張智超 周 放 張浩鑫 周辰光 王 欣

1）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044）

2）（山西省運(yùn)城市夏縣氣象局，運(yùn)城 044400）

3）（中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

引 言

我國位于亞洲東部地區(qū)，受季風(fēng)影響，氣候災(zāi)害頻發(fā)［1］。東亞冬季風(fēng)在亞洲季風(fēng)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，是全球最活躍的季風(fēng)系統(tǒng)之一，對東亞地區(qū)的氣候具有巨大影響［2］。強(qiáng)東亞冬季風(fēng)常帶來雨雪、低溫、寒潮等災(zāi)害性天氣，對我國社會經(jīng)濟(jì)以及人民生產(chǎn)生活造成威脅［3-4］。此外，當(dāng)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)于正常水平時，次年東亞夏季風(fēng)也會普遍強(qiáng)于平均狀態(tài)［5-6］。因此，準(zhǔn)確預(yù)報東亞冬季風(fēng)對于防災(zāi)減災(zāi)和保護(hù)人民生命財產(chǎn)具有重要意義［7］。

西伯利亞高壓、阿留申低壓、西風(fēng)急流和東亞大槽等是冬季東亞地區(qū)的典型環(huán)流系統(tǒng)。其中，西伯利亞高壓是控制亞洲大陸低層大氣環(huán)流及氣候要素的最重要環(huán)流系統(tǒng)，其強(qiáng)度對東亞地區(qū)以及中國冬季氣候具有非常重要的影響［8-10］。阿留申低壓是中心位于北太平洋阿留申群島附近的副極地氣旋，是北半球主要的半永久性大氣活動中心之一［11-12］。冬季阿留申低壓和西伯利亞高壓強(qiáng)度變化直接影響海陸氣壓差異，對于冬季風(fēng)和中國廣大地區(qū)，尤其是中國西北部和東部地區(qū)具有強(qiáng)烈影響［13］。因此，西伯利亞高壓和阿留申低壓的準(zhǔn)確預(yù)測同樣是當(dāng)今氣候預(yù)測的重要主題。

當(dāng)前，氣候系統(tǒng)模式已經(jīng)成為氣候預(yù)測和未來氣候預(yù)估的重要工具。國家氣候中心在氣候系統(tǒng)模式BCC_CSM1.1基礎(chǔ)上對氣候預(yù)測模式系統(tǒng)進(jìn)行更新，研發(fā)了多圈層耦合的氣候系統(tǒng)模式BCC_CSM1.1m［14］。該模式大氣分量采用BCC_AGCM2.2模式，水平分辨率為T106，接近110 km；海洋分量模式為MOM4_L40v2，可合理模擬全球海洋的基本特征［15］。不少學(xué)者針對該模式在氣溫、降水、積雪、通量場及亞洲季風(fēng)等方面的模擬和預(yù)測性能進(jìn)行了系統(tǒng)評估，指出該模式能夠較好地模擬歷史氣候、預(yù)估未來氣候變化［16-20］，并揭示厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）信號是該模式在熱帶和熱帶外地區(qū)季節(jié)可預(yù)報性的重要來源［16］。此外，Zhou等［20］評估國內(nèi)外先進(jìn)業(yè)務(wù)預(yù)測模式對西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓等東亞夏季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測性能時，發(fā)現(xiàn)該模式整體性能與國際先進(jìn)模式相當(dāng)。但該模式對發(fā)展階段的ENSO 預(yù)報效果仍有不足，使得其對東亞氣候的季節(jié)預(yù)測依然存在諸多挑戰(zhàn)［21］。

考慮到東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)對氣候的顯著影響，考察模式對其預(yù)測能力以及可預(yù)報性來源十分重要。因此，本文將系統(tǒng)評估BCC_CSM1.1m模式對西伯利亞高壓、阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)3種東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測能力，分析模式預(yù)測偏差產(chǎn)生的可能原因，揭示其可預(yù)報性來源，為模式預(yù)測和應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文利用國家氣候中心氣候系統(tǒng)模式1.1版本（BCC_CSM1.1m）的歷史回報數(shù)據(jù)［10］，包括海平面氣壓場、0～10 cm 土壤溫度等，預(yù)報時長為13 個月。由于該歷史回報數(shù)據(jù)在每個起報時間包含24個樣本成員，在進(jìn)行確定性預(yù)報評估時，對所有樣本成員進(jìn)行算術(shù)平均作為模式的集合預(yù)報結(jié)果。

本文使用的觀測數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP-DOE逐月再分析數(shù)據(jù)，包括海平面氣壓和0～10 cm 土壤溫度，水平分辨率為2.5°×2.5°。由于觀測數(shù)據(jù)與模式數(shù)據(jù)水平分辨率不一致，將觀測數(shù)據(jù)插值到1°×1°的均勻網(wǎng)格后進(jìn)行計算。本文所用的Ni?no3.4指數(shù)為美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）物理科學(xué)實驗室提供的逐月Ni?no3.4 指數(shù)。模式與再分析數(shù)據(jù)的時間均取為1993 年1月—2021年12 月，冬季定義為12 月—次年2 月（DJF）平均。

本文選取西伯利亞高壓（Siberian high，SH）、阿留申低壓（Aleutian low，AL）和東亞冬季風(fēng)（East Asian winter monsoon，EAWM）3個東亞地區(qū)具有代表性的冬季典型環(huán)流系統(tǒng)并將其強(qiáng)度指數(shù)作為評估對象。其中，西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)（SHI）采用Hasanean等［22］定義的西伯利亞地區(qū)海平面氣壓平均值，區(qū)域選擇為40°～65°N，80°～120°E；阿留申低壓強(qiáng)度指數(shù)（ALI）采用Chen等［23］定義的阿留申地區(qū)海平面氣壓平均值，區(qū)域選擇為25°～65°N，155°E～135°W。東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)（EAWMI）采用施能等［24］定 義 的20°～50°N 標(biāo) 準(zhǔn) 化 后 的110°E 與160°E 的海平面氣壓值差，邵鵬程等［25］評估并發(fā)現(xiàn)該冬季風(fēng)指數(shù)與其他冬季風(fēng)指數(shù)具有較好一致性，能夠較好反映冬季風(fēng)對我國氣溫的影響，具有一定代表性。

為定量評估東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報技巧，本文選擇時間相關(guān)系數(shù)（TCC）、空間相關(guān)系數(shù)（PCC）以及均方根誤差（RMSE）對模式預(yù)報性能進(jìn)行檢驗評估，其中時間相關(guān)系數(shù)表征各指數(shù)以及模式在每個格點的預(yù)報能力，空間相關(guān)系數(shù)表征觀測和預(yù)測之間空間模態(tài)的相似程度，均方根誤差衡量模式預(yù)測值和觀測值的偏差。

2 東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)預(yù)報技巧評估

2.1 模式的預(yù)報性能

為考察BCC_CSM1.1m 模式對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測性能，本文利用再分析數(shù)據(jù)和BCC_CSM1.1m 模式預(yù)測數(shù)據(jù)分別計算西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞冬季風(fēng)3種典型環(huán)流系統(tǒng)的強(qiáng)度指數(shù)，并通過TCC 和RMSE 兩個確定性評分指標(biāo)評估模式對3種典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報性能，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，模式對于西伯利亞高壓的預(yù)報技巧較低。隨預(yù)報超前月份（lead month，記為LM）的增加，模式對西伯利亞高壓的TCC 技巧逐漸減弱；與此同時，RMSE 逐漸增加，表明模式對于西伯利亞高壓的預(yù)報能力隨預(yù)報超前月份的增加而降低。12月至9月（記為LM0～LM3）起報的冬季西伯利亞高壓的TCC 技巧均大于0，但8 月（LM4）起報時TCC技巧已低于0，且西伯利亞高壓的TCC技巧僅在12月（LM0）起報時能夠達(dá)到0.05顯著性水平。

BCC_CSM1.1m 模式對阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的TCC 技巧明顯高于西伯利亞高壓。由圖1可知，12月到8月（LM0～LM4）模式對阿留申低壓的TCC技巧均在0.5以上，達(dá)到0.01顯著性水平。隨著預(yù)報超前時間增加，阿留申低壓的TCC技巧無明顯的衰減趨勢，表明模式可以在較長時間內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測阿留申低壓的強(qiáng)度。模式對東亞冬季風(fēng)的預(yù)報性能與阿留申低壓相近。12 月至9 月（LM0～LM3）起報時，模式對東亞冬季風(fēng)的TCC 技巧均高于0.5，達(dá)到0.01顯著性水平，而8月（LM4）起報的TCC技巧出現(xiàn)較大衰減，這可能與西伯利亞高壓在該月起報的衰減為負(fù)技巧有關(guān)。

圖1 BCC_CSM1.1m 模式12月至8月（LM0～LM4）起報的冬季SHI，ALI，EAWMI的預(yù)報技巧（虛線和點劃線分別表示0.05和0.01顯著性水平）Fig.1 Prediction skills of SHI，ALI and EAWMI initiated from Dec to Aug（LM0-LM4）（the dashed line and dotted line denote the levels of 0.05 and 0.01，respectively）

為進(jìn)一步考察BCC_CSM1.1m 模式對東亞地區(qū)環(huán)流的預(yù)報能力，計算不同起報時間對冬季海平面氣壓預(yù)報的TCC技巧空間分布，如圖2所示。12月至9月（LM0～LM3）起報時，模式幾乎對整個熱帶地區(qū)的海平面氣壓均有較高的預(yù)報技巧，這主要是由于模式能夠較好地把握全球熱帶環(huán)流對ENSO信號的響應(yīng)特征［16］。對北太平洋地區(qū)，特別是阿留申低壓的主要活動區(qū)域，模式的TCC技巧略低于熱帶地區(qū)，但12 月到9月（LM0～LM3）起報時均能夠達(dá)到0.05顯著性水平。模式對歐亞大陸地區(qū)的海平面氣壓預(yù)測能力較弱，僅在12 月（LM0）起報時，西伯利亞高壓主要活動區(qū)域的TCC技巧可以達(dá)到0.05顯著性水平。

圖2 BCC_CSM1.1m 模式12月至9月（LM0～LM3）起報的冬季海平面氣壓的TCC技巧（紅色、綠色和藍(lán)色方框分別為SHI，ALI，EAWMI定義區(qū)域，黑色打點區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05顯著性水平）（a）12月（LM0）起報，（b）11月（LM1）起報，（c）10月（LM2）起報，（d）9月（LM3）起報Fig.2 TCC skills in winter sea level pressure initiated from Dec to Sep（LM0-LM3）in BCC_CSM1.1m（red，green，and blue boxes denote regions of SHI，ALI and EAWMI，dotted area denotes TCC passing the test of 0.05 level）（a）Dec（LM0），（b）Nov（LM1），（c）Oct（LM2），（d）Sep（LM3）

總體上，模式對海洋上空海平面氣壓的預(yù)報能力明顯高于大陸。其原因：一方面海洋巨大的熱慣性可以直接為大氣提供較好的持續(xù)性；另一方面，得益于熱帶海洋存在ENSO 等具有較高可預(yù)報性的氣候模態(tài)，使得熱帶及其主要遙相關(guān)區(qū)域，如太平洋北美型（PNA）和東亞太平洋型（EAP），為北太平洋地區(qū)提供較高的預(yù)報技巧［16］。中高緯度的歐亞大陸，由于大氣的自然內(nèi)部變率較高，且對海溫變化的直接響應(yīng)較弱，因此預(yù)報能力有限［26］。此外，東亞冬季風(fēng)的定義區(qū)域主要位于中緯度東亞大陸和西北太平洋地區(qū)，受海洋和陸地下墊面的共同影響，且東亞冬季風(fēng)受西伯利亞高壓和阿留申低壓的共同調(diào)制，因此，模式對東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測在一定程度上依賴于西伯利亞高壓強(qiáng)度和阿留申低壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)測。

2.2 東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的可預(yù)報性來源

由以上分析可知，ENSO 對東亞環(huán)流的預(yù)測具有重要影響，冬季風(fēng)是海陸熱力差異的直接體現(xiàn)。Wang等［27］指出ENSO 是季節(jié)預(yù)測最重要的可預(yù)報性來源。為了探究模式對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的可預(yù)報性來源，圖3給出標(biāo)準(zhǔn)化的觀測以及模式12月至8月（LM0～LM4）起報的西伯利亞高壓、阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度指數(shù)序列，其中不同起報時間預(yù)測的各指數(shù)時間序列與觀測的相關(guān)系數(shù)即為圖1所示各指數(shù)的TCC 技巧。對于西伯利亞高壓，在1995—1997年、2005—2008年模式能夠做出較為準(zhǔn)確的預(yù)測，而其他年份的預(yù)測效果并不理想。對于阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)，模式在大部分年份對指數(shù)和變化趨勢預(yù)測效果均較好，特別是 在1997／1998 年、2009／2010 年 和2015／2016 年冬季，各起報時間下模式對指數(shù)和變化趨勢均能準(zhǔn)確預(yù)測，未出現(xiàn)明顯偏差。

圖3 觀測與模式12月至8月（LM0～LM4）起報的SHI，ALI，EAWMI時間序列Fig.3 Observational and predicted SHI，ALI and EAWMI initiated from Dec to Aug（LM0-LM4）

值 得 注 意 的 是，在1997／1998 年、2009／2010年、2015／2016年冬季，阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度均出現(xiàn)極值，達(dá)到歷史相對最強(qiáng)，西伯利亞高壓無明顯的極值特征。無論起報時間如何，模式對于這3個極值年的阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測結(jié)果與觀測結(jié)果均極為一致?？紤]到1997／1998年、2009／2010年、2015／2016年冬季發(fā) 生了3 次著名的超強(qiáng)厄爾尼諾事件［28-29］，因此推測ENSO 對于模式是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)具有重要影響。

為了驗證這一推測，將3個強(qiáng)厄爾尼諾年冬季（1997／1998 年、2009／2010 年、2015／2016 年）的 指數(shù)剔除，重新計算模式對于西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的TCC 和RMSE 技巧（圖略）。與圖1相比，西伯利亞高壓的TCC 和RMSE變化較小，TCC 技巧甚至略有提升，與之對應(yīng)的RMSE也略有降低。阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的TCC技巧顯著下降。對于阿留申低壓，模式在各起報時間的TCC技巧均無法達(dá)到0.01顯著性水平，僅12月（LM0）和11月（LM1）起報的TCC 技巧能夠達(dá)到0.05顯著性水平。對于東亞冬季風(fēng)，模式預(yù)報技巧降低更多，各月起報的TCC技巧均無法達(dá)到0.05顯著性水平。與此同時，阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的RMSE 均達(dá)到1.0以上，相較圖1明顯增加。這表明ENSO 信號對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果具有重要影響，特別是阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)。為進(jìn)一步理解ENSO 對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)可預(yù)報性的貢獻(xiàn)，本文計算了觀測以及模式預(yù)測的Ni?no3.4 指數(shù)和海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)分布，如圖4所示。由圖4可見，觀測中整體呈現(xiàn)為南方濤動的海平面氣壓響應(yīng)，西伯利亞高壓區(qū)域與Ni?no3.4指數(shù)的相關(guān)性較弱；阿留申低壓所在的北太平洋地區(qū)與Ni?no3.4 指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；東亞冬季風(fēng)定義區(qū)域的西北太平洋地區(qū)與Ni?no3.4指數(shù)呈顯著正相關(guān)，而東亞大陸區(qū)域與Ni?no3.4指數(shù)的相關(guān)性較弱。圖4a的相關(guān)系數(shù)與圖2模式直接預(yù)測海平面氣壓的TCC 技巧分布極為相似，特別是在海平面氣壓預(yù)報技巧相對較高的熱帶地區(qū)和北太平洋地區(qū)，與ENSO 也存在顯著高相關(guān)。而在歐亞大陸地區(qū)，海平面氣壓的預(yù)測能力較弱，與ENSO 的相關(guān)性也較低。這表明ENSO 可能是北太平洋地區(qū)典型環(huán)流系統(tǒng)（如阿留申低壓）的重要可預(yù)報性來源。

圖4 觀測以及BCC_CSM1.1m 模式12月至8月（LM0～LM4）起報的Nin?o3.4指數(shù)與海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)（紅色、綠色和藍(lán)色方框分別為SHI，ALI，EAWMI定義區(qū)域，黑色打點區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05顯著性水平）（a）觀測，（b）12月（LM0）起報，（c）11月（LM1）起報，（d）10月（LM2）起報，（e）9月（LM3）起報，（f）8月（LM4）起報Fig.4 TCC between Nin?o3.4 index and sea level pressure in observation and model prediction initiated from Dec to Aug（LM0-LM4）（red，green，and blue boxes denote the regions of SHI，ALI and EAWMI，dotted area denotes TCC passing the test of 0.05 level）（a）observation，（b）initiated in Dec（LM0），（c）initiated in Nov（LM1），（d）initiated in Oct（LM2），（e）initiated in Sep（LM3），（f）initiated in Aug（LM4）

由模式預(yù)測結(jié)果看，模式能夠在各起報時間準(zhǔn)確反映ENSO 對北太平洋以及西北太平洋的影響，但是模式對于歐亞大陸的預(yù)測存在明顯偏差。冬季觀測的海平面氣壓與Ni?no3.4 指數(shù)在西伯利亞地區(qū)呈極弱的負(fù)相關(guān)，這表明西伯利亞地區(qū)對ENSO可能無顯著線性響應(yīng)。12 月（LM0）起報的結(jié)果與觀測較為接近，但隨著起報時間的增長，模式中存在顯著的負(fù)相關(guān)，高估了西伯利亞高壓與ENSO 之間的聯(lián)系，產(chǎn)生了類似ENSO 在北太平洋影響的向西延伸。這可能是對于歐亞中高緯地區(qū)而言，大氣環(huán)流以及陸面信號的持續(xù)性較海洋弱得多，當(dāng)起報時間較長時，模式只能反映ENSO 的影響，對冬季歐亞大陸起重要影響的ENSO 以外的持續(xù)性較弱的信號，模式無法反映。因此，隨著起報時間的增長，模式相對高估ENSO 與西伯利亞地區(qū)海平面氣壓的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這也可能是模式對西伯利亞高壓預(yù)報技巧不理想的重要原因，特別是在有強(qiáng)ENSO 信號存在的年份，模式預(yù)測的西伯利亞高壓存在明顯偏差（圖3）。

由于BCC_CSM1.1m 模式提前6個月對Ni?no3.4指數(shù)的TCC預(yù)測技巧可達(dá)0.7以上［30］，模式對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測能力依賴于ENSO與環(huán)流預(yù)測能力的關(guān)系。由于環(huán)流的準(zhǔn)確預(yù)報是指數(shù)準(zhǔn)確預(yù)報的基礎(chǔ)，東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)各主要活動區(qū)域的PCC 技巧可以準(zhǔn)確反映指數(shù)的預(yù)報技巧。因此，計算了模式11 月（LM1）起報的各指數(shù)定義區(qū)域PCC技巧與Ni?no3.4指數(shù)絕對值（即振幅）的散點分布（如圖5所示）。模式對于西伯利亞地區(qū)海平面氣壓的PCC 技巧與Ni?no3.4指數(shù)振幅之間呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.32，即當(dāng)ENSO振幅越強(qiáng)時，西伯利亞地區(qū)海平面氣壓的預(yù)報偏差越大。對于阿留申地區(qū)和東亞中緯度地區(qū)，海平面氣壓的PCC技巧與Ni?no3.4指數(shù)振幅呈正相關(guān)，特別是阿留申地區(qū)，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.46（0.1和0.05顯著性水平臨界相關(guān)系數(shù)分別為0.323和0.381），即ENSO 振幅越強(qiáng)時，模式對阿留申低壓的預(yù)報越準(zhǔn)確。東亞中緯度地區(qū)海平面氣壓的預(yù)報技巧與ENSO 振幅的正相關(guān)不顯著，相關(guān)系數(shù)為0.10。這是由于一方面ENSO 對東亞中緯度地區(qū)海平面氣壓的影響有限，另一方面模式未能準(zhǔn)確預(yù)測西伯利亞高壓，導(dǎo)致模式對于其與阿留申低壓之間的海平面氣壓差存在較大偏差，直接影響東亞冬季風(fēng)的預(yù)測。

圖5 BCC_CSM1.1m 模式11月起報的SHI（a）、ALI（b）、EAWMI（c）區(qū)域的PCC技巧與Ni?no3.4指數(shù)絕對值散點分布及其線性擬合線Fig.5 Scatter plots of PCC skill against absolute Ni?no3.4 index and its linear fitting line for SHI（a），ALI（b）and EAWMI（c）region initiated in Nov

2.3 模式對西伯利亞高壓預(yù)測較難的原因

盡管ENSO 強(qiáng)度與西伯利亞高壓預(yù)測技巧之間存在一定線性關(guān)系，但圖5a顯示，ENSO 振幅越強(qiáng)，西伯利亞地區(qū)海平面氣壓的預(yù)測反而不準(zhǔn)確。大部分高預(yù)報技巧均發(fā)生在弱ENSO 年，這意味著可能存在某些相對獨(dú)立于ENSO 的因子對西伯利亞高壓的預(yù)測起重要作用。

由于西伯利亞地區(qū)是歐亞大陸冷空氣的主要聚集地，地表的非絕熱冷卻作用有利于造成該地區(qū)冷空氣堆積，氣溫降低，海平面氣壓升高［31］。楊洪卿等［26］研究發(fā)現(xiàn)，秋末（11月）西伯利亞高壓的潛在可預(yù)報性明顯高于冬季，西伯利亞高壓與表層土壤溫度等耦合的陸面熱力過程和動力過程對于西伯利亞高壓的準(zhǔn)確預(yù)報至關(guān)重要。因此，為了探究模式對西伯利亞高壓預(yù)測較為困難的原因，計算了冬季SHI與12月、1月0～10 cm 土壤溫度的相關(guān)，觀測和模式預(yù)測結(jié)果如圖6 所示。由圖6 觀測結(jié)果可見，SHI與12月和1月歐亞表層土壤溫度均呈負(fù)相關(guān)，顯著區(qū)域主要位于西伯利亞高壓的活動區(qū)域，這表明西伯利亞地區(qū)的表層土壤溫度是影響同期及后期西伯利亞高壓的重要因子之一。

圖6c、圖6d和圖6e、圖6f分別為10月（LM2）和11月（LM1）起報的冬季SHI與12月、1月0～10 cm 土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分布。模式僅能再現(xiàn)西伯利亞高壓強(qiáng)度與西伯利亞南部地區(qū)表層土壤溫度的顯著負(fù)相關(guān)，且極大高估西伯利亞高壓強(qiáng)度與亞洲西部地區(qū)表層土壤溫度的統(tǒng)計關(guān)系。由于西伯利亞南部地區(qū)海平面氣壓的潛在可預(yù)報性明顯高于其北部［26］，雖然模式再現(xiàn)西伯利亞高壓強(qiáng)度與西伯利亞北部地區(qū)表層土壤溫度顯著負(fù)相關(guān)的能力在10月（LM2）強(qiáng) 于11 月（LM1），但 這 并 未 使10 月（LM2）的預(yù)報技巧顯著提高。此外，表層土壤溫度的持續(xù)性較弱，這是造成西伯利亞高壓的預(yù)報技巧隨預(yù)報超前時間的增加而衰減較快的重要原因之一（圖1）。

由圖6可知，西伯利亞地區(qū)表層土壤溫度越低，西伯利亞高壓越強(qiáng)，為探究模式預(yù)報準(zhǔn)確性，本文計算模式11月（LM1）和12 月（LM0）起報的冬季西伯利亞區(qū)域海平面氣壓的PCC 技巧與觀測的0～10 cm 土壤溫度異常的散點分布圖（圖7）。由圖7可見，模式對于西伯利亞地區(qū)海平面氣壓的PCC 技巧與表層土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，11月（LM1）和12月（LM0）相關(guān)系數(shù)分別為-0.31和-0.26，但離散性較大。這表明表層土壤溫度可以為西伯利亞高壓提供一定的預(yù)報技巧，但受限于其自身持續(xù)性以及模式模擬準(zhǔn)確性等因素，西伯利亞高壓的可預(yù)報性有限。此外，3 個 超 強(qiáng) 厄 爾 尼 諾 冬 季（1997／1998 年、2009／2010年、2015／2016年）的結(jié)果均偏離線性擬合線。剔除這3個超強(qiáng)厄爾尼諾冬季的結(jié)果后，11月（LM1）和12月（LM0）相關(guān)系數(shù)分別為-0.29和-0.21。這也進(jìn)一步體現(xiàn)了ENSO 對陸面-大氣耦合關(guān)系的復(fù)雜調(diào)制作用是影響西伯利亞高壓難以預(yù)測的重要因素。

圖6 觀測與BCC_CSM1.1m 模式10—11月（LM2～LM1）起報的冬季SHI與觀測和BCC_CSM1.1m 模式10—11月起報的12月、1月0～10 cm 土壤溫度的相關(guān)系數(shù)（紅色方框為SHI定義區(qū)域，黑色打點表示相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05顯著性水平）（a）觀測的冬季SHI與12月土壤溫度，（b）觀測的冬季SHI與1月土壤溫度，（c）10月起報的冬季SHI與12月土壤溫度，（d）10月起報的冬季SHI與1月土壤溫度，（e）11月起報的冬季SHI與12月土壤溫度，（f）11月起報的冬季SHI與1月土壤溫度Fig.6 TCC between observed and BCC_CSM1.1m predicted winter SHI from Oct to Nov（LM2-LM1）and 0-10 cm soil temperature in Dec and Jan（red box denotes region of SHI，dotted area denotes TCC passing the test of 0.05 level）（a）observed winter SHI and soil temperature in Dec，（b）observed winter SHI and soil temperature in Jan，（c）winter SHI initiated in Oct and soil temperature in Dec，（d）winter SHI initiated in Oct and soil temperature in Jan，（e）winter SHI initiated in Nov and soil temperature in Dec，（f）winter SHI initited in Nov and soil temperature in Jan

圖7 BCC_CSM1.1m 模式11月（LM1）（a）和12月（LM0）（b）起報的冬季SHI區(qū)域海平面氣壓PCC技巧與觀測的12月土壤溫度異常散點分布及其線性擬合線（星型點代表超強(qiáng)厄爾尼諾年冬季結(jié)果）Fig.7 Scatter plots of PCC skill against soil temperature anomaly and its linear fitting line for SHI region initiated in Nov（LM1）（a）and Dec（LM0）（b）（hollow stars denote the strong El Ni?no year）

西伯利亞高壓和阿留申低壓是影響東亞冬季風(fēng)的重要因子。模式能否準(zhǔn)確預(yù)測西伯利亞高壓和阿留申低壓將直接影響東亞冬季風(fēng)的可預(yù)報性。以12月（LM0）起報為例，模式對東亞冬季風(fēng)定義區(qū)域海平面氣壓的PCC 技巧與西伯利亞高壓和阿留申低壓區(qū)域海平面氣壓的PCC 技巧的相關(guān)系數(shù)分別為0.21和0.27。這表明西伯利亞高壓和阿留申低壓對東亞冬季風(fēng)的預(yù)測均具有一定影響。阿留申低壓與東亞冬季風(fēng)的預(yù)測技巧相關(guān)較高，主要是由于阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的可預(yù)報性均來源于ENSO，具有較高的一致性。雖然模式對于西伯利亞高壓的預(yù)報能力有限，但其預(yù)測技巧與東亞冬季風(fēng)仍具有一定的正相關(guān)性。由于東亞冬季風(fēng)的預(yù)測技巧低于阿留申低壓，這在一定程度上受到西伯利亞高壓預(yù)報技巧較低的影響，提高模式對西伯利亞高壓的預(yù)報能力將有利于提高模式對東亞冬季風(fēng)的預(yù)測。

3 結(jié)論與討論

本文使用BCC_CSM1.1m 模式歷史回報數(shù)據(jù)，通過TCC，RMSE，PCC 等確定性預(yù)報技巧評分對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報性能進(jìn)行評估，探究ENSO 對其可預(yù)報性的影響，并分析模式對于西伯利亞高壓預(yù)報能力較弱較低的原因。主要結(jié)論如下：

1）模式對于西伯利亞高壓的預(yù)報技巧相對低于阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)，且均隨預(yù)報時間的增加而減弱。ENSO 是阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的重要可預(yù)報性來源，其信號的強(qiáng)弱對于阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)的預(yù)報具有重要影響。

2）ENSO 及其遙相關(guān)模態(tài)的影響，可導(dǎo)致模式對海洋上空海平面氣壓的預(yù)報能力高于大陸。東亞冬季風(fēng)受海洋和陸地下墊面的共同影響，加之西伯利亞高壓和阿留申低壓的共同調(diào)制，模式對東亞冬季風(fēng)預(yù)測在一定程度上依賴于西伯利亞高壓和阿留申低壓的準(zhǔn)確預(yù)測。

3）前期西伯利亞地區(qū)表層土壤溫度是影響西伯利亞高壓的重要因子。但由于表層土壤溫度的持續(xù)性較弱，使得西伯利亞高壓的預(yù)報技巧隨預(yù)報時間的增加而快速衰減。此外，ENSO 對于陸面-大氣耦合關(guān)系的復(fù)雜調(diào)制作用也是影響西伯利亞高壓預(yù)測的重要因素。

總體而言，BCC_CSM1.1m 模式對于東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)具有較好的預(yù)測能力，但仍存在一定偏差。一些問題有待解決，如模式對于西伯利亞高壓的預(yù)測能力不足，這對于冬季風(fēng)乃至我國冬季氣候的預(yù)測均有重要影響；盡管ENSO 的強(qiáng)度和東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測技巧之間存在一定線性關(guān)系，但離散性較大，特別是在ENSO 強(qiáng)度較弱時，阿留申低壓和東亞冬季風(fēng)與ENSO 振幅之間的線性關(guān)系并不明顯（圖5b和圖5c），這表明存在除ENSO 外的其他可能因子，如陸面過程、平流層、大氣內(nèi)部動力作用，以及熱帶副熱帶海氣相互作用信號等［32］，對東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測有重要影響，需要未來更深入的研究加以揭示。此外，在現(xiàn)有模式預(yù)測基礎(chǔ)上，采用多模式集合和動力-統(tǒng)計相結(jié)合的預(yù)測方法［33-34］可改進(jìn)預(yù)測結(jié)果，顯著提高預(yù)測能力。未來隨著氣候預(yù)測模式的發(fā)展，以及基于多模式集合的動力-統(tǒng)計預(yù)測技術(shù)的不斷改進(jìn)，東亞地區(qū)冬季典型環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)測也將更加準(zhǔn)確。