模式结果输出与统计方法结合预报黑龙江省2010～2050年降水变化

魏 磊,潘华盛,郑 红

(1.黑龙江省气候中心,哈尔滨 150030;2.黑龙江省气象台,哈尔滨 150030)

1 气候预测方法概述

20世纪80年代前,国内外气候预报的制作大多采用统计及经验方法,动力学方法刚刚起步。当时长数值预报方法有:①热力学Adem模式;②距平模式;③历史演变法;④大气环流模式(GCM)法[1-5]。考虑历史演变的动力-统计模式,基本思想是先利用大量历史资料,通过反演法,由模式方程客观地决定各物理参数的数值,再利用这些参数的数值,由方程求出变量的未来值,做出预报。其平均预报略高于随机预报,有一定的预报能力,但各年的预报相差甚大[6]。统计方法是目前短期气候预测的主要方法。我国的业务预报使用统计方法有自回归、逐步回归、判别、谐波分析、功率谱、聚类、经验正交展开和模糊数学等方法。这些方法存在一些问题:①预报效果不稳定;②预报因子质量不高;③物理意义不足,物理基础薄弱[7]。80年代中后期,用动力学原理对旱涝成因进行了深入研究,黄荣辉研究了引起我国夏季旱涝的东亚大气环流异常遥相关及物理机制[8]。90年代后对我国旱涝,气温的变化进行了深入的研究,尤其在ENSO现象、季风低频振荡对降水、气温的影响取得了显著进展[9-12]。近十几年来,我国的短期气候预测,除了常规的统计、经验方法外,还研制出统计模型、动力延伸、统计降尺度、全球气候模式和区域气候模式RcgCM2。林学春[13],选择了气候上最常用的相似方法,进行改进,建立了异常的相关相似(ACS)统计模型,对1996～1999年预报实践看,结果好一些,但模型仍然存在不稳定问题;李维京等[14],研制出动力与统计相结合的方法。思想是从大尺度动力学方程组出发,推导出月降水距平百分率与环流的关系,从而建立了月降水距平百分率预报方程,随后用动力延伸预报的500 hPa高度场和实际的降水场反演出月降水距平百分率预报方程的系数。此方法具有一定的预报能力,预报时效较短。统计降尺度方法的基本思路是:局地气候是以大尺度气候为背景的,并受局部下垫面特征的影响。在某个给定的范围内,大尺度和小尺度气候变量之间存在关系。统计降尺度由两部分组成,首先是发现和确立大尺度气候要素(预报因子)和局地气候要素的经验关系;然后是将这种经验关系应用于全球气候模式或区域气候模式的输出。因而,成功的降尺度依赖于可靠的预报因子和预报量的长时间序列资料及其关系的可靠性。如何建立大尺度预报因子和局地小尺度预报量之间的经验关系目前有许多方法,如相关分析(CCA),逐步回归,奇异值分解(CVD)。当前,IPCC和我国气候学家,对全球气候变化和我国气候变化及未来的气候情景预测,普遍采用全球的海-气耦合模式及嵌套下的局地数值预报模式;对于局地预报大多采用降尺度方法或其它经验方法,最后采用集成方法得出结果[15-19]。

10 a前,徐南平等利用Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-气数值模式,IS92a,GS排放情景,对黑龙江省的2000～2050年的气温和降水进行了年、季的气候模拟预测[20]。实际上就是降尺度预报,对2000～2009年已出现的年、季降水实况,进行模式的模拟能力有效性进行比较与检验[21]。就是将模拟场与观测值两者的差值场进行直观比较,认为预报趋势较好,均方根误差较小,相关系数相对比较大的,通过u检验的模式,用其中相对较好的几个模式模拟的结果,作为因子构建多元回归方程,进行2000～2050年降水的气候预报;此气候预报方法也是一种降尺度数值模拟输出结果与统计方法结合的气候预报方法,只不过预报因子是降尺度数值模拟输出结果,而不是大气环流的因子,这也是降尺度预报的一个尝试。

文中气候实况资料,来自黑龙江省气候中心,有关模式的基本特征和试验设计见文献 [20]。另外黑龙江省的年降水模拟值,采用哈尔滨、齐齐哈尔、佳木斯、牡丹江的模拟值之和的平均,它能够反映黑龙江省降水的模拟值。经相关计算表明, 2000～2009年全省年降水的实况与4个市降水模拟值相关系数达0.85,4个市夏季降水值与全省平均值相关系数高达0.93。远超出0.01信度检验;因此,4个市的的降水模拟输出结果,可作为全省的模拟结果。降水平均值取之1961～1990年。

2 对2000～2009年黑龙江省年平均降水量距平模拟预报的气候态比较与检验

5种模式Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro、Hadley对2000～2009年年平均降水量距平的模拟与实况值的气候态比较见表1。

由表1可见,5种模式模拟预报值均较小,在平均值附近摆动,其值＜1 mm,可能存在系统误差;另外均方误很大,数值相差无几。这样唯一检验模式模拟性能好与差,相关系数大小就显得很重要。Hadley模式模拟值与实况值相关系数在0.50,通过信度0.05检验;次之Gfdl模式相关系数达0.32;再次Csiro、Cccma相关系数为0.28、0.23,虽没通过检验,但还是有参考价值。最差为Ccsr模式,其相关系数为负值,无应用意义。

表1 2000～2009年平均降水量距平模拟值与实况值气候态比较Table 1 Comparison of 2000-2009's average precipitation anomaly simulation value with the actual value climate state

另外从总体平均值的假设检验u检验来看,4种模式 Cccma、Gfdl、Csiro、Hadley,u实值在0.1左右,取a=0.05时,查正态分布函数表得ua=1.96,u实＜1.96,模拟值与实况值无显著差异,可以应用模拟方法对未来降水量预报。

3 2010～2050年降水预测

考虑到动力模式系统的偏差,可以像短期预报模式解释用的 “MOS”方法一样,利用模式预报结果,选出好的正相关系数大的,组成多元回归方程进行预报。对黑龙江省逐年降水距平 (距离1961～1990年30 a平均值的差)就可进行制作预报。选取在2000～2009年预报较好的4种模式,分别是Cccma、Gfdl、Csiro和Hadley。将它们对黑龙江省2010～2050年降水模拟结果作为因子考虑,构建4因子逐年降水预报回归方程:

式中Ysawf为年降水量距平预报值;a0=-17.9;a1 =-2.6;a2=92;a3=40.8;a4=148.9;x1、x2、x3、x4分别为Cccma、Gfdl、Csiro、Hadley预报值;2000～2009年预报值与实况值拟合相关系数为0.70。未来40 a预报结果见图1。总的降水以稍偏少为主;降水年代际变化见图2,在 2010～2019年稍偏多一些,多不足10 mm;降水主要集中在2010～2019年中后期,2019年降水较常年多111 mm。2020～2029年降水明显减少,较常年偏少30 mm,尤其是2027～2029年偏少近100 mm,有干旱时段发生;2030～2039年,降水稍偏多一些,较常年多10 mm左右;2040～2050年,降水接近常年值。40 a累计降水偏少21 mm,减少速率5.2 mm/10 a,较正常。

图1 2010～2050年逐年降水距平预报值Fig.1 Yearly precipitation anomaly forecast values of 2010-2050

图2 2010～2050年降水年代际变化Fig.2 Precipitation interdecadal change of 2010-2050

4 结 语

利用Cccma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-气数值模式,对黑龙江省2000～2009年年降水量变化模拟预报,进行气候态比较与u检验,结果表明,预报值偏小,均方误较大,可能存在系统误差。为祢补这一不足,采用降尺度数值模式输出与统计方法相结合的方法对降水量进行预报,其结果如下:2010～2050年的40 a中累计降水量较常年在减少,主要偏少在2020～2029年和2040～2050年两个时段,特别注意2027～2029年有大旱的可能性很大。由于模式构建的差异,与近年来所取排放标准不同,加之模式的不稳定,因此计算结果存在差异,也不能仅靠10 a的模拟情景来评估模式,更需要的是不断的改进和完善,用更长的时间去对模式进行检验。以上结果可对全省应对气候变化,节能减排,远景规划,农业结构调整,防灾减灾提供信息和重要参考。

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