李天宇 朱曉彤 付冬雪，3

（1.吉林省氣候中心，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.長(zhǎng)白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130062）

1 引言

延伸期預(yù)報(bào)是指在10～30d 時(shí)間尺度，對(duì)天氣過(guò)程發(fā)生的時(shí)段和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。 延伸期預(yù)報(bào)是10d 以下中期預(yù)測(cè)的延伸， 預(yù)測(cè)內(nèi)容與氣候預(yù)測(cè)主要預(yù)測(cè)氣象要素的平均值和變化趨勢(shì)不同，其時(shí)效是天氣預(yù)報(bào)達(dá)不到的， 預(yù)測(cè)內(nèi)容又是氣候預(yù)測(cè)做不到的。因此，延伸期預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之間無(wú)縫隙預(yù)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。延伸期天氣過(guò)程預(yù)測(cè)既是預(yù)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)之一， 也是氣象服務(wù)的重點(diǎn)之一[2]。 目前，數(shù)值預(yù)測(cè)模式在長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的預(yù)報(bào)技巧和誤差的穩(wěn)定性、相似性可能會(huì)對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)提供一些有用的信息。因此，需要對(duì)模式模擬及回報(bào)結(jié)果與觀測(cè)進(jìn)行比較，從而找出模式存在的系統(tǒng)偏差，以便進(jìn)一步進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)服務(wù)。目前，國(guó)家氣候中心第二代月動(dòng)力延伸預(yù)測(cè)模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF2.0 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化， 如何利用該模式系統(tǒng)的有效信息并在短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中得以應(yīng)用非常緊迫。 通常動(dòng)力氣候模式對(duì)大尺度環(huán)流的預(yù)測(cè)效果優(yōu)于對(duì)降水的預(yù)測(cè)， 考慮到延伸期時(shí)間尺度為10～30d。因此檢驗(yàn)DERF2.0 預(yù)測(cè)產(chǎn)品對(duì)東亞環(huán)流異常特征的預(yù)報(bào)技巧， 不僅可以了解動(dòng)力氣候模式對(duì)區(qū)域氣候的預(yù)測(cè)能力， 而且可以充分利用模式的高技巧信息對(duì)區(qū)域氣候進(jìn)行解釋應(yīng)用， 從而為區(qū)域氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)提供科技支撐。 已有研究表明大氣季節(jié)內(nèi)振蕩在長(zhǎng)期天氣和短期氣候變化中起重要作用，其時(shí)間尺度為10～90d，是引起5～10d 中期以及10～30d 延伸期天氣過(guò)程主要因子之一[1]。 大氣季節(jié)內(nèi)震蕩所對(duì)應(yīng)的環(huán)流低頻系統(tǒng)變化反映了未來(lái)幾周內(nèi)大尺度天氣系統(tǒng)生消、 維持和衰減的循環(huán)過(guò)程，對(duì)未來(lái)10～30d 延伸期的強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)測(cè)有很好的指示意義[3-4]。因此，數(shù)值預(yù)測(cè)模式對(duì)環(huán)流低頻分量的模擬和回報(bào)預(yù)報(bào)技巧的檢驗(yàn)是考查延伸期預(yù)報(bào)能力的重要環(huán)節(jié)。

2 資料與方法

使用的模式資料為國(guó)家氣候中心第二代月動(dòng)力延伸期模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（DERF2.0）的環(huán)流產(chǎn)品，水平分辨率為1.0°×1.0°，垂直分辨率為7 層，預(yù)測(cè)時(shí)間為未來(lái)53d，研究時(shí)段為1983—2015 年。 本文將再分析資料作為環(huán)流場(chǎng)觀測(cè)值， 所使用的大氣環(huán)流資料為美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心和國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的再分析資料，包括逐日水平分辨率為2.5°×2.5°、垂直層數(shù)為17 層的位勢(shì)高度場(chǎng)（z），時(shí)間為1983 年1 月至2015 年12 月。

距平相關(guān)系數(shù)（ACC）[5]是指觀測(cè)值和預(yù)報(bào)值對(duì)氣候態(tài)平均偏差的相關(guān)性， 主要反映觀測(cè)值與預(yù)報(bào)值的相似程度。 是世界氣象組織（WMO）確定并建議使用的指標(biāo)之一。

時(shí)間相關(guān)系數(shù)（TCC）[6]是指預(yù)測(cè)和觀測(cè)在時(shí)間上的相關(guān)系數(shù)， 能夠在統(tǒng)計(jì)意義上較好地表征模式對(duì)各個(gè)格點(diǎn)異常的預(yù)測(cè)能力， 得到一個(gè)完整的相關(guān)技巧空間分布。 TCC 范圍為-1～1，越接近1表明技巧越高。 預(yù)報(bào)誤差是指預(yù)測(cè)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)值之間的差異。 濾波方法使用Butterworth 濾波器[7]，用于提取環(huán)流的低頻分量。

3 結(jié)果分析

3.1 夏季東亞地區(qū)環(huán)流的預(yù)報(bào)技巧檢驗(yàn)

從1983—2015 年平均的不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季和6—8 月500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)可以看出，夏季和各月ACC 均隨預(yù)測(cè)時(shí)效的增加而迅速下降， 可預(yù)測(cè)性在5d 以內(nèi)較高（ACC 在0.6 左 右），10d 預(yù) 測(cè) 時(shí) 效 的ACC 在0.3左右，15～20d 預(yù)測(cè)時(shí)效下ACC 為0.1 左右，25d 及以上預(yù)測(cè)時(shí)效下的ACC 迅速下降至0，甚至負(fù)值；從各月來(lái)看，6—8 月的ACC 數(shù)值相差不大， 但大部分預(yù)測(cè)時(shí)效下7 月ACC 大于6 月和8 月，8 月ACC 在40d 預(yù)測(cè)時(shí)效時(shí)出現(xiàn)負(fù)值， 而6 月、7 月ACC 則始終為正。 以上分析結(jié)果符合普遍認(rèn)為的天氣尺度2～3 周的預(yù)測(cè)上限，并說(shuō)明DERF2.0 模式對(duì)10～20d 的中層大氣環(huán)流形勢(shì)具有一定的預(yù)測(cè)能力，7 月預(yù)報(bào)技巧優(yōu)于6 月和8 月。

圖1 為不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)年際變化。 可以看出，5d 以內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)效的ACC 在0.6 左右， 預(yù)測(cè)效果較好，33a 的預(yù)測(cè)效果較穩(wěn)定； 提前10d 的ACC 也較高， 在0.3 左右， 超過(guò)0.3 的年份達(dá)到55%；提前15d、20d 的預(yù)報(bào)技巧有所下降，但大部分年份ACC 為0.1～0.2， 超過(guò)0.1 的年份分別占51%和24%，20d 預(yù)測(cè)時(shí)效開始有個(gè)別年份ACC降為負(fù)值； 提前25～40d 的預(yù)報(bào)技巧迅速降低，ACC 趨近于0，出現(xiàn)負(fù)值的年份增多，預(yù)報(bào)技巧的穩(wěn)定性也有所下降。

圖1 不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)年際變化（虛線和實(shí)線分別為通過(guò)信度為90%和95%的顯著性檢驗(yàn)）

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ皆诓煌瑓^(qū)域的模擬效果及在不同時(shí)效下的預(yù)報(bào)技巧，計(jì)算了不同預(yù)測(cè)時(shí)效下的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度33a 平均的時(shí)間相關(guān)系數(shù)空間分布（圖2）。 可以看出，TCC 在0d、5d 預(yù)測(cè)時(shí)效下的環(huán)流預(yù)報(bào)技巧總體較高（TCC> 0.5），部分地區(qū)甚至可以達(dá)到0.8 以上， 中高緯地區(qū)預(yù)報(bào)技巧優(yōu)于低緯；提前10d 的預(yù)測(cè)在90°E 以東表現(xiàn)為中低緯地區(qū)技巧較高，而90°E 以西則是中高緯技巧較高， 低值中心在巴爾喀什湖附近； 提前15d、20d 的TCC 由低緯向中高緯遞減， 低值中心仍在巴爾喀什湖附近， 海洋上空預(yù)報(bào)技巧優(yōu)于大陸，20d 預(yù)測(cè)時(shí)效TCC 開始出現(xiàn)負(fù)值；25d 及以上預(yù)測(cè)時(shí)效下，TCC 負(fù)值主要出現(xiàn)在40°N 以北的地區(qū)。 DERF2.0 模式預(yù)報(bào)技巧的空間分布可能與大氣內(nèi)部混沌效應(yīng)海陸分布差異有關(guān)。

圖2 不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度時(shí)間相關(guān)系數(shù)

圖3 為不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度預(yù)報(bào)誤差，預(yù)報(bào)誤差的絕對(duì)值隨預(yù)測(cè)時(shí)效的增加而增大， 這種現(xiàn)象在較長(zhǎng)的預(yù)測(cè)時(shí)效下表現(xiàn)更為明顯。 整體來(lái)看，在副熱帶20°N附近和中緯度45°N 各有一條誤差0 線，高緯度地區(qū)普遍為誤差負(fù)值。兩條0 線之間為誤差正值，即DERF2.0 模式在中緯度地區(qū)的高度場(chǎng)預(yù)報(bào)值偏大。 在西太平洋副熱帶高壓所處的太平洋上空，DERF2.0 模式誤差較小，說(shuō)明DERF2.0 對(duì)西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差較小， 但對(duì)位置的預(yù)報(bào)誤差偏北。

圖3 不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度預(yù)報(bào)誤差

從6—8 月不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)500hPa位勢(shì)高度時(shí)間相關(guān)系數(shù)可以看出，3 個(gè)月份TCC在0d、5d 時(shí)效下都較高，10d 及以上預(yù)測(cè)時(shí)效下，TCC 逐漸降低至負(fù)值。從提前10d 起報(bào)開始，各月份的TCC 空間分布有所不同，6 月的TCC 呈緯向帶狀分布， 低值區(qū)位于45°N 以北的中高緯地區(qū)，低緯地區(qū)上空提前40d 預(yù)測(cè)才出現(xiàn)較明顯的TCC負(fù)值；7 月的TCC 低值區(qū)位于60°E—80°E 的巴爾喀什湖附近， 并沿著巴爾喀什湖向北形成經(jīng)向的負(fù)值區(qū)；8 月TCC 低值區(qū)主要位于高緯地區(qū)，除副熱帶地區(qū)以外， 中緯度的貝加爾湖附近和日本?！鞅碧窖蟾浇矠門CC 高值區(qū)。

從6—8 月不同預(yù)測(cè)時(shí)效的東亞地區(qū)500hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)誤差可以看出，在各時(shí)效下，6 月誤差絕對(duì)值均大于7 月和8 月， 特別是位于貝加爾湖及其以北的顯著負(fù)誤差區(qū)在提前20d 時(shí)預(yù)報(bào)誤差達(dá)到了-80gpm；誤差分布在中高緯度地區(qū)呈明顯“負(fù)—正—負(fù)—正”型分布，特別是在8 月，這種異常分布與500hPa 高度場(chǎng)氣候態(tài)相對(duì)應(yīng)， 說(shuō)明DERF2.0 模式對(duì)8 月環(huán)流的預(yù)測(cè)經(jīng)向度更??；在西北太平洋副熱帶高壓區(qū)域，6 月和7 月的誤差分布利于西北太平洋副熱帶高壓預(yù)測(cè)偏北，8 月則更利于西北太平洋副熱帶高壓偏西偏強(qiáng)。

3.2 夏季東亞地區(qū)環(huán)流低頻分量的預(yù)報(bào)技巧檢驗(yàn)

利用Butterworth 濾波器分別對(duì)夏季和6—8月模式預(yù)測(cè)場(chǎng)和觀測(cè)場(chǎng)上東亞地區(qū)不同預(yù)測(cè)時(shí)效500hPa 高度場(chǎng)進(jìn)行濾波， 分別濾出10～20d 的準(zhǔn)雙周低頻振蕩以及30～60d 的低頻分量， 再利用ACC、TCC 等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)低頻分量進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

從東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)及其10～20d、30～60d 低頻分量在不同預(yù)測(cè)時(shí)效下的距平相關(guān)系數(shù)可以看出，濾波后30～60d 低頻分量的預(yù)報(bào)技巧明顯提高。 10～20d 低頻分量在5d 及以上預(yù)測(cè)時(shí)效下的預(yù)報(bào)技巧不佳，因此10～20d 低頻分量可能是對(duì)DERF2.0 模式延伸期預(yù)報(bào)結(jié)果的訂正重點(diǎn)。

圖4 是東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)低頻分量的ACC 年際變化。 與圖1 對(duì)比來(lái)看，10～20d 低頻分量在提前10d 時(shí)ACC 就下降至0.2 以下； 提前20d 時(shí)出現(xiàn)ACC 負(fù)值的年份占48.5%，而濾波前這一比例為15.2%； 隨著預(yù)測(cè)時(shí)效的延長(zhǎng)，提前40d 時(shí)ACC 穩(wěn)定性與濾波前接近。 綜合來(lái)看，10～20d 低頻分量在10～40d 的預(yù)報(bào)技巧和穩(wěn)定性欠佳。 30～60d 低頻分量的ACC 明顯較高，在提前0～10d 時(shí)比濾波前更穩(wěn)定； 在提前15d 預(yù)測(cè)時(shí)效時(shí)的穩(wěn)定性有所下降，大部分年份ACC 超過(guò)0.2，個(gè)別年份出現(xiàn)ACC 負(fù)值。 但整體來(lái)看，濾波后的30～60d 低頻分量在提前0～40d 時(shí)平均預(yù)報(bào)技巧較濾波前明顯提高。需要注意的是，本文僅討論了對(duì)流層中層（500hPa）的模式預(yù)報(bào)技巧，對(duì)流層其他高度的結(jié)果可能有所不同， 還需要更加細(xì)致的研究和討論。

圖4 提前10d 的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)10～20d（a）、30～60d（b）低頻分量在不同預(yù)測(cè)時(shí)效下的距平相關(guān)系數(shù)年際變化（虛線和實(shí)線分別為通過(guò)信度為90%和95%的顯著性檢驗(yàn)）

以提前10d 為例， 在TCC 空間分布異常場(chǎng)（圖5）中可以明顯看出，濾波后30～60d 低頻分量的預(yù)報(bào)技巧較濾波前（圖2）有明顯提高。 10～20d低頻分量TCC 高值區(qū)在40°N 及其以南的中低緯度地區(qū)， 低值區(qū)位于高緯度地區(qū)；30～60d 低頻分量TCC 高值區(qū)則位于貝加爾湖及其以北的大陸高緯度地區(qū)。 這種分布可能與低頻振蕩信號(hào)來(lái)源有關(guān)， 即10～20d 的準(zhǔn)雙周振蕩信號(hào)來(lái)源于低緯，季節(jié)內(nèi)振蕩（30～60d）信號(hào)則來(lái)源于高緯。

圖5 提前10 d 的東亞地區(qū)夏季500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)10～20d（a）、30～60d（b）低頻分量時(shí)間相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）DERF2.0 模式對(duì)夏季東亞地區(qū)500hPa 高度場(chǎng)預(yù)報(bào)技巧隨時(shí)效的增加而迅速下降， 可預(yù)測(cè)性在10d 以內(nèi)較高； 對(duì)7 月預(yù)報(bào)技巧優(yōu)于6 月和8 月。 提前10d 以內(nèi)的預(yù)測(cè)效果較穩(wěn)定，提前25～40d 的預(yù)報(bào)技巧迅速降低。 在空間分布上， 提前10d 以內(nèi)在90°E 以東表現(xiàn)為中低緯地區(qū)技巧較高，而90°E 以西則是中高緯技巧較高；提前15d以上預(yù)報(bào)技巧由低緯向中高緯遞減， 海洋向大陸遞減。 6 月預(yù)報(bào)技巧呈緯向帶狀分布，由低緯向高緯遞減；7 月為經(jīng)向分布，低值區(qū)位于巴爾喀什湖附近；8 月在副熱帶地區(qū)、中緯度的貝加爾湖附近和日本海—西北太平洋附近預(yù)報(bào)技巧較好。

（2）預(yù)報(bào)誤差方面，在高緯度地區(qū)對(duì)500hPa高度場(chǎng)的預(yù)報(bào)值偏小，在中緯度地區(qū)預(yù)報(bào)值偏大，對(duì)西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差較小， 對(duì)位置的預(yù)報(bào)誤差偏北。 在各時(shí)效下，6 月誤差絕對(duì)值均大于7 月和8 月。 對(duì)8 月環(huán)流的預(yù)測(cè)經(jīng)向度更??；在西北太平洋副熱帶高壓區(qū)域，6 月和7 月的誤差分布利于西北太平洋副熱帶高壓預(yù)測(cè)偏北，8月則更利于西北太平洋副熱帶高壓偏西偏強(qiáng)。

（3）DERF2.0 模式對(duì)30～60d 低頻分量的預(yù)報(bào)技巧較好， 在貝加爾湖及其以北的大陸高緯度地區(qū)技巧較高；10～20d 低頻分量在10～40d 的預(yù)報(bào)技巧和穩(wěn)定性欠佳， 空間分布上在中低緯度技巧較高。10～20d 低頻分量可能是對(duì)DERF2.0 模式延伸期預(yù)報(bào)結(jié)果的訂正重點(diǎn)。