基于DERF2.0产品的重庆月动力延伸期预测分析及应用

唐红玉，董新宁，周秀华，覃志年

研究论文

基于DERF2.0产品的重庆月动力延伸期预测分析及应用

唐红玉1，董新宁1，周秀华2，覃志年2

（1.重庆市气候中心，重庆401147；2.广西气候中心，广西南宁530022）

根据2015年国家气候中心实时下发的第二代月动力延伸模式（DERF2.0）逐日资料和历史回算资料，统计构建不同时间起报的月500 hPa高度场格点数据序列，针对重庆2月气温和8月降水量方差和预测难度较大的事实，分别分析2010—2014年逐年1月和7月16日、21日、26日、31日起报的2月和8月500 hPa高度场预报场与同期NCEP资料实况场的分布型。结果表明：预测效果低纬好于中高纬，8月总体好于2月；基于上述滚动的500 hPa预报场，试验了4个关键区和5种统计降尺度方法，对重庆2010—2015年2月气温和2010—2014 年8月降水量进行回报预测和检验。结果表明，16日起报的模式场对2月气温有较好的参考价值，配合最好的关键区为本区上空，而降尺度方案中Lamb方法效果最佳，二者结合的预测效果最好；虽然8月降水预测效果不如2月气温，但在预测关键区取自定义关键区时，车氏方法的降尺度方案预测效果相对较好。

DERF2.0；500 hPa高度场；检验；降尺度预测；重庆

唐红玉，董新宁，周秀华，等.基于DERF2.0产品的重庆月动力延伸期预测分析及应用[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（3）：1-8.

自2005年我国第一代短期气候预测动力模式业务系统（DERF1.0）正式投入业务运行以来，从国家级到省级气候预测业务人员，进行了大量解释应用研究，取得显著成果[1-10]，基于DERF1.0资料建立的统计预测方法和业务系统，目前仍是我国短期气候预测的主要工具之一[11]，段均泽等[12]利用R评分和同号率对模式降水产品在新疆的预报进行分析，结果表明月降水趋势预测Ps评分较高，而各月同号率差异较大；李海花等[13]对新疆阿勒泰地区的逐月和旬的降水和温度进行检验，发现模式对温度的预报能力高于降水。为了改进DERF1.0模式性能，2014年国家气候中心推出了第二代月动力延伸预测模式业务系统（DERF2.0）。该系统在极大改进资料同化处理等方面的同时，也大大提高了产品的时空分辨率。何慧根等[14]对该模式的气温、降水进行了系统的检验，认为气温、降水的预测效果均比DERF1.0明显提高。对于可逐日获取的滚动预测未来52 d的环流资料（1°×1°）的效果检验，以及利用不同起报时间的DERF2.0资料，采用什么样的统计降尺度方案预测效果等方面的研究目前并不多见。本文针对重庆2月气温和8月降水量方差和预测难度较大的情况，首先对2010—2014年逐年1月和7月的16日、21日、26日和31日（滚动）起报的2月和8月500 hPa高度场，分别与2月、8月NCEP的500 hPa实况场进行对比统计检验，再利用上述起报时间的500 hPa预报场，采用多种统计降尺度方案，对当年2月气温和8月降水量进行预测检验，从而进行DERF2.0解释应用试验，挖掘和获取一些有价值的预测信号和经验。

1　资料和方法

本文所用的资料有三类：一是重庆1983—2014年逐年2月34站月平均气温，1983—2014年逐年8 月34站的月降水量；二是1983—2014年NCEP2月和8月500 hPa（2.5°×2.5°）高度场资料；三是国家气候中心下发的DERF2.0模式的500 hPa（1°×1°）高度场资料。

分析2010—2014年1月、7月滚动下发的不同时间起报的DERF2.0的500 hPa预报场与NCEP实况场的环流和距平图，通过计算和分析，给出DERF2.0模式500 hPa滚动预测技巧能力。

基于DERF2.0不同起报时间的滚动模式预报场，采用车比雪夫多项式、涡度、动态区域、lamb和EOF共5种降尺度方法[10]，分别对重庆2010—2015 年2月气温和2010—2014年8月降水量进行降尺度预测试验，并对结果进行检验。

2　DERF2.0滚动预测的500 hPa高度场检验

作为短期气候预测的一个重要标志是500 hPa月平均高度及距平场的预报[11]，而研究模式预报效果通常选取1月和7月来代表冬夏季节。本文根据以往实际预测业务的经验，考虑到重庆2月气温和8月降水量气候变率和预测难度较大，为了检验DERF2在“难报月”降尺度预测效果，这里选取了2月和8月分别代表冬夏季检验其500 hPa高度场预报效果。

在高度场检验过程中，为保证与NCEP高空500 hPa格距一致，首先用双曲线插值将格距为1°× 1°的DERF2.0高空500 hPa资料进行插值成2.5°× 2.5°格距，再计算得到2010—2014年1月和7月500 hPa各滚动时间预报场与NCEP实况场环流及距平（图1、图2）。

对比分析图1和图2主要距平中心可见：16、21日起报的环流形态一般差别较大，而26日和31日起报场与NCEP实况较为接近，并且夏季预测效果好于冬季。

为了准确地得到究竟哪个时间起报的模式场与NCEP更相似，这里采用文献[11]中的“形值”相似指数计算方法进行分析。其具体算法为：

图1　2010—2014年2月NCEP500hPa高度距平场和DERF2.0不同起报时间预测的同期高度距平场

图2　2010—2014年8月NCEP500 hPa距平场和DERF2.0不同起报时间预测的同期高度场距平

相似指数R的值域为0≤R≤2。R=0表示相似的最好水平。R=2表示最不相似的情形。

图3为分析计算亚欧（30°~120°E，20°~60°N）区“形值”相似的结果。图中黄色为2月不同起报时间的预报场的指数值，蓝色为8月指数值。显而易见，8月所有预报场与实况场的相似程度都高于同期起报的2月。

图3　2010—2014年2月和8月500 hPa各预报场亚欧R值对比

以上为亚欧总体的情况，为了客观地给出DERF2.0模式500 hPa各不同时次预测场在不同纬度上的技巧能力，定义了高纬度地区（50°~70°N，50° ~120°E），中纬度地区（30°~50°N，50°~120°E）和低纬度地区（10°~30°N，50°~120°E），并计算上述3个纬度带各滚动预报式场的绝对累积距平，结果见表1。

由表1可知，无论是2月或8月，低纬总好于中高纬。从不同季节对比看，低纬度地区一般冬季好于夏季，中纬度地区夏季总体好于冬季，而高纬度地区16、21日起报的模式场冬季好于夏季，而26、31日起报的模式场则是夏季好于冬季。

表1　2010—2014年2月和8月高中低纬区域各预报场绝对累积距平

3　DERF2.0滚动500 hPa预报产品在重庆气候预测中的降尺度研究

用模式资料进行降尺度气候预测，通常基于500 hPa环流预测资料，而降尺度的做法，一般应用模式场与预报量高相关中心窗口的格点衍生预测因子，再构建预测模型。构造衍生预测因子的方法很多，这里参考文献[12]中的车比雪夫多项式（下称车氏）、涡度、动态区域法（下称动态）、lamb-Jenkinson环流分型（下称Lamb）和EOF法等5种方法。其基本做法是：车比雪夫多项式计算是利用给定关键区中心点及其邻近的5×7个格点（1°×1°间隔）进行车比雪夫多项式展开，取前5个多项式系数作为因子。涡度法：用关键区中心点周围7×7个格点，根据相对涡度公式计算得到各格点的涡度作为预测因子。动态法：用中心点附近5×5个格点进行动态变化求其不同格点组合平均值作为预测因子。lamb环流分型：是用中心点附近的16个格点计算出7个物理量作为预测因子。EOF衍生因子法是对中心点周围5× 5个格点EOF的时间系数作为预测因子。

在气候预测中，预测关键区窗口的选取极为重要。为了研究不同关键区的预测能力，本文试验了预报量与DERF2.0的500 hPa自动找出的最高正、反高相关中心，本区上空中心（预测站点经纬度上空）和自定义关键区中心等4种关键区。其中的自定义关键区的确定方法是：对重庆1983—2014年34站2月气温和8月降水量进行EOF展开，分析表明，2月气温第1模态（一致多或一致少）的方差贡献达到99%，8月降水的第1模态方差贡献也达到88%；再用2月气温和8月降水第1时间系数与同期NCEP环流场计算相关（图4、图5）。由图4可见，重庆2月气温与我国上空500 hPa高度场为显著的正相关关系，特别是在河套一带有个R=0.71的正相关中心，表明河套一带的系统是2月气温的主导系统；从图5可以看出重庆8月降水与500 hPa高度场的高相关区主要在我国中东部的河套——黄海一带，负中心最大相关系统R=-0.54，显而易见8月该区域高度场偏高重庆降水则少。因此，2月气温的自定义关键区中心为105°E，35°N，8月降水自定义关键区中心为120°E，35°N。

图4　重庆2月气温与同期500 hPa相关

图5　重庆8月降水量与同期500 hPa相关

通过应用上述4种预测关键区中心窗口，并用上文所述5种降尺度方案进行降尺度，再用逐步回归建立预测模型。以此步骤，在逐年实际预测检验中，仅用预测年之前的资料计算相关及建模，制作完成了重庆34站2010—2015年2月的气温预测和2010—2014年8月降水预测，之后依据中国气象局预报与网络司2013年8月发布的《月、季气候预测检验评分办法》，计算Ps评分和同号率（为方便比较，将同率号扩大了100倍为百分制）。综合统计2010—2015年共6 a的2月气温预测检验结果见表2、表3，2010—2014年共5 a的8月降水量预测检验结果见表4、表5。

表2　不同降尺度方法的2010—2015年重庆2月气温预测检验

表3　不同关键区2010—2015年重庆2月气温预测检验

表4　不同降尺度方法的2010—2014年重庆8月降水量预测检验

表5　不同关键区2010—2014年重庆8月降水量预测检验

表2~表3给出了2010—2014年不同起报时间的500 hPa配合不同降尺度方案、不同关键区的气温和降水预测评分。如果把月气温预测Ps评分和同号率都要求达到80%以上，其降尺度方案其及对应的关键区选取方法与模式起报时间见表6。

分析表6可见，基于4种关键区的降尺度方法都有可能取得较好的预测结果，而16日起报的模式场也有一定的预测参考价值。特别是31日起报的模式场与“正相关中心”的Lamb降尺度预测，该方法6 a的2月气温预测检验评分Ps及同号率分别达96.2和94.6；而基于1月16日起报模式场中“本区上空中心”的Lamb降尺度预测，6 a的气温预测检验Ps及同号率分别达到94.9分和92.2。图6给出1月16日起报模式场（由于31日起报的模式场在发布月气候产品中来不及参考）的6a气温逐年预测与实况结果，对比预测与实况结果可见，6 a的预测均较成功，特别是对2012和2014年重庆大部偏冷的特征能较准确地做出预测，效果令人欣喜。

表6　重庆2月气温预测中较好的降尺度方案及其对应的关键区中心选取与模式起报日

对于8月降水的降尺度预测，从表4~表5的统计结果可以看出，降水量预测效果总体不如气温理想，这可能正是影响降水的因素更多更复杂所致，说明降水预测面对更多挑战。在2010—2014年8月降水量的预测中，如果把5 a平均Ps评分达到70分以上，而同号率在65分以上作为成功预测的例子，其降尺度方案及其匹配较好的关键区中心取法与模式起报日见表7。

表7　重庆8月降水量预测中较好的降尺度方案及其对应的关键区中心选取与模式起报日

图6　2010—2014年2月气温1月16日起报500 hPa的Lamb降尺度预测与实况对比

从表7看出，16日起报的500 hPa模式场都有较好的预测能力，而多种关键区的车氏法都表现出了相对较好的预测能力。特别是自定义关键区的车氏法，16日，26日及31日起报的降尺度预测中，平均Ps和同号率都较高，5 a预测中至少有2 a基本成功。图7给出2010—2014年7月26日起报的车氏降尺度预测8月降水量的结果，可以看出，多数降尺度预测方案的预测结论都颇具参考价值。

图7　2010—2014年8月降水7月26日起报500 hPa的车氏降尺度预测与实况对比

4　结论与讨论

本文应用了两种客观计算方法，对国家气候中心下发的DERF2.0最近5 a的2月和8月滚动500 hPa预测场与NCEP实况场进行了对比检验；并基于DERF2.0模式500 hPa高度场预测产品对重庆2010—2015年34个气象台站2月气温、8月降水量进行降尺度预报试验，基于16日、21日、26日、31日等不同滚动500 hPa预报场，试验了4种预测关键区和5种降尺度方案，并对预测结果进行检验，主要结论与讨论如下：

（1）DERF2.0模式不同时间滚动预测的500 hPa月高度场的预报能力，在低纬度区域好于中高纬度区域；从起报时间来看，越接近预测月（即越靠近月末下发的预测产品），预测效果越好；对于亚欧地区的环流形势，夏季8月预测效果总体好于冬季2月。

（2）DERF2.0模式不同时间滚动预测的500 hPa月高度场进行降尺度解释应用后，对于重庆2月气温而言，16日起报的500 hPa预报场降尺度预测效果总体较好，特别是与本区上空关键区和lamb方法配合后效果尤佳，2010—2015年的预测评分Ps和同号率平均达96.2分和94.6，预测效果令人振奋。

（3）基于DERF2.0模式不同时间滚动预测的500 hPa月高度场对于重庆夏季8月降水的降尺度解释应用预测效果虽不如2月气温，但自定义关键区的车氏法方案，从16日，26日及31日起报的结论均颇具参考价值，而反相关中心作为预测关键区时的降尺度预测效果则不理想。

（4）DERF2.0降尺度应用在重庆2月气温的预测的效果远好于其对8月降水量的预测，但模式预报能力却相反，原因何在，尚待进一步分析研究。

（5）本文只是针对重庆2月气温和8月降水量方差和预测难度较大的事实，分别对近年来不同时间起报的DERF2.0模式500 hPa预报场进行了检验和在重庆地区的降尺度解释应用试验，结果表明在选择适当关键区和合适的因子构建方案的情况下，其解释应用预测效果较为显著，近年来对于降水和气温的预测试验评分均高于同期业务发布评分，对重庆的短期气候预测业务提供了有价值的参考信息。对于其它月的相关降尺度解释应用和预测试验，在后期的工作中将进行大量的分析与试验工作。

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Analysis and Application of Monthly Dynamic Extension Forecast in Chongqing Based on DERF2.0 Data

TANG Hongyu1，DONG Xinning1，ZHOU Xiuhua2，QIN Zhinian2
（1.Chongqing Climate Centre，Chongqing 401147，China；2.Guangxi Climate Centre，Nanning 530022，China）

Based on latest and historical daily data of National Climate Centre second-generation monthly Dynamic Extended Range Forecast operational system（DERF2.0），monthly 500 hPa geopolitical height sequences were built at different initial forecasting time.Focused on the facts that variances of temperature in February and precipitation in August are larger in Chongqing and they were hard to be forecasted correctly,we analyzed the differences between 500 hPa geopolitical height field forecasted on 16th,21th,26th and 31th in February and August seperated during 2010-2014 and NCEP data in the same term,It is concluded that the patterns foredcasted in the lower latitude are better than that in the higher latitude,while generally better in February than that in August.on basis of on the forecasted 500 hPa geopolitical height fields showed above,the forecasted temperature in Februray and the precipitation in Auguest during 2010-2015 in Chongqing are historically recalculated and reviewed in four key regions using five statistical downscaling methods.It indicated that the forecasted model fields initialized on Jane 16th is a preferable reference for predicting temperature in February with the best key region on the local upper air,while the lamb method was proved to be the best statistical downscaling method,and the most precise forecast value can thus be generated with the forecasted model fields initialized on 16th using Lamb.It is also showed that the forecasting effects of precipitation in August were worse than temperature in February,and Chebysev method is suprior to the other method in chosing userdefined region on August precipitation forecasting in Chongqing.

DERF2.0；500 hPa geopotential height field；testing；statistical downscaling forecast；Chongqing

P456.3

A

1002-0799（2016）03-0001-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.001

2016-01-11；

2016-03-20

国家自然基金（41175080）、科技部公益性行业专项（GYHY201306022）和重庆市气象局业务技术攻关重点项目（ywgg-201508）资助。

唐红玉（1967-），女，正研级高级工程师，主要从事气候诊断预测业务及研究工作。E-mail：782378285@qq.com