分借鑒國(guó)家氣候中心和區(qū)域、省級(jí)氣候中心現(xiàn)有科研和業(yè)務(wù)成果,尤其是預(yù)報(bào)員的診斷技術(shù)和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn),研制適合區(qū)域氣候特點(diǎn)的預(yù)測(cè)方案。目前,FO-DAS1.0已在國(guó)家氣候中心、8個(gè)區(qū)域氣候中心和廣西、山東等多省市氣候中心實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)業(yè)務(wù)試用,近幾年的實(shí)際預(yù)報(bào)效果也比較理想。詳細(xì)的技術(shù)進(jìn)展可參考文獻(xiàn)。FODAS1.0系統(tǒng)主要包括以下模塊:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊、歷史檢索模塊、相似因子客觀選取模塊、統(tǒng)計(jì)相似預(yù)測(cè)模塊、全國(guó)降水因子診斷訂正模塊、區(qū)域相似因子訂正模塊、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)客觀定量化預(yù)測(cè)模塊、預(yù)測(cè)評(píng)分模塊。預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要包括全國(guó)(或區(qū)域)季節(jié)降水的統(tǒng)計(jì)相似預(yù)測(cè)圖、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)客觀定量化預(yù)測(cè)圖以及預(yù)測(cè)產(chǎn)品的檢驗(yàn)圖形等。此外,該系統(tǒng)還可以檢索歷年降水距平百分率、因子演變曲線等,供預(yù)報(bào)員參考。FODAS1.0的推廣應(yīng)用,為區(qū)域和省級(jí)氣候中心進(jìn)一步加強(qiáng)月-季節(jié)尺度的降水等的客觀定量化預(yù)報(bào)提供了有力支撐,使之更好地為國(guó)家和區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)決策服務(wù)。采用該動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)客觀定量化預(yù)測(cè)方法對(duì)2009-2012年我國(guó)夏季汛期降水進(jìn)行了實(shí)際預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果(3月預(yù)測(cè))的PS評(píng)分分別為79,72,70,70;距平相關(guān)系數(shù)分別為0.38,0.10,0.12,0.03。3.6季節(jié)內(nèi)振蕩與氣候異常的關(guān)系熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)作為熱帶地區(qū)大氣環(huán)流異常的一個(gè)主要模態(tài),由于其代表了一種可重復(fù)發(fā)生的低頻現(xiàn)象,因此目前成為進(jìn)行次季節(jié)氣候預(yù)測(cè)研究的焦點(diǎn)。MJO和它的演變對(duì)1～4周時(shí)間尺度的熱帶環(huán)流變化預(yù)報(bào)非常關(guān)鍵,而有技巧性的MJO預(yù)報(bào)在某種程度上對(duì)1～2周的副熱帶天氣和3～4周的熱帶外氣流變化預(yù)報(bào)是有意義的。因此,MJO被認(rèn)為可以填補(bǔ)天氣預(yù)報(bào)和季節(jié)預(yù)測(cè)之間的“預(yù)報(bào)縫隙”,可以作為進(jìn)行延伸期(10～30d)預(yù)報(bào)的重要可預(yù)報(bào)性來源之一,將有助于提高兩周到月時(shí)間尺度的短期氣候預(yù)測(cè)能力。大氣季節(jié)內(nèi)振蕩在我國(guó)東部天氣、氣候演變中扮演了重要角色,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作較多。何金海等指出我國(guó)夏季降水主要受10～20d和30～60d低頻振蕩的影響。李崇銀研究也表明,華北汛期降水偏多年份,降水量的30～60d低頻振蕩明顯,降水偏少年份,該振蕩不明顯。夏季風(fēng)在北進(jìn)過程中存在明顯的準(zhǔn)雙周和季節(jié)內(nèi)振蕩現(xiàn)象,季風(fēng)雨帶的北進(jìn)、停滯和中斷等現(xiàn)象都與季節(jié)內(nèi)振蕩關(guān)系密切。與東亞夏季風(fēng)活動(dòng)相聯(lián)系的低緯度風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)及向外長(zhǎng)波輻射場(chǎng)在夏季風(fēng)爆發(fā)前均出現(xiàn)明顯的季節(jié)內(nèi)振蕩,且振蕩以低頻形式向中高緯度地區(qū)傳播,從而影響中高緯度地區(qū)的天氣和氣候。琚建華等研究指出,東亞強(qiáng)季風(fēng)涌年,準(zhǔn)30～60d振蕩的影響顯著,易造成長(zhǎng)江中下游多雨;東亞弱季風(fēng)涌年,準(zhǔn)30～60d振蕩減弱,10～20d低頻振蕩為主要的振蕩周期,容易造成長(zhǎng)江中下游干旱。長(zhǎng)江流域旱澇年的低頻風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出顯著的不同,澇年降水是由南北方低頻渦旋相向運(yùn)動(dòng)在長(zhǎng)江流域匯合所形成;旱年降水則由熱帶西太平洋低頻渦旋向西北方移動(dòng)影響長(zhǎng)江流域所造成。盡管大量研究表明,我國(guó)東部洪澇很大程度上與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩有關(guān),特別是長(zhǎng)江中下游、華南地區(qū)降水與低頻振蕩及其傳播聯(lián)系密切。這些研究成果均基于診斷分析,對(duì)認(rèn)識(shí)季節(jié)內(nèi)振蕩與我國(guó)氣候異常關(guān)系有重要作用,但在國(guó)內(nèi),無論是中期預(yù)報(bào)還是月-季節(jié)尺度預(yù)報(bào)一直難以得到有效應(yīng)用。其中主要原因之一是濾波方法的限制,缺乏一個(gè)能客觀、實(shí)時(shí)提取MJO演變信息(比如強(qiáng)度和位置)的方法;另一方面,由于MJO主要是大氣內(nèi)部動(dòng)力過程,其可預(yù)報(bào)性有很大的不確定性,并缺乏有效的預(yù)報(bào)手段。正是由于這兩方面原因,限制了MJO在“次季節(jié)”預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。但最近幾年,國(guó)際上在這兩方面的研究均取得了較大進(jìn)展,為MJO的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了技術(shù)上的支持。2004年Wheeler等利用多變量EOF方法設(shè)計(jì)了一個(gè)二維MJO指數(shù),該指數(shù)沒有使用傳統(tǒng)的濾波技術(shù),因此可以實(shí)時(shí)提取MJO信息(包括MJO對(duì)流的位置和強(qiáng)度)。該指數(shù)將MJO沿全球熱帶地區(qū)的傳播在空間上分為8個(gè)位相(空間位置),組成了一個(gè)完整的MJO對(duì)流從西印度洋發(fā)展到中太平洋消亡的生命循環(huán)過程。由于該指數(shù)較為直觀且方便使用,目前該指數(shù)已在澳大利亞以及CPC/NCEP等多家國(guó)外氣候中心的MJO監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中廣泛使用。近幾年,國(guó)家氣候中心也利用該指數(shù)在延伸期預(yù)報(bào)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究和應(yīng)用工作,初步建立了MJO的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和應(yīng)用模型,并逐步引入到延伸期-月尺度預(yù)測(cè)和臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中。近年來,上海市氣候中心、沈陽中心氣象臺(tái)、蘭州中心氣象臺(tái)根據(jù)所關(guān)心地區(qū)較強(qiáng)降水過程與低頻環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)系,采用基于時(shí)間濾波的低頻天氣圖方法給出未來10～30d較強(qiáng)降水的發(fā)生時(shí)段,投入于汛期延伸期預(yù)報(bào)準(zhǔn)業(yè)務(wù)應(yīng)用,取得了較好的預(yù)報(bào)效果。梁平等在利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)及多變量EOF方法獲取梅雨區(qū)降水及其影響系統(tǒng)低頻信號(hào)的基礎(chǔ)上,采用最優(yōu)子集回歸方法、經(jīng)驗(yàn)波傳播(EWP)方法及全球海氣耦合模式產(chǎn)品,對(duì)梅雨季節(jié)內(nèi)演變的延伸期預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了預(yù)報(bào)和試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)梅雨區(qū)降水的延伸預(yù)報(bào)具有重要的應(yīng)用價(jià)值,可能是聯(lián)系天氣過程及異常的重要系統(tǒng);通過EEMD方法提取前期降水演變及影響因子的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào),采用最優(yōu)子集回歸統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)梅雨區(qū)逐候降水量演變進(jìn)行超前30d預(yù)報(bào)是有可能的。4重要的影響是基于理性的新理解和應(yīng)用4.1全球海洋對(duì)東亞季風(fēng)氣候的影響4.1.1我國(guó)夏季降水特征作為亞洲氣候變化最主要的影響系統(tǒng),ENSO異常及其與東亞夏季風(fēng)的相互作用將直接導(dǎo)致我國(guó)夏季旱澇災(zāi)害的形成。Huang等研究指出,在El事件的發(fā)展階段,我國(guó)江淮流域夏季風(fēng)降水偏多,華北和江南地區(qū)降水偏少;而在El事件的衰減階段,上述地區(qū)降水異常分布相反。同樣,La事件的不同階段,我國(guó)降水距平分布也不同。但近20年來,ENSO與我國(guó)夏季降水的相關(guān)性已大大衰減。作為我國(guó)夏季降水的主要預(yù)測(cè)指標(biāo),ENSO的指示意義也相應(yīng)減弱。在汛期預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中參考ENSO的作用時(shí)必須充分考慮年代際背景的差異。近幾十年,ENSO的形態(tài)格局也發(fā)生很大變化,頻繁出現(xiàn)暖池型(WP)ElNino(或稱中部型El或ElModoki事件)。研究顯示,兩類El海溫型對(duì)我國(guó)降水影響顯著不同。在近些年的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中,不同類型El海溫的影響也越來越被關(guān)注。4.1.2我國(guó)南洋質(zhì)量和降水特征繼Saji等提出印度洋偶極子(IOD)后,中國(guó)氣象工作者更加關(guān)注印度洋海溫異常對(duì)我國(guó)氣候的影響。事實(shí)上,羅紹華等早就指出阿拉伯海和南孟加拉灣的前期海溫變化與后期長(zhǎng)江中下游夏季降水有較好的相關(guān)關(guān)系。研究表明,當(dāng)IOD指數(shù)為正位相時(shí),汛期華北及江淮流域干旱少雨,而華南沿海地區(qū)為多雨帶;反之,汛期雨帶分布基本為南北多雨而長(zhǎng)江流域少雨。但對(duì)于IOD與ENSO是否獨(dú)立尚有爭(zhēng)議。琚建華等發(fā)現(xiàn)可以將ENSO與IOD作為一個(gè)統(tǒng)一的太平洋一印度洋海溫異常模態(tài)來考慮。楊輝等定義了一個(gè)熱帶太平洋一印度洋異常綜合模指數(shù),發(fā)現(xiàn)在綜合模正位相時(shí)南亞高壓偏弱,位置偏東、偏南,反之南亞高壓偏強(qiáng),位置偏西、偏北。在南印度洋也存在一個(gè)海溫偶極子型振蕩且明顯獨(dú)立于ENSO。賈小龍等將標(biāo)準(zhǔn)化的25°～40°S,65°～80°E與10°～20°S,95°～105°E區(qū)域平均海溫距平差定義為南印度洋偶極子指數(shù),發(fā)現(xiàn)前期夏、秋季偶極子正位相時(shí)次年夏季印度洋、南海(東亞)夏季風(fēng)偏弱,副熱帶高壓加強(qiáng)且南撤、西伸,南亞高壓偏強(qiáng)且位置偏東,易形成我國(guó)長(zhǎng)江流域降水偏多,華南降水偏少;負(fù)位相年相反。后期冬季西太平洋暖池是聯(lián)系南印度洋偶極子與次年我國(guó)夏季降水異常關(guān)系的一條重要途徑。楊明珠等也揭示出印度洋全海盆的增溫趨勢(shì)與我國(guó)夏季降水的氣候線性變化趨勢(shì)十分一致。該工作進(jìn)一步將熱帶外南印度洋出現(xiàn)西南印度洋為正(負(fù))、其東北部為(負(fù))正海溫異常的分布模態(tài)定義為正(負(fù))南印度洋偶極子PSIOD(NSIOD)事件。SIOD事件對(duì)我國(guó)夏季降水具有重要影響,PSIOD年,5月我國(guó)江南和西南以及長(zhǎng)江中下游的降水偏多;6—8月華北、東北區(qū)域、長(zhǎng)江中游以及華南地區(qū)降水增多,華南與華北之間的區(qū)域降水偏少,即主要為兩條雨帶的分布。NSIOD年,5月我國(guó)大部降水偏少;6—8月我國(guó)西南、江南地區(qū)以及黃淮地區(qū)降水偏多。4.1.3海溫分布的年齡和地域分布近年來,對(duì)大西洋一東亞夏季風(fēng)的研究逐漸成為海氣相互作用的另一熱點(diǎn),并成功應(yīng)用于短期氣候預(yù)測(cè)。觀測(cè)分析和數(shù)值模擬結(jié)果均表明,北大西洋三極子型的海溫異?？梢酝ㄟ^激發(fā)出一支跨越歐亞大陸的緯向遙相關(guān)波列進(jìn)而影響到東亞夏季風(fēng)的年際變率。同時(shí),我國(guó)夏季梅雨的年代際與年際變化與前期冬季北大西洋三極子型的海溫異常也密切相關(guān),當(dāng)經(jīng)向海溫距平呈“-+-”型分布時(shí),梅雨偏少;反之,當(dāng)海溫距平呈“+-+”分布時(shí),梅雨偏多。一般認(rèn)為,在年際時(shí)間尺度上北大西洋三極子型的海溫異常主要受局地上方北大西洋濤動(dòng)(NAO)型的環(huán)流異?？刂啤Ｆ渲?NAO是影響東亞夏季風(fēng)及季風(fēng)降水年際變異的重要前期因子。值得注意的是,東亞夏季風(fēng)環(huán)流對(duì)北大西洋三極子型海溫異常的響應(yīng)敏感于后者的經(jīng)向位置。雖然近10年氣象工作者將更多的眼光投向ENSO之外的海域,但與ENSO相比,這些研究依舊不多,尤其是各海域海溫如何相互作用和調(diào)制及其具體機(jī)制仍需深入分析,包括IOD與ENSO的關(guān)系問題。這些因子是否穩(wěn)定適用于我國(guó)夏季降水的短期氣候預(yù)測(cè)也需要在業(yè)務(wù)中進(jìn)一步加以檢驗(yàn)。4.2冬季氣溫特征當(dāng)前,全球變暖導(dǎo)致北極增暖,夏季海冰減少,北冰洋海水溫度升高。特別是20世紀(jì)90年代后期以來,北極海冰快速減少。北極海冰對(duì)東亞氣候異常的影響近些年來在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中也越來越受到重視。研究表明,76.5°～83.5°N,60.5°～149.5°E區(qū)域平均的9月海冰密集度(SIC)與冬季西伯利亞高壓相關(guān)顯著(相關(guān)系數(shù)為0.65,去除趨勢(shì)后二者相關(guān)系數(shù)為0.60)。9月北極海冰密集度為預(yù)測(cè)冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度,進(jìn)而預(yù)測(cè)冬季氣溫高低提供了一個(gè)前期因子。伴隨著北極海冰的減少,歐亞大陸經(jīng)歷了嚴(yán)冬頻發(fā)和極端降水或降雪事件,特別是2008年以來,我國(guó)經(jīng)歷了頻繁的冬季低溫。歐亞大陸北部冬季平均海平面氣壓的升高是近期嚴(yán)冬頻發(fā)的原因。對(duì)去除趨勢(shì)的9月SIC與后期冬季大氣環(huán)流異常進(jìn)行回歸分析,負(fù)的海平面氣壓異常出現(xiàn)在歐亞大陸北部,在歐洲北部存在一個(gè)異常中心。負(fù)的地面氣溫異常主要位于北歐海一巴倫支海一喀拉海,正的地面氣溫異常出現(xiàn)在歐亞大陸中高緯度、東亞及其邊緣海域。顯著的正地面氣溫異常出現(xiàn)在東亞和西北太平洋部分區(qū)域。春季(3—5月)白令海和鄂霍次克海冰面積與夏季(6—7月)我國(guó)南方降水有很好的關(guān)系。春季少冰年與多冰年我國(guó)夏季降水的差異顯示,華南西部、貴州至長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水有顯著的正異常,長(zhǎng)江中下游梅雨偏強(qiáng)。白令海和鄂霍次克海冰的多少為汛期氣候預(yù)測(cè)提供了下墊面強(qiáng)迫前兆信號(hào)。春季多冰年與少冰年500hPa高度差異顯示,貝加爾湖至我國(guó)河套地區(qū)上空有顯著的正高度異常,河套高壓偏強(qiáng)。春季少冰年,我國(guó)大陸盛行北風(fēng),夏季風(fēng)偏弱;假相當(dāng)位溫大值區(qū)位于江南上空的對(duì)流層中層,這一帶上升運(yùn)動(dòng)偏強(qiáng),對(duì)流活躍,降水偏多。海冰的減少?gòu)?qiáng)迫向東傳播的波活動(dòng)通量,導(dǎo)致歐洲高壓發(fā)展,降水減少,土壤濕度降低,地表溫度升高,夏季感熱通量增加,進(jìn)一步加強(qiáng)了歐洲靜止波。向東傳播的波能量和強(qiáng)度在東亞夏季產(chǎn)生高氣壓響應(yīng),歐洲大陸成為海冰變化和東亞夏季風(fēng)變化的橋梁。4.3我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)應(yīng)用中關(guān)于氣候變化的討論陸面過程影響大氣環(huán)流和氣候變化的基本物理過程、生化過程、生態(tài)過程,在大氣-陸面相互作用中扮演著重要角色,雖然陸面過程很早就被氣象所認(rèn)知,但陸面過程對(duì)天氣氣候變化影響的重要性還是在近幾十年才被進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。特別是隨著對(duì)全球氣候和氣候異常重視程度的增加,陸面過程研究成為當(dāng)代氣候系統(tǒng)和天氣研究的熱點(diǎn)之一。在當(dāng)前實(shí)際氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中,陸面過程對(duì)氣候的影響信息來源于兩個(gè)途徑,一是含有陸面過程參數(shù)化模塊的動(dòng)力氣候模式的預(yù)測(cè)結(jié)果,另一方面是基于觀測(cè)和診斷分析的陸面異常對(duì)短期氣候的影響。相比海洋異常信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和影響顯著的特征,陸面異常信號(hào)的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,同時(shí)由于陸地上各種各樣的下墊面不斷向大氣輸送動(dòng)量、感熱和潛熱、反射短波和發(fā)射長(zhǎng)波輻射、形成地表徑流,而這些量又是時(shí)空多變的,要精確地刻畫和診斷并非易事。另外,由于陸面觀測(cè)資料長(zhǎng)度、代表性、實(shí)時(shí)性的限制,很多陸面過程的信息還未在實(shí)時(shí)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中使用。目前我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中使用較多的是歐亞大陸積雪異常對(duì)亞洲季風(fēng)的影響。一些學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)回顧,本文主要關(guān)注積雪研究成果在氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中應(yīng)用的部分內(nèi)容。國(guó)內(nèi)學(xué)者幾十年來的大量研究集中在青藏高原積雪對(duì)東亞季風(fēng)的影響,早期研究就認(rèn)識(shí)到青藏高原積雪偏多會(huì)導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)偏弱,東亞季風(fēng)系統(tǒng)的季節(jié)變化進(jìn)程比常年偏晚,初夏華南降水偏多,夏季長(zhǎng)江及江南北部降水偏多,華北和華南降水偏少?；谠\斷分析和數(shù)值模擬,青藏高原積雪影響東亞季風(fēng)的物理過程可概括為青藏高原積雪多(少),春夏高原感熱弱(強(qiáng)),感熱加熱引起的上升運(yùn)動(dòng)弱(強(qiáng)),青藏高原強(qiáng)(弱)風(fēng)場(chǎng)不利于(有利于)高原感熱通量向上輸送,青藏高原上空對(duì)流層加熱弱(強(qiáng)),對(duì)流層溫度低(高),青藏高原南側(cè)溫度對(duì)比弱(強(qiáng)),造成夏季風(fēng)弱(強(qiáng)),我國(guó)長(zhǎng)江流域易澇(旱)。另外,青藏高原積雪異常對(duì)ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的關(guān)系發(fā)揮著顯著的調(diào)制作用。在青藏高原積雪異常偏多年,ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的聯(lián)系減弱;在積雪異常偏少年,ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系則加強(qiáng)。研究結(jié)果表明,青藏高原積雪異常減少,有助于北太平洋上空的西風(fēng)急流減弱,從而有利于與ENSO相關(guān)聯(lián)的熱帶外大氣Rossby波從西傳播抵達(dá)東亞地區(qū),進(jìn)而增強(qiáng)ENSO與東亞夏季風(fēng)的聯(lián)系,反之亦然。歐亞大陸中緯度地區(qū)積雪和東亞夏季風(fēng)之間的關(guān)系研究相對(duì)青藏高原較少,但最近10年也取得了顯著進(jìn)展。最早研究認(rèn)為冬季歐亞大陸積雪和華北夏季風(fēng)為弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)歐亞大陸積雪對(duì)中國(guó)不同區(qū)域的影響不同,歐亞大陸冬季雪蓋與華南、華北的降水為正相關(guān),與東北的降水為弱負(fù)相關(guān),與長(zhǎng)江流域降水為負(fù)相關(guān)。而冬季歐亞大陸北部新增雪蓋面積偏大時(shí),江南降水偏少。歐亞大陸中緯度積雪影響東亞季風(fēng)的物理過程可概括為歐亞積雪偏多或者新增積雪偏多,歐亞積雪融化進(jìn)程減慢,至夏季積雪和凍土的融化加劇,積雪的水文效應(yīng)和反照率效應(yīng)造成土壤溫度明顯偏低,地面冷卻作用造成高度場(chǎng)偏低,并加強(qiáng)中高緯度異常北風(fēng),東亞南北熱力差異增強(qiáng),東亞副熱帶急流增強(qiáng),西太平洋副熱帶高壓易加強(qiáng)、西伸、北擴(kuò),江南高溫干旱,東亞從北向南的環(huán)流型呈“-+-”的遙相關(guān)波列。實(shí)際上,無論是青藏高原積雪還是歐亞大陸積雪對(duì)亞洲季風(fēng)的影響均不呈線性的,也不是獨(dú)立的,還受到ENSO循環(huán)、北大西洋濤動(dòng)(NAO)等外強(qiáng)迫和大氣內(nèi)部動(dòng)力過程的作用。此外,采用不同的積雪資料和積雪指數(shù),積雪面積或積雪深度也會(huì)得到有差異的環(huán)流特征。在實(shí)際的短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中會(huì)遇到反例或不同區(qū)域積雪特征與其他監(jiān)測(cè)變量不匹配的情況,因此積雪異常的氣候效應(yīng)遠(yuǎn)比海洋異常的影響復(fù)雜。4.4長(zhǎng)期風(fēng)壓病期3年近年來研究發(fā)現(xiàn),作為東亞夏季風(fēng)的氣流源地,南半球大氣環(huán)流在夏季降水的預(yù)測(cè)中具有重要指示意義,可做為預(yù)報(bào)因子在業(yè)務(wù)中使用。李曾中等指出,6—9月850hPa東半球越赤道氣流總量偏多的年份,當(dāng)年夏季我國(guó)大陸降水亦偏多。王會(huì)軍等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),春季索馬里急流與夏季我國(guó)長(zhǎng)江中下游及華南地區(qū)降水均呈負(fù)相關(guān)。除我國(guó)東部降水外,青藏高原大部分地區(qū)夏季降水與5月索馬里急流有很好的正相關(guān)關(guān)系,東半球的越赤道氣流還影響到初夏季風(fēng)的建立。李崇銀等研究發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)于南海夏季風(fēng)爆發(fā),總是先期在赤道印度洋地區(qū)有西風(fēng)加強(qiáng)和索馬里跨赤道南風(fēng)氣流的建立。而且,若南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早(晚),前期赤道印度洋地區(qū)西風(fēng)的加強(qiáng)和索馬里跨赤道南風(fēng)氣流的建立也偏早(晚)。高輝等指出,當(dāng)前期索馬里和南海越赤道氣流建立偏早(晚)、強(qiáng)度偏強(qiáng)(弱)時(shí),南海夏季風(fēng)爆發(fā)易偏早(晚)。南半球熱帶外大氣環(huán)流同樣具有重要影響。王紹武等指出,當(dāng)南太平洋高壓偏北時(shí)我國(guó)夏季多干旱,偏南時(shí)我國(guó)多洪澇。陳國(guó)珍等研究發(fā)現(xiàn),6—8月南半球極渦異常偏弱(強(qiáng))時(shí),北半球副熱帶高壓偏南(北),長(zhǎng)江流域多(少)雨,華南華北少(多)雨。吳仁廣等認(rèn)為,當(dāng)2月南印度洋中高緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流發(fā)展時(shí),長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨期降水容易偏多。薛峰等指出當(dāng)北半球從春到夏馬斯克林高壓偏強(qiáng)時(shí),夏季我國(guó)長(zhǎng)江流域至日本一帶多雨,我國(guó)華南到臺(tái)灣以東的西太平洋以及東亞中緯度大部分地區(qū)少雨。近年來,南極濤動(dòng)(AAO)或南半球環(huán)狀模(SAM)成為南半球大氣環(huán)流的研究熱點(diǎn),并廣泛應(yīng)用于短期氣候預(yù)測(cè)。高輝等研究表明,5月南極濤動(dòng)加強(qiáng),江淮梅雨量多,出梅晚,梅雨期長(zhǎng)。Nan等研究也表明,4—5月南極濤動(dòng)與長(zhǎng)江中下游的夏季降水呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,春季南極濤動(dòng)強(qiáng),對(duì)應(yīng)著東亞夏季風(fēng)減弱和西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸。范可等研究結(jié)果也證實(shí)我國(guó)長(zhǎng)江中下游澇(旱)年往往對(duì)應(yīng)著春季南極濤動(dòng)正(負(fù))異常年。這一關(guān)系可通過南半球高緯度地區(qū)到北半球東亞沿岸經(jīng)向分布的正壓遙相關(guān)波列得以部分解釋。秋季SAM和東亞冬季風(fēng)存在顯著