李琳菲 楊穎 朱志偉 王蔚

摘要 基于1961—2000年逐月降水觀測(cè)資料和全球大氣再分析資料，分析了6—7月長(zhǎng)江中下游（108°～123°E，27°～33°N）梅雨的時(shí)空分布特征。通過(guò)觀測(cè)診斷和數(shù)值試驗(yàn)確定了影響梅雨異常偏多的3個(gè)前期因子：4—5月平均的西北太平洋海平面氣壓正異常;3月至5月北大西洋海平面氣壓負(fù)變壓傾向;1月至4月西伯利亞的2 m溫度負(fù)傾向。利用這3個(gè)具有物理意義的影響因子構(gòu)建了梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)模型，該模型在訓(xùn)練期（1961—2000年）和獨(dú)立預(yù)測(cè)期（2001—2022年）均具有顯著的預(yù)測(cè)技巧（相關(guān)系數(shù)分別為0.79和0.77，均方根誤差分別為0.59和0.68）。同時(shí)，基于相似的潛在預(yù)測(cè)因子，對(duì)比了利用偏最小二乘回歸方法和5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法（隨機(jī)森林、輕量級(jí)梯度提升機(jī)、自適應(yīng)提升、類(lèi)別型特征提升、極端梯度提升）建立的預(yù)測(cè)模型的技巧。雖然訓(xùn)練期（1961—2000年）偏最小二乘回歸和機(jī)器學(xué)習(xí)建模擬合效果更高，但在獨(dú)立預(yù)測(cè)期（2001—2022年）上述模型的預(yù)測(cè)技巧顯著降低（相關(guān)系數(shù)均低于0.44，均方根誤差均大于0.93），出現(xiàn)了明顯的過(guò)擬合問(wèn)題。本研究強(qiáng)調(diào)梅雨的短期氣候預(yù)測(cè)應(yīng)建立在物理機(jī)制基礎(chǔ)之上，而使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法需謹(jǐn)慎。

關(guān)鍵詞梅雨;季節(jié)預(yù)測(cè);物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型;機(jī)器學(xué)習(xí)

梅雨期是東亞夏季風(fēng)雨帶由南向北推進(jìn)過(guò)程中的重要階段（Ding，1992;Ding et al.，2020）。梅雨降水多寡直接影響長(zhǎng)江流域的旱澇狀況，尤其是梅雨異常帶來(lái)的旱澇災(zāi)害嚴(yán)重影響長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活。例如：1998年梅雨異常偏多導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游大洪水，造成3 000余人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失將近2 500億元（陶詩(shī)言等，1998;Lu，2000）;2020年超級(jí)暴力梅打破了1961年以來(lái)長(zhǎng)江流域梅雨季降水紀(jì)錄，3 800余萬(wàn)人受洪澇影響（劉蕓蕓和丁一匯，2020;Ding et al.，2021）;2022年梅雨歷史性極端偏少，長(zhǎng)江流域出現(xiàn)大范圍干旱（張強(qiáng)，2022;孫博等，2023），導(dǎo)致64萬(wàn)hm2耕地受災(zāi)、83萬(wàn)人供水困難。因此，揭示梅雨變異規(guī)律、理解其物理成因、進(jìn)而提升梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)水平，是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求。

作為熱帶暖濕空氣和中高緯度冷干氣流匯合的鋒面系統(tǒng)，梅雨降水多寡受到熱帶和中高緯度環(huán)流系統(tǒng)共同控制（Ding，1992;Wang and Lin，2002）。夏季對(duì)流層低層太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的西南風(fēng)將水汽向北輸送至長(zhǎng)江流域，提供梅雨主要水汽來(lái)源（張慶云和陶詩(shī)言，2003）;對(duì)流層高層南亞高壓的東伸通過(guò)抽吸作用增強(qiáng)梅雨降水（Ren et al.，2015）;歐亞大陸上阻塞高壓（張慶云和陶詩(shī)言，1998）和東北冷渦（王麗娟等，2010）引導(dǎo)干冷空氣南下，與北上的暖濕空氣在長(zhǎng)江中下游交匯，形成梅雨環(huán)流形勢(shì);此外，絲綢之路型遙相關(guān)（Lu et al.，2002）和太平洋-日本／東亞-太平洋型遙相關(guān)（Nitta，1986）均可通過(guò)影響東亞局地環(huán)流，進(jìn)而影響梅雨降水（Guan et al.，2019;陶麗等，2020）。調(diào)控梅雨降水的局地環(huán)流異常是更大尺度海陸氣相互作用的結(jié)果：ENSO作為全球最顯著的熱帶年際氣候模態(tài)，通過(guò)西北太平洋風(fēng)-蒸發(fā)-海溫反饋機(jī)制（Wang et al.，2000;Wu et al.，2017）、印度洋“電容器”效應(yīng)（Xie et al.，2016）影響西北太平洋反氣旋異常，進(jìn)而調(diào)控梅雨降水;而不同類(lèi)型的ENSO事件也會(huì)對(duì)梅雨造成差異性影響（陳文等，2018;Zhou et al.，2019）;北大西洋海溫異?？梢酝ㄟ^(guò)熱帶和熱帶外兩條路徑調(diào)控東亞環(huán)流形勢(shì)，進(jìn)而影響梅雨降水（Yang et al.，2023;Zhu et al.，2023）;而北極海冰（Guo et al.，2014）、歐亞大陸積雪（Zhang et al.，2021）、局地土壤濕度（Zuo and Zhang，2016）等陸面因子也能直接或間接調(diào)控東亞環(huán)流，最終影響梅雨降水。

除梅雨變異機(jī)理研究，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)梅雨也是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求（宋進(jìn)波等，2018）。范可等（2007）通過(guò)考察與梅雨年際增幅相關(guān)的環(huán)流異常，建立了統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，其在獨(dú)立預(yù)報(bào)時(shí)段平均均方根誤差控制在20％以內(nèi);Xing et al.（2016）結(jié)合經(jīng)驗(yàn)正交分解和偏最小二乘回歸方法建立了中國(guó)夏季降水統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，其提前4個(gè)月預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于動(dòng)力模式提前1個(gè)月的預(yù)報(bào)技巧。除統(tǒng)計(jì)模型外，英國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式（GloSea5）由于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海洋性大陸對(duì)流活動(dòng)及其向中國(guó)南方和長(zhǎng)江流域的水汽輸送，所以對(duì)梅雨降水的回報(bào)技巧高于歐盟ENSEMBLES多模式集合系統(tǒng)（Li et al.，2016）;中國(guó)國(guó)家氣候中心全球海氣耦合模式第2代氣候預(yù)測(cè)模式相比第1代模式對(duì)環(huán)流和物理量場(chǎng)的預(yù)報(bào)性能明顯提升，但仍低估了中國(guó)東部夏季降水（張丹琦等，2019），其原因在于低估了西太平洋及印度洋海表溫度，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的西太平洋副熱帶高壓及水汽輻合偏弱。綜上所述，統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)和動(dòng)力模式在梅雨預(yù)測(cè)中均存在顯著不足。

近年來(lái)，基于物理機(jī)制的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型（Physical-based Empirical Model，PE模型）被證明優(yōu)于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型以及大部分?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)模式。PE模型強(qiáng)調(diào)預(yù)測(cè)因子與預(yù)報(bào)量間的物理聯(lián)系以及預(yù)測(cè)因子間的相互獨(dú)立性，保證了預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性，同時(shí)避免了過(guò)擬合問(wèn)題。比如：在印度夏季風(fēng)全區(qū)平均降水的季節(jié)預(yù)測(cè)中，PE模型在92 a（1921—2012年）回報(bào)中具有顯著的技巧（相關(guān)系數(shù)為0.64），獨(dú)立預(yù)測(cè)期技巧優(yōu)于動(dòng)力模式（Wang et al.，2015）和業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)（Li et al.，2017）;針對(duì)中國(guó)東北夏季降水季節(jié)預(yù)測(cè)，PE模型獨(dú)立預(yù)測(cè)的2003—2019年降水序列與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)為0.70，顯著高于5個(gè)動(dòng)力模式集合平均的結(jié)果（0.24）（Zhao et al.，2022）;在中國(guó)南方夏季降水（Yim et al.，2014;Li et al.，2023）、東亞初夏副熱帶鋒面（Xing et al.，2017）的預(yù)測(cè)中，PE模型也具有穩(wěn)定而出色的獨(dú)立預(yù)測(cè)技巧。

隨著人工智能的興起，機(jī)器學(xué)習(xí)在天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的運(yùn)用（楊淑賢，2022）。沈皓俊等（2020）利用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)對(duì)中國(guó)夏季降水進(jìn)行了回報(bào)實(shí)驗(yàn)，所得PS評(píng)分高于同期全國(guó)會(huì)商和業(yè)務(wù)模式;苗春生等（2017）通過(guò)C4.5算法，基于前期春季因子建立了長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)80％以上;Fan et al.（2023）基于自動(dòng)編碼器確定了中國(guó)東部夏季降水預(yù)測(cè)因子，并利用隨機(jī)森林（Random Forest）和梯度回歸算法建立了降水預(yù)測(cè)模型，其在華南地區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于主流模式10％以上。相比于動(dòng)力模式和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型，在大樣本訓(xùn)練下的機(jī)器學(xué)習(xí)模型處理非線性問(wèn)題具有更大優(yōu)勢(shì)。然而，由于過(guò)擬合問(wèn)題，機(jī)器學(xué)習(xí)在獨(dú)立預(yù)報(bào)以及測(cè)試數(shù)據(jù)集中的技巧急速下降，實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中的表現(xiàn)常常不盡如人意。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)方法能否應(yīng)用于梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

為了進(jìn)一步厘清梅雨異常機(jī)理、提升梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)技巧，本文主要解決2個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：影響梅雨降水的物理機(jī)制是什么？基于物理機(jī)制的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型、傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型3者對(duì)梅雨的季節(jié)預(yù)測(cè)水平究竟孰優(yōu)孰劣？本文將利用降水站點(diǎn)觀測(cè)資料和全球再分析數(shù)據(jù)，揭示6—7月長(zhǎng)江中下游梅雨的相關(guān)物理機(jī)制，建立PE預(yù)測(cè)模型，并對(duì)比傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)梅雨的預(yù)測(cè)技巧，以期提升6—7月梅雨降水的季節(jié)預(yù)測(cè)水平，為業(yè)務(wù)部門(mén)預(yù)測(cè)提供參考。

1 資料、方法和模式

1.1 資料

1）國(guó)家氣象信息中心格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集（CN05.1）中的逐月降水資料（吳佳和高學(xué)杰，2013），空間分辨率為0.25°×0.25°;2）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）第5代大氣再分析數(shù)據(jù)集（ERA5），空間分辨率為1.0°×1.0°（Hersbach et al.，2020）;3）美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局第5套全球逐月海表溫度（SST）重構(gòu)資料（ERSSTv5），空間分辨率為2.0°×2.0°（Huang et al.，2017）;4）日本氣象臺(tái)逐月再分析降水?dāng)?shù)據(jù)，水平分辨率為1.25°×1.25°（Kobayashi et al.，2015）。本文將1961—2000年作為訓(xùn)練期，用于統(tǒng)計(jì)診斷分析以及預(yù)測(cè)模型建模;將2001—2022年作為獨(dú)立預(yù)測(cè)期，用于預(yù)測(cè)模型的獨(dú)立預(yù)測(cè)檢驗(yàn)。

1.2 方法

1）物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。PE模型有別于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，更注重預(yù)測(cè)因子與預(yù)測(cè)量之間的物理機(jī)制聯(lián)系，在東亞氣候季節(jié)預(yù)測(cè)中表現(xiàn)出良好技巧（Yim et al.，2014;Wang et al.，2015）。PE模型的建立有2個(gè)關(guān)鍵步驟：1）通過(guò)梅雨指數(shù)與前期下墊面異常進(jìn)行超前滯后相關(guān)分析，普查潛在的預(yù)測(cè)因子。下墊面異常包括海表溫度（SST）、2 m溫度（T2M）、海平面氣壓（SLP）、土壤濕度（SM）和積雪深度（SD）?？紤]到前期下墊面異常存在持續(xù)和變化2種態(tài)勢(shì)，我們將潛在預(yù)測(cè)因子分為2類(lèi)：持續(xù)信號(hào)（如4—5月平均的下墊面異常）和趨勢(shì)信號(hào)（如5月減4月的下墊面異?；?—5月平均減前1年12月—當(dāng)年1月平均的下墊面異常）;2）逐步回歸篩選出最優(yōu)預(yù)測(cè)因子并建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型方程。將所有潛在預(yù)測(cè)因子與預(yù)測(cè)量（梅雨指數(shù)）進(jìn)行逐步回歸分析，挑選出最顯著相關(guān)且相互獨(dú)立的預(yù)測(cè)因子，建立起PE預(yù)測(cè)模型。相比于多元回歸方法，逐步回歸方法同時(shí)兼顧預(yù)測(cè)因子與預(yù)測(cè)對(duì)象的顯著相關(guān)性和預(yù)測(cè)因子間的相對(duì)獨(dú)立性。

2）偏最小二乘回歸預(yù)測(cè)模型?；谄钚《耍≒artial Least Square，PLS）回歸方法（Wold et al.，1984;Wu and Yu，2016）的預(yù)測(cè)模型建立步驟如下：首先對(duì)所有預(yù)測(cè)因子X(jué)和預(yù)報(bào)量Y進(jìn)行相關(guān)分析，將預(yù)測(cè)因子X(jué)投影到相關(guān)系數(shù)上得到特征向量Z1，同時(shí)計(jì)算Z1對(duì)預(yù)報(bào)量Y的解釋方差。PLS方法的核心思想是提高對(duì)預(yù)報(bào)量Y的解釋方差，考慮到Z1只包含了預(yù)測(cè)場(chǎng)X的部分信息，因此對(duì)X和Y進(jìn)行殘差估計(jì)并提取新一輪的特征向量Z2，直到最終的Zk（k為特征向量的個(gè)數(shù)）能夠使對(duì)Y的解釋方差及X、Y之間的相關(guān)性最大化。最后，對(duì)Z1、Z2、…、Zk與預(yù)報(bào)量Y進(jìn)行多元回歸分析，建立起PLS預(yù)測(cè)模型。PLS預(yù)測(cè)模型中預(yù)測(cè)因子X(jué)包括了前期下墊面異常場(chǎng)中的所有統(tǒng)計(jì)相關(guān)區(qū)域，即包含了更多前期下墊面異常的可預(yù)測(cè)信息（Li et al.，2017）。

3）機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型。為了對(duì)比不同機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型對(duì)長(zhǎng)江流域梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)的技巧，本文采用了5種機(jī)器學(xué)習(xí)模型：基于Bagging方法的Random Forest模型和基于Boosting方法的LightGBM、Adaboost、Catboost、XGboost模型。在機(jī)器學(xué)習(xí)模型建模中，我們使用貝葉斯優(yōu)化來(lái)確定各個(gè)模型的最優(yōu)參數(shù)，以提高機(jī)器學(xué)習(xí)方法的預(yù)測(cè)性能（崔佳旭和楊博，2018）。

Bagging方法類(lèi)似于多模式集合平均，即通過(guò)計(jì)算模型中所有學(xué)習(xí)器的預(yù)測(cè)結(jié)果平均值來(lái)減小模型的方差，在一定程度上能克服過(guò)擬合問(wèn)題，但其缺點(diǎn)在于易被學(xué)習(xí)能力較差的模型影響。隨機(jī)森林（Random Forest）模型是典型的Bagging集成模型之一，通過(guò)對(duì)變量和數(shù)據(jù)的使用隨機(jī)化，生成很多分類(lèi)樹(shù)，再匯總分類(lèi)樹(shù)的結(jié)果（Breiman，2001）。

Boosting方法的核心思想是通過(guò)迭代訓(xùn)練多個(gè)“弱”學(xué)習(xí)器組裝成“強(qiáng)”學(xué)習(xí)器來(lái)改進(jìn)模型的預(yù)測(cè)能力。Boosting方法的眾多子算法區(qū)別在于在組合弱學(xué)習(xí)器的不同策略，例如：輕量級(jí)梯度提升機(jī)算法（light gradient boosting machine，LightGBM）使用直方圖分割方法（Ke et al.，2017）;自適應(yīng)提升算法（adaptive boosting，Adaboost）通過(guò)調(diào)整概率分布改變權(quán)重（Freund and Schapire，1997）;類(lèi)別型特征提升算法（categorical boosting，Catboost）通過(guò)添加先驗(yàn)分布項(xiàng)來(lái)處理類(lèi)別特征（Dorogush et al.，2018）;極端梯度提升算法（eXtreme gradient boosting，XGboost）采用前向分布方法且兼顧線性求解器和樹(shù)算法的特性（Chen and Guestrin，2016）。

4）評(píng)估指標(biāo)。為了定量評(píng)估模型的預(yù)測(cè)技巧，本文使用了以下指標(biāo)：平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、時(shí)間相關(guān)系數(shù)（Temporal Correlation Coefficient，TCC）、距平符號(hào)一致率（Predictive Consistent，PC）以及均方技巧得分（Mean Square Skill Score，MSSS）。MAE、RMSE、MSSS的計(jì)算公式如下：

其中：n代表序列長(zhǎng)度；x代表觀測(cè)值；代表氣候態(tài)平均；f代表模型預(yù)測(cè)結(jié)果；MSE為預(yù)測(cè)序列的均方誤差；MSEc為氣候態(tài)預(yù)測(cè)的均方誤差。

1.3 數(shù)值模式

本文利用線性斜壓模式（Linear Baroclinic Model，LBM）（Watanabe and Kimoto，2000）來(lái)揭示長(zhǎng)江中下游梅雨機(jī)理。LBM模式的水平分辨率為T(mén)42，垂直方向上從地面到10 hPa共分21層。文中加入觀測(cè)對(duì)應(yīng)的大氣異常熱源強(qiáng)迫或渦度強(qiáng)迫來(lái)驅(qū)動(dòng)模式積分35 d，取第21—25天平均代表大氣環(huán)流異常對(duì)給定外強(qiáng)迫的穩(wěn)定響應(yīng)（Huang et al.，2024）。

2 梅雨的時(shí)空特征及相關(guān)環(huán)流異常場(chǎng)

2.1 梅雨的時(shí)空分布特征

圖1a表明中國(guó)降水呈現(xiàn)南多北少的分布形勢(shì)，長(zhǎng)江及以南地區(qū)降水偏多，最大值位于長(zhǎng)江中下游（117.75°E，29.5°N）。降水標(biāo)準(zhǔn)差的大值區(qū)同樣位于長(zhǎng)江中下游（圖1b），最大值點(diǎn)（117.5°E，30°N）的變率可達(dá)3 mm·d-1。對(duì)氣候態(tài)降水最大值點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)差最大值點(diǎn)與每個(gè)格點(diǎn)做相關(guān)分析，結(jié)果顯示長(zhǎng)江中下游降水變率具有區(qū)域一致性（圖1c、d）。因此，定義變率一致的長(zhǎng)江中下游（108°～123°E，27°～33°N）平均降水標(biāo)準(zhǔn)化序列為梅雨指數(shù)（Meiyu Index，MYI）（圖1e）。

2.2 長(zhǎng)江中下游梅雨相關(guān)的環(huán)流異常

梅雨偏多時(shí)，東亞沿岸的環(huán)流形勢(shì)表現(xiàn)為準(zhǔn)正壓的太平洋-日本型遙相關(guān)負(fù)位相（圖2）。對(duì)流層低層西太平洋反氣旋環(huán)流異常西側(cè)的西南風(fēng)將水汽向北輸送至長(zhǎng)江流域（圖2c），而正壓的東北亞氣旋性環(huán)流異常西側(cè)的北風(fēng)阻止了水汽進(jìn)一步北傳，導(dǎo)致水汽在長(zhǎng)江流域輻合、梅雨偏多。正壓的西太平洋反氣旋性環(huán)流異常同時(shí)帶來(lái)下沉運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致西太平洋降水偏少（圖2a）。此外，在中緯度存在位勢(shì)高度異常正負(fù)交替的顯著信號(hào)：俄羅斯中東部的反氣旋異常、青藏高原以西和白海上空的氣旋異常、法國(guó)以西的反氣旋異常、北大西洋的氣旋異常和加拿大東部的反氣旋異常（圖2a）。從對(duì)流層中層也能看到上述顯著的中緯度正負(fù)交替位勢(shì)高度異常（圖2b），表明梅雨與中高緯遙相關(guān)波列顯著相關(guān)。

梅雨異常偏多時(shí)，印度洋-西太平洋暖池地區(qū)、赤道東太平洋、熱帶大西洋海溫均顯著偏暖（圖2b）。印太暖池顯著的正海溫異常有利于局地蒸發(fā)及對(duì)流發(fā)展，產(chǎn)生的開(kāi)爾文波響應(yīng)及東風(fēng)異常增強(qiáng)了西太平洋反氣旋異常，進(jìn)而激發(fā)東亞沿岸的太平洋-日本型遙相關(guān)（Xie et al.，2016）。赤道東太平洋正海溫異常也可通過(guò)風(fēng)-蒸發(fā)-海溫反饋機(jī)制增強(qiáng)西北太平洋反氣旋異常，進(jìn)而調(diào)控梅雨降水（Wu et al.，2017;Wang et al.，2000）。同時(shí)，活躍的熱帶大西洋對(duì)流活動(dòng)一方面通過(guò)開(kāi)爾文波響應(yīng)增強(qiáng)西北太平洋反氣旋異常，另一方面抑制東太平洋對(duì)流并導(dǎo)致對(duì)流層低層輻散，增強(qiáng)了西北太平洋反氣旋異常;此外，熱帶大西洋正對(duì)流還能影響局地環(huán)流異常，擾動(dòng)歐亞大陸上空中緯度波列，增強(qiáng)長(zhǎng)江流域以北的氣旋性環(huán)流異常，導(dǎo)致梅雨正異常（Yang et al.，2023;Zhu et al.，2023）。

3 梅雨季節(jié)預(yù)測(cè)模型

3.1 梅雨物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型

上述海表溫度異常及中緯度波列與梅雨之間的物理聯(lián)系具體如何？能否作為預(yù)測(cè)因子，建立6—7月長(zhǎng)江流域梅雨的季節(jié)預(yù)測(cè)模型？下文將揭示預(yù)測(cè)因子調(diào)控梅雨的物理機(jī)制并建立預(yù)測(cè)梅雨的PE模型。

首先普查了訓(xùn)練期（1961—2000年）MYI與前期下墊面異常（SST、T2M、SLP、SD、SM）的超前滯后相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)潛在的梅雨相關(guān)物理機(jī)制劃分顯著區(qū)域，通過(guò)相關(guān)系數(shù)加權(quán)計(jì)算出21個(gè)持續(xù)信號(hào)和64個(gè)趨勢(shì)信號(hào)，其中12—1月表示梅雨的前1年12月和當(dāng)年1月的平均。85個(gè)潛在預(yù)測(cè)因子的具體定義如表1所示，所有預(yù)測(cè)因子皆與梅雨指數(shù)顯著相關(guān)（通過(guò)90％置信度的顯著性檢驗(yàn)）。

通過(guò)逐步回歸分析篩選出3個(gè)預(yù)測(cè)因子：X17，4—5月平均的副熱帶西太平洋海平面氣壓正異常（positive SLP anomalies over subtropical western Pacific，SWP）;X54，3月至5月北大西洋海平面氣壓負(fù)變壓傾向（SLP negative tendency over North Atlantic，NAP）;X75，1月至4月西伯利亞的地表溫度負(fù)傾向（cooling tendency of T2M over East Siberian，EST）。

圖3給出了MYI與SWP、NAP、EST的相關(guān)性空間分布。MYI與SWP、NAP、EST的相關(guān)系數(shù)分別為0.67、0.43、0.47，通過(guò)置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)（表2）。此外，上述3個(gè)預(yù)測(cè)因子之間的相關(guān)系數(shù)（0.04、-0.10、0.34）均未通過(guò)置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明3個(gè)預(yù)測(cè)因子均代表不同的物理過(guò)程。

3.1.1 梅雨相關(guān)機(jī)理

SWP、NAP和EST究竟如何影響梅雨？我們使用超前滯后回歸分析預(yù)測(cè)因子相關(guān)的物理過(guò)程，并利用LBM設(shè)計(jì)相應(yīng)的敏感性試驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)機(jī)理。

與西太平洋持續(xù)的海平面氣壓正異常（SWP）對(duì)應(yīng)的是局地持續(xù)的負(fù)降水異常（圖4a、d）和赤道東太平洋、印度洋持續(xù)的正海溫異常（圖4b、e）。春季印度洋顯著的正海溫異常增強(qiáng)局地對(duì)流活動(dòng)，通過(guò)吉爾響應(yīng)產(chǎn)生東傳的開(kāi)爾文波，東風(fēng)異常增強(qiáng)了西北太平洋反氣旋，導(dǎo)致中國(guó)南方正降水異常。夏季，印度洋夏季風(fēng)爆發(fā)，西南風(fēng)強(qiáng)盛導(dǎo)致正降水異常向北至長(zhǎng)江流域。同時(shí)，熱帶東太平洋活躍的對(duì)流（上升運(yùn)動(dòng)）導(dǎo)致菲律賓海及西太平洋的對(duì)流受到抑制（下沉運(yùn)動(dòng)），沃克環(huán)流增強(qiáng)使西太平洋反氣旋增強(qiáng)，其西側(cè)的南風(fēng)持續(xù)將水汽向北輸送至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，增加了6—7月的梅雨降水。綜上所述，SWP反映的是由春到夏持續(xù)的熱帶海氣耦合模態(tài)，即印度洋正海溫異常及對(duì)流一方面通過(guò)開(kāi)爾文波產(chǎn)生東風(fēng)異常，另一方面增強(qiáng)沃克環(huán)流，影響菲律賓和西太平洋的下沉運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)西太平洋反氣旋，最終增加6—7月梅雨降水。

為了驗(yàn)證上述機(jī)理，我們?cè)O(shè)計(jì)了LBM敏感性試驗(yàn)（圖5）。在6—7月背景態(tài)下，給定SWP對(duì)應(yīng)的非絕熱加熱時(shí)（圖5a），對(duì)流層低層印度洋上有顯著的東風(fēng)異常，即開(kāi)爾文波響應(yīng);熱帶東太平洋出現(xiàn)輻合而西太平洋呈現(xiàn)顯著輻散，即沃克環(huán)流（圖5c）;二者的共同作用增強(qiáng)了西太平洋反氣旋異常。反氣旋異常西側(cè)的西南風(fēng)將熱帶水汽向北輸送（圖5b），由于東北亞氣旋異常阻攔水汽的進(jìn)一步向北輸送（圖5a），導(dǎo)致梅雨降水增多。因此，觀測(cè)診斷和數(shù)值試驗(yàn)都證明：SWP代表從春到夏持續(xù)的熱帶海氣耦合模態(tài)能影響東亞沿岸的經(jīng)向環(huán)流異常，進(jìn)而增強(qiáng)梅雨降水。

圖6給出了NAP相關(guān)的超前滯后相關(guān)空間分布。2—3月大西洋上空位勢(shì)高度場(chǎng)表現(xiàn)為北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）的正位相（圖6a—c）。中高緯度還存在顯著的位勢(shì)高度異常正負(fù)交替的形勢(shì)：北大西洋正壓氣旋異常、西歐反氣旋異常、俄羅斯中部氣旋異常和中國(guó)北方反氣旋異常。波活動(dòng)通量清晰地顯示能量從北大西洋向下游傳播至中國(guó)北方（圖6a），表明該中緯度準(zhǔn)正壓羅斯貝波列顯著影響東亞環(huán)流形勢(shì)。4—5月，NAO由正位相轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)位相（圖6d—f），北半球中高緯度波列環(huán)流中心轉(zhuǎn)變?yōu)椋罕贝笪餮蠛蜌W亞大陸北部的反氣旋異常，位于歐洲西北部和中國(guó)北部的氣旋異常。6—7月上述波列向下游略微移動(dòng)（圖6g—i），東北亞氣旋異常西側(cè)北風(fēng)（圖6i）將中高緯干冷空氣向南輸送，干冷空氣與南方暖濕空氣在長(zhǎng)江流域相遇，導(dǎo)致梅雨偏多。因此，NAP代表3月至5月NAO相關(guān)中緯度遙相關(guān)波列的變化，即NAO相關(guān)中緯度遙相關(guān)波列增強(qiáng)東北亞氣旋進(jìn)而增強(qiáng)長(zhǎng)江中下游梅雨。

給定NAP對(duì)應(yīng)的北大西洋渦度強(qiáng)迫時(shí)，歐亞大陸上空大氣環(huán)流響應(yīng)表現(xiàn)為顯著的波列（圖7），且環(huán)流中心與觀測(cè)基本一致。長(zhǎng)江流域北側(cè)為氣旋異常（圖7c），西側(cè)北風(fēng)將高緯冷空氣輸送至長(zhǎng)江流域，持續(xù)影響梅雨。因此，NAP代表NAO相關(guān)的中緯度準(zhǔn)正壓羅斯貝波列的變化，波列位相轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng)了東北亞氣旋異常，最終增加梅雨降水。

圖8給出了EST相關(guān)的超前滯后空間分布。1—2月準(zhǔn)正壓的北太平洋氣旋異?？刂茤|亞地區(qū)，而太平洋反氣旋異常則占據(jù)熱帶太平洋（圖8a—c）。3—4月西伯利亞地表溫度迅速降低，對(duì)應(yīng)局地低壓異常（EST）。西伯利亞與熱帶增大的溫度梯度增強(qiáng)副熱帶緯向西風(fēng)急流（圖8d—f），維持了東亞和太平洋上空的經(jīng)向環(huán)流形勢(shì)。東亞沿岸40°N以北受北太平洋氣旋異?？刂?，40°N以南受熱帶太平洋反氣旋異?？刂?。在5—6月，上述經(jīng)向偶極型環(huán)流異常仍然控制東亞地區(qū)（圖8g—i），反氣旋異常西側(cè)的北風(fēng)異常和氣旋異常西側(cè)的南風(fēng)異常導(dǎo)致水汽在長(zhǎng)江流域輻合，增加了5—6月梅雨。綜上所述，EST代表了西風(fēng)急流增強(qiáng)的影響，即通過(guò)維持東亞沿岸經(jīng)向偶極型環(huán)流異常，導(dǎo)致水汽在長(zhǎng)江流域輻合、梅雨增多。

在5—6月氣候態(tài)背景下，給定EST對(duì)應(yīng)的負(fù)非絕熱加熱強(qiáng)迫，中國(guó)北方大氣環(huán)流響應(yīng)表現(xiàn)為氣旋異常（圖9），40°N以南則為反氣旋異常，與觀測(cè)結(jié)果一致。盡管敏感性試驗(yàn)中的北太平洋氣旋異常相比于觀測(cè)偏西偏北，但東亞至太平洋的經(jīng)向偶極型環(huán)流形勢(shì)模擬效果較好，說(shuō)明EST對(duì)東亞上空環(huán)流有顯著影響。綜上所述，觀測(cè)診斷和模式試驗(yàn)結(jié)果表明，1月至4月EST影響東亞沿岸大氣經(jīng)向溫度梯度，增強(qiáng)西風(fēng)急流，影響東亞沿岸經(jīng)向偶極型環(huán)流異常，最終增強(qiáng)梅雨降水。

3.1.2 梅雨的物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型

前文通過(guò)觀測(cè)診斷和數(shù)值試驗(yàn)分別驗(yàn)證了SWP、NAP和EST影響6—7月梅雨的機(jī)理，據(jù)此，6—7月梅雨P(guān)E模型方程建立如下：MYI=0.42×SWP+0.42×NAP+0.34×EST，PE模型在訓(xùn)練期和獨(dú)立預(yù)測(cè)期的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖10所示。預(yù)測(cè)因子的系數(shù)能夠反映其貢獻(xiàn)率，因此熱帶強(qiáng)迫（SWP）與副熱帶強(qiáng)迫（NAP、EST）貢獻(xiàn)相當(dāng)，進(jìn)一步驗(yàn)證梅雨是熱帶和中高緯度強(qiáng)迫同時(shí)作用的結(jié)果。

在訓(xùn)練期（1961—2000年）和獨(dú)立預(yù)測(cè)期（2001—2022年），PE模型均展現(xiàn)了優(yōu)秀的預(yù)測(cè)技巧（圖10）。訓(xùn)練期PE模型回報(bào)的時(shí)間序列與觀測(cè)MYI的TCC為0.79，通過(guò)了置信度為95％的顯著性檢驗(yàn);MSSS達(dá)到0.62說(shuō)明PE模型的預(yù)測(cè)結(jié)果接近于觀測(cè)。此外，PE模型對(duì)觀測(cè)中降水多寡的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（PC）達(dá)到85％;RMSE和MAE分別為0.59和0.48，進(jìn)一步說(shuō)明PE模型預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)的誤差較小。在獨(dú)立預(yù)測(cè)期，PE模型TCC達(dá)到0.77，幾乎與訓(xùn)練期持平且通過(guò)了置信度為95％的顯著性檢驗(yàn);MSSS為0.57，表示PE模型在獨(dú)立預(yù)測(cè)期能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)梅雨降水多寡;PC雖然略有降低（72％），但PE模型準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了2013年的干旱、2016年的洪澇和2020年的超強(qiáng)梅雨事件;RMSE和MAE分別為0.68和0.50，略有提高。綜上所述，從訓(xùn)練期到獨(dú)立預(yù)測(cè)期，本文建立的PE模型對(duì)6—7月梅雨具有顯著且穩(wěn)定的預(yù)測(cè)技巧，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出梅雨極端異常。

3.2 梅雨的偏最小二乘回歸預(yù)測(cè)模型

PE模型相比于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型的優(yōu)勢(shì)究竟如何？本文選用PLS方法，基于相似的預(yù)測(cè)因子，即4—5月平均的海平面氣壓場(chǎng)、5月減3月的海平面氣壓場(chǎng)以及4月減1月的2 m氣溫場(chǎng)（SWP、NAP、EST同期的同類(lèi)氣候要素場(chǎng)）進(jìn)行建模。相比于PE模型，PLS模型相對(duì)囊括了更多的預(yù)測(cè)信息，那么PLS模型在訓(xùn)練期和獨(dú)立預(yù)測(cè)期的預(yù)報(bào)技巧是否也優(yōu)于PE模型呢？

PLS模型在訓(xùn)練期技巧更高，但獨(dú)立預(yù)測(cè)的技巧不如PE模型（圖11）。在訓(xùn)練期PLS模型回報(bào)長(zhǎng)江流域的降水多寡準(zhǔn)確率為90％，高于PE模型的85％;序列相關(guān)性為0.86，MSSS評(píng)分為0.74，均略高于PE模型;回報(bào)的誤差相比于PE模型更?。≧MSE=0.49，MAE=0.35）。上述結(jié)果證實(shí)，在包含更多預(yù)測(cè)信息的情況下，PLS模型的預(yù)測(cè)技巧確實(shí)更高。但在獨(dú)立預(yù)測(cè)期，PLS模型的技巧顯著降低（TCC=0.43，MSSS=0.18，PC=59％）且誤差更大（RMSE=0.94，MAE=0.73）;說(shuō)明在PLS模型的建立中，為提高對(duì)預(yù)報(bào)量的解釋率忽視了過(guò)擬合問(wèn)題。尤其是對(duì)極端事件（2016年洪澇、2020年超強(qiáng)梅雨）的預(yù)測(cè)中，PLS預(yù)測(cè)模型幾乎沒(méi)有預(yù)測(cè)技巧。在不考慮物理機(jī)制的情況下，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型雖然在訓(xùn)練期具有較高的回報(bào)技巧，但在獨(dú)立預(yù)報(bào)中并不能提供可靠的預(yù)報(bào)結(jié)果。

3.3 梅雨的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型

為了保證模型技巧對(duì)比的公平性，本文根據(jù)挑選的85個(gè)潛在預(yù)測(cè)因子對(duì)5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練和建模?；?種機(jī)器學(xué)習(xí)方法的季節(jié)預(yù)測(cè)模型在訓(xùn)練期和獨(dú)立預(yù)測(cè)期的預(yù)測(cè)技巧如圖12所示。

在訓(xùn)練期，5種機(jī)器學(xué)習(xí)模型均具有極高的回報(bào)技巧（TCC分別為0.99、1.00、0.99、1.00、1.00），基本達(dá)到“完美擬合”的效果。根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的建立過(guò)程可知，數(shù)據(jù)量越大則誤差越低（RMSE分別為0.24、0.03、0.16、0.05、0.07）。受到學(xué)習(xí)能力差模型的影響，Random Forest模型的誤差相比于其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型更高。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)模型在訓(xùn)練期的預(yù)測(cè)技巧極高，但由于過(guò)擬合問(wèn)題，在獨(dú)立預(yù)測(cè)期的預(yù)測(cè)技巧則顯著降低。5種機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的序列與觀測(cè)的TCC分別是0.18、0.06、0.25、0.12、0.24，均未通過(guò)置信度為90％的顯著性檢驗(yàn);MSSS最高只有0.21，最低為0，說(shuō)明與觀測(cè)中梅雨降水的誤差巨大。機(jī)器學(xué)習(xí)模型在2001—2022年的同號(hào)命中率均不超過(guò)50％，表明22 a的獨(dú)立預(yù)測(cè)中，有10 a的旱澇情況預(yù)測(cè)失準(zhǔn)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的RMSE均大于1.00，MAE均大于0.70，2013、2017年的異常負(fù)降水和2015、2020年的異常正降水在5種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的獨(dú)立預(yù)測(cè)中均未得到體現(xiàn)。值得注意是，2003—2006年長(zhǎng)江流域均為負(fù)降水異常，但所有機(jī)器學(xué)習(xí)模型均預(yù)測(cè)為正降水異常;2015—2020年梅雨降水變率異常增加，所有機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的梅雨降水變率均偏低，說(shuō)明5種機(jī)器學(xué)習(xí)模型由于不考慮梅雨形成的物理機(jī)制，產(chǎn)生了相同的預(yù)測(cè)誤差。綜上所述，即使在多種集成方法的支持下，機(jī)器學(xué)習(xí)模型也不能獨(dú)立、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)梅雨期降水，機(jī)器學(xué)習(xí)在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用仍需慎重考慮。

綜上所述，本文建立的PE模型雖然在訓(xùn)練期的技巧不如傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，但在獨(dú)立預(yù)測(cè)期表現(xiàn)出更加優(yōu)越、可靠的預(yù)測(cè)技巧（時(shí)間相關(guān)系數(shù)和均方技巧得分分別是0.77和0.57），同時(shí)對(duì)梅雨極端異常也保持一定的預(yù)測(cè)水平，可以為業(yè)務(wù)部門(mén)預(yù)測(cè)提供參考。

4 結(jié)論與討論

本文分析了1961—2000年6—7月長(zhǎng)江中下游梅雨的時(shí)空變化特征，通過(guò)觀測(cè)診斷和數(shù)值模式試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)預(yù)測(cè)因子影響梅雨的機(jī)理，并據(jù)此建立了梅雨的物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，得到以下主要結(jié)論：

1）6—7月中國(guó)降水的氣候態(tài)大值區(qū)和變率大值區(qū)均集中在長(zhǎng)江中下游（108°～123°E，27°～33°N），且長(zhǎng)江中下游整體的降水變率一致。太平洋-日本型遙相關(guān)是影響梅雨降水的主要環(huán)流系統(tǒng)，同時(shí)赤道東太平洋、印度洋、赤道大西洋正海溫異常和中緯度遙相關(guān)波列也與梅雨降水顯著相關(guān)。

2）本文確定了3個(gè)影響梅雨的預(yù)測(cè)因子：4—5月平均的西北太平洋海平面氣壓正異常（SWP）、3月至5月的北大西洋海平面氣壓負(fù)變壓傾向（NAP）、1月至4月的西伯利亞2 m溫度負(fù)傾向（EST）。SWP代表持續(xù)的熱帶海氣耦合模態(tài)：印度洋和赤道東太平洋的正海溫異常影響局地的正對(duì)流活動(dòng)，并通過(guò)開(kāi)爾文波響應(yīng)和沃克環(huán)流增強(qiáng)西北太平洋反氣旋異常，而反氣旋西側(cè)的西南風(fēng)將熱帶水汽向北輸送至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，最終增加梅雨降水;3月至5月的北大西洋海平面氣壓負(fù)變壓傾向（NAP）反映了春季至夏季北大西洋濤動(dòng)（NAO）位相轉(zhuǎn)換對(duì)東亞環(huán)流形勢(shì)的影響，NAO位相轉(zhuǎn)換影響了從北大西洋向下游傳播至中國(guó)的中緯度遙相關(guān)波列，最終增強(qiáng)江淮上空的氣旋異常，有助于梅雨鋒面的形成;1月至4月的西伯利亞2 m溫度負(fù)傾向（EST）增大了西伯利亞與熱帶的溫度梯度，導(dǎo)致東亞上空西風(fēng)急流增強(qiáng)，維持了東亞沿岸正壓的經(jīng)向偶極型環(huán)流（北太平洋氣旋異常和熱帶太平洋反氣旋異常），長(zhǎng)江流域上空南風(fēng)異常和北風(fēng)異常帶來(lái)冷暖空氣相遇，導(dǎo)致梅雨偏多。

3）基于上述具有物理意義且相互獨(dú)立的預(yù)測(cè)因子，本文建立了6—7月梅雨P(guān)E預(yù)測(cè)模型。在1961—2000年訓(xùn)練期和2001—2022年獨(dú)立預(yù)測(cè)期間，TCC（MSSS）技巧分別達(dá)到了顯著的0.79（0.62）和0.77（0.57）;對(duì)梅雨極端異常也具有一定的預(yù)測(cè)水平。相對(duì)地，PLS預(yù)測(cè)模型和5種機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型雖然在訓(xùn)練期具有極高的預(yù)測(cè)技巧，機(jī)器學(xué)習(xí)算法甚至能達(dá)到“完美擬合”效果，但在獨(dú)立預(yù)測(cè)期PLS預(yù)測(cè)模型和5種機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)技巧顯著降低（相關(guān)系數(shù)最高為0.43），且對(duì)梅雨極端異常幾乎沒(méi)有預(yù)測(cè)技巧。因此，相較于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)物理機(jī)制的PE模型具有更穩(wěn)定、可靠的預(yù)測(cè)技巧，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中具有更可靠的應(yīng)用前景。

本文建立的梅雨物理經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型雖然對(duì)6—7月長(zhǎng)江中下游梅雨具有很高的預(yù)測(cè)技巧，但對(duì)于梅雨極端異常的預(yù)測(cè)水平偏低，如在2016和2020年，雖能預(yù)報(bào)出旱澇形勢(shì)，但預(yù)報(bào)不出超強(qiáng)梅雨異常，因此有待進(jìn)一步考慮次季節(jié)變率影響。本文雖然探討了3個(gè)預(yù)測(cè)因子影響梅雨的物理機(jī)制，但梅雨可預(yù)報(bào)性來(lái)源仍需進(jìn)一步探究，如NAO位相轉(zhuǎn)換的外強(qiáng)迫源及西伯利亞地表溫度負(fù)變壓傾向的來(lái)源。此外，近年來(lái)梅雨變率增強(qiáng)，而調(diào)控東亞夏季降水的熱帶海溫也存在年代際變化，因此預(yù)測(cè)因子和預(yù)報(bào)量之間的關(guān)系是否穩(wěn)定也是統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)中需要考慮的重要問(wèn)題。

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