陳官軍 魏鳳英

1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

3 中國人民解放軍96164部隊(duì)58分隊(duì)，浙江 321021

基于低頻振蕩特征的夏季江淮持續(xù)性降水延伸期預(yù)報(bào)方法

陳官軍1，2，3魏鳳英1

1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

3 中國人民解放軍96164部隊(duì)58分隊(duì)，浙江 321021

本文利用1981～2008年我國南方地區(qū)200站逐日降水量、NCEP再分析資料和NCEP氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)（CFS）的模式回算數(shù)據(jù)，針對降水低頻信號，分析了江淮地區(qū)夏季降水的延伸期可預(yù)報(bào)性，并選取對江淮持續(xù)性強(qiáng)降水有顯著影響的東亞環(huán)流指數(shù)作為預(yù)報(bào)因子，以降水20～50天低頻分量作為預(yù)報(bào)量，進(jìn)行了針對江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程的延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)果表明，江淮地區(qū)夏季降水具有明顯的20～50天周期的低頻振蕩特征。降水的20～50天低頻振蕩，尤其是峰谷值位相的變化與實(shí)際降水集中期和中斷期的交替有較好的關(guān)系，研究20～50天降水低頻分量的延伸預(yù)報(bào)，對于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程的延伸預(yù)報(bào)有一定的指示意義。本文嘗試提出一種基于大氣環(huán)流低頻信號和數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的動力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法，以期為江淮地區(qū)夏季持續(xù)性降水過程的延伸期預(yù)報(bào)提供參考。

持續(xù)性強(qiáng)降水過程延伸預(yù)報(bào) 低頻振蕩 氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng) 預(yù)報(bào)方法

1 引言

夏季風(fēng)爆發(fā)和盛行的時(shí)期，是我國暴雨的季節(jié)，其中最顯著的降雨是江淮地區(qū)的梅雨。梅雨期降雨，尤其是造成洪澇災(zāi)害的持續(xù)性強(qiáng)降水過程的研究和預(yù)報(bào)，一直都是我國氣象工作者最關(guān)心的問題之一。大范圍降雨天氣系統(tǒng)的準(zhǔn)靜止性和再生性是持續(xù)性強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要條件，而這種有利的降水形勢主要是持續(xù)性的大尺度環(huán)流異常造成的。研究表明 （陶詩言等，1980；丁一匯，2005），我國暴雨的發(fā)生主要受三個(gè)大尺度環(huán)流因子的影響：第一，東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)和撤退決定了我國東部雨季的開始和結(jié)束，而降水的強(qiáng)度和變化與夏季風(fēng)脈動密切相關(guān)；第二，西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓的位置決定了主雨帶的位置；第三，東亞中高緯度大氣環(huán)流的異常是決定暴雨是否有利的關(guān)鍵因素。因此，把握上述大尺度環(huán)流系統(tǒng)的未來變化趨勢是做好持續(xù)性強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。進(jìn)一步，可以理解為這些具有準(zhǔn)定常性質(zhì)的大氣流型出現(xiàn)，或者某些異常環(huán)流的信號明顯且持續(xù)時(shí)，較長時(shí)間尺度的天氣過程往往具有較好的可預(yù)報(bào)性，因?yàn)檫@些強(qiáng)的異常環(huán)流一般會引發(fā)后期的極端持續(xù)性天氣氣候異常（金榮花等，2010）。

當(dāng)前，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)未來5～10天的天氣形勢，但是隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對未來天氣的變化，特別是對未來10～30天的天氣變化的預(yù)報(bào)需求愈來愈高。但由于前兆信號監(jiān)測條件和科學(xué)基礎(chǔ)的制約，10～30天延伸期天氣過程物理機(jī)制中還有許多問題沒有解決，延伸數(shù)值預(yù)報(bào)模式尚未達(dá)到業(yè)務(wù)運(yùn)行的要求（楊秋明，2008）。因此，延伸期預(yù)報(bào) （10～30天）的方法和機(jī)理成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。我國目前處于延伸預(yù)報(bào)的探索研究階段，就預(yù)報(bào)方法而言，主要有動力學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。對于動力方法來說，目前的研究主要集中在對動力延伸預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性研究上，如模式延伸預(yù)報(bào)效果的評估、誤差來源和誤差增長機(jī)制以及如何減小模式預(yù)報(bào)誤差等等 （陳伯民等，2003；鄭志海等，2010），其中對于數(shù)值模式對大氣季節(jié)內(nèi)振蕩特征模擬效果的研究與延伸預(yù)報(bào)有更加密切的關(guān)系 （Boer，1993；李崇銀等，2006；蔣國榮等，2007；倪文琪和蔣國榮，2010），但是延伸期天氣過程既有初始場的影響，又受到外強(qiáng)迫的制約，單純地采用天氣或者氣候數(shù)值模式來完成延伸預(yù)報(bào)還存在很大困難。針對延伸期統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法的研究主要是圍繞大氣季節(jié)內(nèi)振蕩特征來開展的 （Jones et al.，2000，2003；Xavier and Goswami，2007；信飛等，2008；孫國武等，2008）。可預(yù)報(bào)性研究證實(shí) （Van den Dool and Saha，1990；李崇銀，2000），不同空間尺度的大氣運(yùn)動的可預(yù)報(bào)的時(shí)間長度是存在差異的，導(dǎo)致持續(xù)性強(qiáng)降水過程的原因是大尺度系統(tǒng)異常的長時(shí)間穩(wěn)定和維持。如阻塞高壓、副熱帶高壓、南亞高壓和越赤道低空急流等系統(tǒng)異常的穩(wěn)定和維持，對于持續(xù)性降水過程有重要影響 （陳于湘，1980；陳菊英等，2006；楊秋明，2009；趙亮和丁一匯，2009）。對于我國南方夏季強(qiáng)降水過程的研究表明，出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水過程不僅與大氣環(huán)流異常穩(wěn)定有關(guān)，還與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩相聯(lián)系 （何金海，1988；繆錦海和劉家銘，1991；琚建華等，2005；張瑛等，2008）。一些研究結(jié)果表明 （Waliser et al.，1999；Lo and Hendon，2000；Hendon et al.，2000），基于季節(jié)內(nèi)振蕩的降水潛在可預(yù)報(bào)性時(shí)效為15天，環(huán)流場可達(dá)30天。國外一些氣象部門將季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù)作為實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷的工具，并在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的實(shí)時(shí)預(yù)測 （Wheeler and Hendon，2004；Saha et al.，2006）。我國近幾年開展了延伸期預(yù)報(bào)的探索 （Zhang et al，2009；梁萍，2010），主要根據(jù)大氣低頻振蕩的特性預(yù)報(bào)未來降水過程，具有一定的預(yù)報(bào)效果 （丁一匯和梁萍，2010），但目前還缺少可以用于業(yè)務(wù)的延伸期客觀預(yù)報(bào)方法。

前期作者曾對美國國家環(huán)境預(yù)測中心氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng) （NCPE Climate Forecast System，NCEP／CFS）對東亞大氣環(huán)流場的預(yù)報(bào)技巧進(jìn)行了評估（陳官軍等，2010），發(fā)現(xiàn)該模式準(zhǔn)雙周 （10～20天）和30～50天低頻振蕩分量的延伸期的預(yù)報(bào)技巧高于對整體環(huán)流的預(yù)報(bào)技巧，尤其是對持續(xù)性強(qiáng)降水產(chǎn)生直接影響的關(guān)鍵系統(tǒng)演變趨勢的預(yù)報(bào)技巧具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。這就提示我們，可以利用數(shù)值模式對未來環(huán)流場的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以大氣低頻振蕩特征為物理基礎(chǔ)，以動力與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合為手段，建立延伸期降水的客觀預(yù)報(bào)模型。本文在分析江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程延伸期可預(yù)報(bào)性的基礎(chǔ)上，利用降水20～50天低頻分量與持續(xù)性強(qiáng)降水過程的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合NCEP／CFS模式延伸期預(yù)報(bào)產(chǎn)品，建立針對江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程的客觀預(yù)報(bào)模型，同時(shí)進(jìn)行了試預(yù)報(bào)和試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)。

2 資料

本文使用的資料有：

（1）國家氣象信息中心提供的1981～2008年我國南方地區(qū) （105°E以東，34°N以南）200站逐日降水量。

（2）美國國家環(huán)境預(yù)測中心 （NCEP）提供的1949～2008年2.5°×2.5°網(wǎng)格點(diǎn)逐日再分析II資料 ［NCEP／DOE Atmospheric Model Intercomparison Project（AMIP）II Reanalysis（R2）data］，作為環(huán)流場觀測數(shù)據(jù)。

（3）NCEP／CFS（NCPE Climate Forecast System）所提供的1981～2008年的逐日歷史回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)值預(yù)報(bào)資料，水平網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°，預(yù)報(bào)時(shí)效從24小時(shí)到6480小時(shí)，間隔12小時(shí)。

3 江淮地區(qū)夏季持續(xù)性降水過程的可預(yù)報(bào)性

與副熱帶季風(fēng)密切相關(guān)的梅雨現(xiàn)象對長江中下游—淮河流域的夏季旱澇有著重要的影響。從以往的研究發(fā)現(xiàn)，梅雨降水的強(qiáng)度和變化與夏季風(fēng)系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)活動密切相關(guān)，那么，在這種季節(jié)內(nèi)脈動的影響下，江淮地區(qū)梅雨降水呈現(xiàn)出顯著的低頻振蕩特征 （陸爾和丁一匯，1996；李桂龍和李崇銀，1999；Yang and Li，2003；毛江玉和吳國雄，2005；夏蕓等，2008）。我們運(yùn)用功率譜方法分析了1981～2008年江淮地區(qū)4～9月逐日降水序列的頻譜特征。如圖1，將相應(yīng)周期的譜密度除以α＝0.05的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜，繪制成28年江淮地區(qū)夏季降水的譜比值分布，當(dāng)譜比值大于1.0代表該周期超過0.05顯著性水平，比值越大表明周期越顯著。從圖1可以看出，江淮地區(qū)4～9月逐日降水變化通過顯著性檢驗(yàn)的周期為20～50天、10～20天和6～7天。其中20～50天振蕩在整個(gè)28年中均顯著，10～20天周期振蕩除了在1991～1994年和2000～2001年期間不明顯外，在其他年份都顯著存在。降水量7天左右的周期變化反映了天氣尺度過程的影響，而將10天以上90天以內(nèi)的周期變化視為低頻變化，因此，20世紀(jì)80年代至今，4～9月江淮地區(qū)逐日降水量具有顯著的周期為20～50天的低頻振蕩特征。

進(jìn)一步利用Butterworth帶通濾波方法提取1981～2008年平均的江淮地區(qū)4～9月逐日降水的20～50天低頻分量，如圖2所示，20～50天低頻分量分別在4月上旬至5月上旬、6月中旬至7月上旬和8月中旬至9月上旬處于正位相，與實(shí)際降水的三個(gè)主要降水時(shí)間段分布一致。進(jìn)一步計(jì)算20～50天低頻分量的方差，并除以實(shí)際降水量的方差得到相對方差，即低頻分量對實(shí)際降水量的方差貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)4～9月20～50天低頻分量對實(shí)際降水的方差貢獻(xiàn)率為20.8%，而在梅雨發(fā)展最旺盛的6月中旬到7月上旬，20～50天低頻分量的方差貢獻(xiàn)增加到34%。因此，在氣候平均狀況下，20～50天低頻變化，尤其是其正負(fù)位相變化能夠反映持續(xù)性的強(qiáng)、弱降水過程的交替演變。

圖1 1981～2008年江淮地區(qū)4～9月逐日降水量功率譜比值分布Fig.1 Power spectrum ratio distribution of daily rainfall during Apr to Sep from 1981to 2008over the Yangtze－Huaihe River Valley（YHRV）

圖2 江淮地區(qū)4～9月多年平均實(shí)際日降水量 （實(shí)線）和20～50天低頻分量 （虛線）Fig.2 The 1981－2008average daily rainfall over the YHRV （solid line）and the 20－50－day low－frequency component（dashed line）

那么，上述變化特征與實(shí)際的持續(xù)性強(qiáng)降水過程有怎樣的關(guān)系？下面分析各年的情況，同樣以Butterworth帶通濾波方法提取1981～2008年各年的江淮地區(qū)4～9月逐日降水的20～50天低頻分量，并計(jì)算其方差貢獻(xiàn)。分析發(fā)現(xiàn)，20～50天低頻分量對于實(shí)際降水的貢獻(xiàn)有明顯的年際差異，上下限分別為6%和28.5%，平均近15%。這種變化還體現(xiàn)在，江淮地區(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)頻數(shù)相對較大的年份，如1983年、1991年、1996年、1998年、1999年和2003年，20～50天低頻分量的方差貢獻(xiàn)大于平均值。進(jìn)一步計(jì)算4～9月江淮地區(qū)強(qiáng)降水頻數(shù)（日降水量大于20mm的日數(shù)）與低頻分量方差貢獻(xiàn)率的相關(guān)系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，20～50天低頻分量與江淮地區(qū)4～9月強(qiáng)降水頻數(shù)有顯著的正相關(guān) （相關(guān)系數(shù)為0.66，超過0.001的顯著性水平）。同時(shí)，如圖3所示，以1983年、1991年、1998年、2003年為例，在出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水過程的年份，20～50天的準(zhǔn)周期振蕩與實(shí)際強(qiáng)降水過程的演變有一定關(guān)系，特別是其峰谷值位相與降水集中期和中斷期非常吻合。因此，就江淮地區(qū)夏季降水而言，20～50天低頻振蕩能夠反映持續(xù)性強(qiáng)降水過程的發(fā)生、發(fā)展和終結(jié)，江淮地區(qū)夏季降水20～50天低頻分量的延伸預(yù)報(bào)，對于實(shí)際持續(xù)性強(qiáng)降水過程的延伸預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

圖3 1983年、1991年、1998年和2003年4～9月份逐日降水量 （柱狀）及其20～50天低頻分量 （實(shí)線）演變Fig.3 The evolution of original precipitation and the 20－50－day component during Apr to Sep in 1983，1991，1998，and 2003

4 預(yù)報(bào)因子的選取及其對實(shí)際降水的擬合

副熱帶高壓、阻塞高壓、青藏高壓和西南季風(fēng)氣流等大尺度天氣系統(tǒng)的低頻振蕩過程及低頻波列的傳播與直接影響江淮地區(qū)降水過程的低頻環(huán)流系統(tǒng)演變有密切聯(lián)系。同時(shí)，如果希望采用數(shù)值預(yù)報(bào)的產(chǎn)品來結(jié)合統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立延伸期預(yù)報(bào)模型，則需要同時(shí)兼顧數(shù)值模式的預(yù)報(bào)精度和統(tǒng)計(jì)模型的顯著性。NCEP／CFS對于夏季東亞地區(qū)大尺度環(huán)流系統(tǒng)的低頻變化過程的延伸期預(yù)報(bào)有很強(qiáng)的利用價(jià)值，因此，結(jié)合前人的研究 （陶詩言等，2001），將與江淮地區(qū)低頻降水過程相關(guān)的大尺度天氣系統(tǒng)客觀、定量化，就能夠?yàn)榻吹貐^(qū)延伸期降水客觀預(yù)報(bào)提供合適的預(yù)報(bào)因子。

4.1 東亞關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)指數(shù)的定義

傳統(tǒng)的數(shù)值模式產(chǎn)品釋用中預(yù)報(bào)因子處理方法，通常是將數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的格點(diǎn)預(yù)報(bào)值直接內(nèi)插到站點(diǎn)上作為站點(diǎn)的預(yù)報(bào)因子，再與站點(diǎn)的預(yù)報(bào)對象建立預(yù)報(bào)方程，而位勢高度場、風(fēng)場等常規(guī)要素場往往可以反映大氣運(yùn)動中天氣系統(tǒng)的變化情況，但必須以“形勢場”的形式出現(xiàn)時(shí)才能體現(xiàn)天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景的特征。持續(xù)性強(qiáng)降水總是與特定的天氣系統(tǒng)異常相聯(lián)系，如將模式預(yù)報(bào)值直接插值到預(yù)報(bào)站點(diǎn)上，則無法體現(xiàn)天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景的特征。我們嘗試將影響持續(xù)性降水的東亞大尺度關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)指數(shù)作為預(yù)報(bào)因子引入預(yù)報(bào)模型，改善MOS法或PPM法等傳統(tǒng)釋用方法在天氣和動力學(xué)意義上的缺陷。參考其他人的工作 （趙振國，1999；劉平等，2000；王會軍和薛峰，2003；王瀛等，2007；彭麗霞等，2009），定義10個(gè)環(huán)流指數(shù)如下：

（1）西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù) （Subtropical High Intensity，簡稱SubHI）：10°N以北，110°E～150°E范圍，大于5880gpm的編碼之和 （5880＝1，5890＝2，5900＝3...）；

（2）西太平洋副熱帶高壓脊線位置 （Subtropical High Ridge，簡稱SubHR）：110°E～150°E范圍內(nèi)，以赤道500hPa位勢高度值為基準(zhǔn)，求北半球各個(gè)緯度與它的位勢高度偏差，位勢高度偏差最大值格點(diǎn)的緯度平均值；

（3）西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn) （Western end of the Subtropical High ridge，簡稱SubHW）：90°E～179°E范圍內(nèi)5880gpm等值線最西位置所在的經(jīng)度；

（4）鄂霍次克海阻塞高壓指數(shù) （Okhotsk Block High，簡稱Okhotsk BH）：（60°N～70°N，125°E～150°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（5）貝加爾湖阻塞高壓指數(shù) （Baikal Lake Block High，簡稱BKL BH）：（45°N～55°N，80°E～110°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（6）烏拉爾山阻塞高壓指數(shù) （Ural Block High，簡稱 Ural BH）：（55°N～65°N，40°E～70°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（7）極渦強(qiáng)度指數(shù) （Polar Vortex，簡稱PLV）：60°E～150°E范圍內(nèi)逐日500hPa位勢高度的最低值；

（8）索馬里越赤道急流指數(shù) （Somali Jet，簡稱SMJ）：（15°S～10°N，37.5°E～62.5°E）緯度范圍850hPa經(jīng)向風(fēng)平均風(fēng)速；

（9）南亞高壓東伸指數(shù) （Eastern end of the South Asia High，簡稱SAHE）：200hPa高度場上10°N以北12500gpm等值線最東端點(diǎn)所在位置的經(jīng)度；

（10）南亞高壓風(fēng)場脊線位置 （South Asia High Ridge，簡稱SAHR）：30°E～160°E范圍內(nèi)200hPa水平風(fēng)場上緯向風(fēng)為零 （u＝0）的點(diǎn)的緯度平均值。

4.2 關(guān)鍵系統(tǒng)的低頻振蕩特征及其與江淮低頻降水的關(guān)系

同分析江淮地區(qū)4～9月降水的方法類似，對消除季節(jié)變化的10個(gè)環(huán)流指數(shù)4～9月逐日值做功率譜分析。表1所示為各周期對應(yīng)譜比值的多年平均。顯而易見，最主要的顯著周期在20～50天范圍內(nèi)，即上述將作為預(yù)報(bào)因子的環(huán)流指數(shù)與江淮地區(qū)降水同樣具有顯著的20～50天低頻振蕩特征。

為了進(jìn)一步明確所選取的預(yù)報(bào)因子能夠在多大程度上反映江淮地區(qū)低頻降水的強(qiáng)度和變化，首先參考鮑名 （2007）對江淮地區(qū)區(qū)域性暴雨的定義，并且，鑒于20～50天低頻降水分量對實(shí)際降水的多年平均貢獻(xiàn)為15%，將連續(xù)三日以上20～50天低頻降水分量大于5mm，過程總低頻降水量大于30mm的情況作為挑選持續(xù)性低頻降水過程的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果共獲得江淮地區(qū)持續(xù)性低頻降水過程12次，它們分布在10個(gè)個(gè)例年，分別是：1981年6月26～30日、1982年6月19日～6月21日、1983年6月27日～7月8日、1984年6月8～14日、1991年6月30日～7月10日、1995年6月20～25日、1996年6月30日～7月3日和7月13～17日、1999年6月22日～7月1日、2002年7月21～25日、2003年6月24～28日和7月5～10日。然后，利用上述環(huán)流指數(shù)的20～50天低頻分量對這10個(gè)個(gè)例年份6～8月降水20～50天低頻分量做回歸分析。結(jié)果如表2所示，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)全部通過0.01顯著性水平，除1991年和1996年外，絕對誤差均小于2mm，10年平均絕對誤差0.94mm，同時(shí)，從10個(gè)個(gè)例年的6～8月逐日降水時(shí)間序列的擬合曲線 （圖略）來看，通過綜合10個(gè)低頻環(huán)流因子的低頻變化特征，能夠較好地把握江淮地區(qū)6～8月出現(xiàn)的持續(xù)性強(qiáng)降水過程。

表1 1981～2008年平均的4～9月份逐日環(huán)流指數(shù)功率譜比值分布Table 1 The power spectrum ratio distribution of 10indexes for 1981－2008daily circulation

表2 10個(gè)個(gè)例年6～8月20～50天低頻降水分量與環(huán)流指數(shù)的回歸分析結(jié)果Table 2 Regression analysis for the 20－50－day components of precipitation and the 10indexes

5 江淮地區(qū)夏季降水延伸期回報(bào)試驗(yàn)

基于第3、4節(jié)的分析，得到關(guān)于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程延伸期預(yù)報(bào)的幾點(diǎn)重要信息：

（1）江淮地區(qū)夏季降水存在顯著的周期為20～50天的低頻振蕩特征，并且20～50天低頻分量與實(shí)際降強(qiáng)降水過程的演變有一定的聯(lián)系，尤其是峰谷值位相的變化與持續(xù)性強(qiáng)降水過程的起止和發(fā)展有很好的對應(yīng)關(guān)系，20～50天降水低頻分量的延伸預(yù)報(bào)，能夠?yàn)榻吹貐^(qū)持續(xù)性強(qiáng)降水過程的延伸預(yù)報(bào)提供參考。

（2）通過綜合10個(gè)環(huán)流關(guān)鍵系統(tǒng)指數(shù)的20～50天低頻變化特征，能夠較好地把握江淮地區(qū)6～8月出現(xiàn)的持續(xù)性強(qiáng)降水過程。

（3）在延伸期時(shí)間尺度內(nèi)，NCEP／CFS模式能夠較好地模擬關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)的低頻振蕩特征，并且通過提取20～50天低頻分量能夠有效地提高該模式對東亞大氣環(huán)流的延伸期預(yù)報(bào)效果。

因此，我們嘗試結(jié)合NCEP／CFS提供的大氣環(huán)流預(yù)報(bào)產(chǎn)品與江淮地區(qū)夏季降水及大氣環(huán)流低頻振蕩特征，采用多元線性回歸方法建立預(yù)報(bào)模型，并針對前述10個(gè)個(gè)例年的6～8月降水開展延伸預(yù)報(bào)試驗(yàn)及效果檢驗(yàn)。

圖4 預(yù)報(bào)流程示意圖Fig.4 The flow diagram of forecast experiment

5.1 預(yù)報(bào)方法簡述

預(yù)報(bào)因子：將能夠反映大尺度環(huán)流背景和江淮持續(xù)性強(qiáng)降水低頻特征的10個(gè)東亞環(huán)流關(guān)鍵系統(tǒng)指數(shù)作為預(yù)報(bào)因子引入預(yù)報(bào)模型。

預(yù)報(bào)量：模型的直接輸出預(yù)報(bào)量是江淮地區(qū)逐日降水的20～50天低頻分量，然后按照一定的統(tǒng)計(jì)特征來確定持續(xù)性強(qiáng)降水過程的發(fā)生時(shí)段。

預(yù)報(bào)試驗(yàn)方案：鑒于所選個(gè)例中江淮地區(qū)的持續(xù)性降水過程多發(fā)生在6月中下旬至8月上旬，因此將6月10日～8月8日 （共60天）作為預(yù)報(bào)區(qū)間，取預(yù)報(bào)期之前4月11日～6月9日 （共61天）作為建模區(qū)間。預(yù)報(bào)區(qū)間的預(yù)報(bào)因子取自NCEP／CFS以6月9～13日5個(gè)初始場各自1～60天預(yù)報(bào)值的平均，采用多元線性回歸方法進(jìn)行江淮地區(qū)夏季降水延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn)，之后依據(jù)一定的客觀標(biāo)準(zhǔn)利用得到的預(yù)報(bào)區(qū)間低頻降水時(shí)間序列，預(yù)測未來10～50天內(nèi)的主要持續(xù)性強(qiáng)降水出現(xiàn)的時(shí)間段。具體預(yù)報(bào)流程如圖4。

5.2 預(yù)報(bào)效果分析

首先，檢查上述試驗(yàn)對江淮地區(qū)降水20～50天低頻分量變化趨勢的預(yù)報(bào)效果。表3第二列為預(yù)報(bào)時(shí)間11～60天 （6月20日～8月6日）的低頻降水預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測降水低頻分量的相關(guān)系數(shù)，黑體加粗?jǐn)?shù)值表示相關(guān)性超過0.05的顯著性水平?？傮w而言，有6個(gè)個(gè)例年對10天到60天范圍內(nèi)的低頻降水變化趨勢的預(yù)報(bào)效果較好，特別是1982、1991和1996年，相關(guān)系數(shù)都超過了0.01顯著性水平，說明采用的方法對江淮地區(qū)延伸期低頻降水趨勢有一定的預(yù)報(bào)效果。但是也有年份預(yù)報(bào)效果很不理想，如1995年和2002年，低頻降水變化趨勢與觀測情況幾乎相反。

上述試驗(yàn)主要針對持續(xù)性降水過程的延伸期預(yù)報(bào)，因此，更加重要的是了解由預(yù)報(bào)量所確定的持續(xù)性降水過程出現(xiàn)的時(shí)間段與實(shí)際情況的相符程度。這里，首先根據(jù)前面分析的江淮地區(qū)夏季降水低頻振蕩特征，給定判斷持續(xù)性降水過程的客觀標(biāo)準(zhǔn)。第一，針對江淮地區(qū)原始逐日降水量，我們定義出現(xiàn)連續(xù)三天日降水量大于10mm，或者日降水量大于10mm超過三天但間斷不大于一天的情況下，記為一次持續(xù)性降水過程；第二，對于預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)得到的降水低頻分量，取連續(xù)三天以上降水量大于 （10×當(dāng)年20～50天低頻降水方差貢獻(xiàn)率）的時(shí)間段作為一次持續(xù)性降水過程。當(dāng)預(yù)報(bào)的持續(xù)性降水時(shí)段包括或者與實(shí)際持續(xù)性降水時(shí)段至少有三天重合部分時(shí)，則判斷為一次正確預(yù)報(bào)，其余為漏報(bào)或空報(bào)。表3第三到六列為實(shí)際持續(xù)性降水時(shí)段與預(yù)報(bào)的降水時(shí)段的對比以及正確預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)時(shí)效。按照上述定義，10個(gè)個(gè)例中總共出現(xiàn)33次持續(xù)性降水過程，我們總共進(jìn)行了10次預(yù)報(bào)試驗(yàn)，在預(yù)報(bào)時(shí)效大于10天的范圍內(nèi)，預(yù)報(bào)出了33次持續(xù)性降水過程中的21次，占總的實(shí)際過程的63%，漏報(bào)了7次，空報(bào)兩次。

表3 對持續(xù)性降水過程的預(yù)報(bào)試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)Table 3 The evaluation result of forecast experiment

6 小結(jié)

本文將CFS的延伸期數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品與低頻振蕩相結(jié)合，在分析江淮地區(qū)夏季降水低頻振蕩特征及其延伸期可預(yù)報(bào)性的基礎(chǔ)上，將具有物理意義的多個(gè)環(huán)流指數(shù)低頻信號作為預(yù)報(bào)因子，以降水20～50天低頻分量作為預(yù)報(bào)量，采用多元線性回歸方法對江淮地區(qū)汛期 （6～8月）的持續(xù)性降水過程的發(fā)生時(shí)段進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）江淮地區(qū)夏季降水20～50天振蕩與江淮地區(qū)持續(xù)性強(qiáng)降水過程的演變有密切的聯(lián)系，把握好降水20～50天低頻分量的延伸預(yù)報(bào)對于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過程的延伸期預(yù)報(bào)具有一定的指示意義，但是20～50天低頻分量只能解釋實(shí)際降水五分之一左右的方差。因此，在采用該方法進(jìn)行延伸預(yù)報(bào)時(shí)還僅限于對明顯的持續(xù)性強(qiáng)降水過程的發(fā)生和結(jié)束時(shí)間的粗略預(yù)報(bào)，如何將其他在延伸期范圍內(nèi)具有可預(yù)報(bào)性的分量考慮進(jìn)預(yù)報(bào)量當(dāng)中去，提高預(yù)報(bào)量對實(shí)際降水的解釋程度，需要深入的研究。

（2）東亞大氣環(huán)流的低頻信號與江淮地區(qū)夏季降水的低頻變化過程有密切的關(guān)系，結(jié)合降水的物理成因提取的低頻環(huán)流指數(shù)能夠在一定程度上體現(xiàn)環(huán)流背景，對低頻降水的擬合效果較好，具有一定的利用價(jià)值。

（3）江淮夏季降水過程的延伸預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明，基于影響因子低頻信號和數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的動力與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法，可為持續(xù)性降水過程的延伸期預(yù)報(bào)提供參考。但該方法在不同年份的預(yù)報(bào)效果有差異，預(yù)報(bào)效果不好的原因可能與該年份低頻信號的影響不顯著有關(guān)，并且與所使用的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的隨機(jī)誤差有關(guān)。同時(shí)，由于所使用的資料完整度的限制，該方法對數(shù)值預(yù)報(bào)的歷史資料的利用還很不充分，需要在這個(gè)方面加以改進(jìn)。另外，對于延伸期預(yù)報(bào)效果的評估還沒有較為統(tǒng)一、完善的方法，本文所采用的方法主要是針對持續(xù)性強(qiáng)降水時(shí)段的確定，對于短期的、間斷性的和強(qiáng)度較小的降水過程我們暫無法考慮在預(yù)報(bào)和檢驗(yàn)范圍內(nèi)。

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An Extended－Range Forecast Method for the Persistent Heavy Rainfall over the Yangtze－Huaihe River Valley in Summer Based on the Low－frequency Oscillation Characteristics

CHEN Guanjun1，2，3and WEI Fengying1

1StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049
3ChinesePeople'sLiberationArmyUnit96164，Zhejiang321021

Based on the daily precipitation datasets at 200stations in the south of China and the corresponding NCEP／NCAR daily reanalysis data from 1981to 2008，Analysis By Synthesis（ABS）and Butterworth band－pass fil－ter are adopted to diagnose the Low－Frequency Oscillation （LFO）characteristics of the summer rainfall over the Yangtze－Huaihe River Valley（YHRV）.And then an experiment for the Extended－Range Forecast（ERF）of persistent heavy rainfall over YHRV is made.The major conclusions are as follows：summer precipitation over YHRV has an obvious characteristic of LFO with 20－50days period，and for climate average，the 20－50－day low－frequency components account for nearly 20%，and there are significant annual variations for the intensity of LFO signal.There is a good relationship between the 20－50－day components and actual precipitation，especially the phase changes in peak values correspond to alternation of precipitation concentrated period and break period.Therefore the 20－50－day low－frequency components of precipitation which is taken as the predictand for the ERF experiment and the persistent heavy rainfall process over YHRV are closely linked.Meanwhile based on the links between LFO of large scale circulation in East Asia and summer persistent heavy rainfall over YHRV，10indexes of circulation critical systems are built，which can correctly reflect the intensity and tendency of the 20－50－day low－frequency components of precipitation，and are used as predictors for the ERF experiment.Combining with the NCEP Climate Forecast System （NCEP／CFS）output the forecast model based on the LFO signal has some reference value for ERF of persistent heavy rainfall over YHRV.

persistent heavy rain，extended－range forecast，low－frequency oscillation，climate forecast system，forecast method

1006－9895（2012）03－0633－12

P426

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.1111

陳官軍，魏鳳英.2012.基于低頻振蕩特征的夏季江淮持續(xù)性降水延伸期預(yù)報(bào)方法 ［J］.大氣科學(xué)，36（3）：633－644，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11111. Chen Guanjun，Wei Fengying.2012.An extended－range forecast method for the persistent heavy rainfall over the Yangtze－Huaihe River valley in summer based on the low－frequency oscillation characteristics［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（3）：633－644.

2011－06－09，2011－12－18收修定稿

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目2009BAC51B04，災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題2009LASWZF01，中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目2010Z001

陳官軍，男，1984年出生，博士研究生，主要從事異常天氣氣候診斷與預(yù)報(bào)研究。E－mail：aiolya＿gj＠163.com

魏鳳英，E－mail：weify＠cams.cma.gov.cn