我国夏季降水预测方法研究进展

刘珂 潘婕 张荣刚

摘要：夏季降水是我国短期气候预测的重要内容之一，近几十年我国夏季降水预测技术和方法取得了长足进步。随着热带海洋、欧亚积雪、中纬度环流形势影响东亚夏季降水的物理机制不断应用在夏季降水预测中，新一代气候预测模式系统投入业务化运行，多种模式降尺度释用技术以及动力一统计相结合的季节预测系统逐渐在季节气候预测业务中发挥重要作用，我国夏季降水气候预测能力有了极大提高，我国短期气候预测逐渐走向以客观动力物理预测为基础的时代。

关键词：模式预测；经验统计；物理统计；降水预测；夏季

中图分类号：P457.6 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.005

1 引言

气候变化已经对全球社会经济等各个方面产生了广泛的影响，气候变化导致的各类极端天气事件（洪水、干旱、高温和暴雪等）频繁发生川，气候变化成为科学界的研究热点之一。我国地处东亚季风气候区，自然条件复杂，气候变暖背景下的东亚季风气候同样发生了深刻变化，其年际、年代际尺度的变化对我国降水的时空分布也产生了重大影响。20世纪70年代末，东亚夏季风从相对较强转向相对较弱，我国夏季降水随之在江淮增加，华北减少，呈现出“南涝北旱”的异常情况。伴随着每年东亚夏季风的暴发和北进，我国从南到北逐渐进入汛期，汛期降水多寡直接影响到我国社会生产生活的各个层面。近年来，针对我国夏季降水的预测成为大气科学工作者的一个重要研究方向。

我国近代短期气候预测的研究工作是从涂长望（1944年）开始的，早期的夏季降水预测通过建立局地降水与大尺度环流系统的统计关系进行预测。随着对气候系统中海一陆一气相互作用的物理过程及其对气候影响的理解不断深入，在短期气候预测方面建立了许多统计和动力预测模型，我国汛期降水预测的准确率也在20世纪80年代后明显提高，但仍存在不足：利用任何一种模型方法或单一物理因子进行预测，其效果都存在较大的不稳定性，原因是预测变量在一次预测中由多个预测因子共同影响，在另一次预测中可能是由少数甚至某一个因子起决定作用。为了减小预测方法的不确定性，利用多种统计和动力预测方法进行集成预测，能在一定程度上减小预测的不确定性。

本文简要回顾了我国夏季降水预测的历史和现状，在此基础上系统概括了目前我国夏季降水客观定量化预测业务中使用的主要预测方法。

2 夏季降水预测的主要方法

我国夏季降水预测的主要方法有经验统计/物理统计方法和数值模式方法。经验统计/物理统计方法主要是利用预测变量在历史时期自身所具有的统计规律、前期预测因子和预测变量历史资料之间的统计关系，预测未来可能出现的情况；数值模式方法则是通过利用大尺度环流模式求解流体力学方程来预测气候系统的演变情况。

2.1 经验统计方法

经验统计方法是短期气候预测研究中最早使用的方法。该方法的主要原理是根据天气和气候过去、现在的状况和近期演变情况对将来进行判断，其预测准确率和预测变量与预测因子之间统计关系的稳定性有关。一般来说，历史资料越长、统计关系越稳定，预测准确率越高。经验统计方法预测降水主要有三种方法：第一种方法是通过分析降水量曲线的演变趋势、周期和韵律等，建立降水量自身的统计、相似和周期关系，通过外推进行降水预测；第二种方法主要是利用气候系统中的某一个或某几个变量（场）与降水量之间稳定的统计相关关系，通过气候要素（场）的特征对降水量进行预测；第三种方法是根据预报变量和环流场间的150d韵律关系，首先找到与预报变量具有高度相关的气候变量（场），该要素场具有明显的150d变化韵律，而后根据该变化韵律对预报变量进行预测。目前业务部门仍在使用的经验统计方法主要有：通过分析降水自身演变规律进行预测；通过计算相关系数寻找高相关海表温度关键区作为预测因子进行降水预测（如某些地区夏季降水自身具有的3～8a的周期变化规律）；利用环流因子和区域降水的统计关系（如前冬极涡强度与我国夏季降水分布格局之间的对应关系）进行预测，或寻找与区域降水偏多偏少具有显著对应关系的环流因子建立点聚图进行预测；利用500hPa高度场具有预测意义的环流系统（如乌拉尔上阻塞高压）自身变化规律进行夏季降水预测。虽然经验统计方法在以往夏季降水预测中得到了广泛应用，但它也存在一定缺陷，即历史回报时拟合率很高，但实际预测中准确率较低，原因是利用统计方法发现的所谓“规律”并不一定是客观存在的规律，可能只是自然界的一种“随机分布”，因此没有物理基础的经验统计方法不是短期气候预测的主要途径。

2.2 物理统计方法

20世纪80年代以后，随着海一气相互作用、陆一气相互作用、大气遥相关、低频振荡等理论研究的不断深人，短期气候预测逐渐转向利用大气环流、海一气相互作用、陆一气相互作用、大气遥相关等气候动力学原理进行形势预测。目前短期气候预测业务上主要使用的物理统计方法主要包括：利用海表温度（SST）、ENSO循环、西太平洋暖池对流与我国夏季旱涝的相关关系进行预测；利用季风、热带环流、高原积雪等物理因子与我国夏季旱涝之间的物理影响机制进行预测；利用大气环流异常特征与旱涝的相关关系进行预测；根据西太平洋副热带高压强弱趋势、位置的持续性、转折性与夏季旱涝的相关、相似性进行统计分析与预测；根据冬季大气环流异常、夏季东亚阻塞高压形势、大气遥相关结构与夏季降水的相关、相似性的统计规律进行分析与预测。这些预测因子中，青藏高原热状况、亚洲季风、中纬度阻塞高压、西太平洋副热带高压（简称西太副高）和ENSO事件是最重要的5個因素，也是我国夏季降水预测业务中关注的几个主要前兆信号和预测依据。在具体预报业务中，我国国家气象局气候中心分别就高原积雪、200hPa纬向风（前兆季风指数）、西太副高（强度、脊线位置，西伸脊点位置等）、Nino3.4区（5°N-5°S，120°W-170°W）SST等重要的我国夏季降水预测指示因子的现状以及模式预测结果进行了实时发布。根据发布的这些具有预测意义的环流因子，结合其与我国夏季降水之间的物理预测模型进行夏季降水预测。预测因子与我国夏季降水间的物理预测模型简要概述如下：

（1）青藏高原冬季积雪影响我国夏季降水的物理概念模型。冬季高原积雪偏多（少），春季高原感热偏弱（强），引起上升运动较弱，不利于（有利于）高原感热通量向上输送，高原上空对流层加热弱（强），对流层温度低（高），导致东亚夏季风偏弱（强），长江流域及其以南地区降水易偏多（少）。

（2）亚洲夏季风影响我国夏季降水的物理模型。东亚夏季风偏强（弱）时，对流层低层亚洲热低压偏强（弱），西太副高位置偏北（南）、面积偏小（大），南亚高压偏弱（强），长江中下游地区气流以下沉（上升）为主、降水偏少（多），华北地区气流以上升（下沉）为主、降水偏多（少）。预测夏季风强弱的前期环流指标主要有前兆季风指数、冬季风强弱、ENSO事件等。

（3）中高纬度阻塞高压影响我国夏季降水的物理模型。中高纬度阻塞高压通过扰动动量的向南输送，从而改变中纬度地区的平均西风强度，进而影响副热带高压的状态及其南北进退，最终决定雨带的位置和维持时间。一般来说，“双阻型”和“西阻型”环流形势一般对应长江以南的强降水，“东阻型”对应长江中下游和华南地区的强降水。

（4）西太副高影响我国夏季降水的物理模型。西太副高与我国夏季降水关系最密切的特征是脊线和西伸脊点。西太副高脊线偏北（南）时，西南季风偏北（南），梅雨锋位于黄河流域（江淮流域），西太副高外围的暖湿气流主要输送至黄河流域（江淮），黄河流域（江淮）降水偏多，我国夏季降水整体表现为北多（少）南少（多）。西太副高南北位置正常时西伸脊点偏西，有利于副高南侧暖湿气流深入我国大陆，有利于大部分地区的降水，其中长江中游至黄河下游易出现异常强降水；西伸脊点偏东时，降水多集中在我国东部沿海地区。

（5）ENSO事件影响我国夏季降水的物理模型。ENSO事件与东亚季风间的关系异常复杂，对其物理机制目前还未完全认识清楚。但是，ENSO事件与我国夏季降水具有显著的对应关系，即当ENSO事件处于发展阶段时，我国江淮地区降水偏多，黄河流域、华北和江南地区降水偏少；当ENSO事件处于衰减阶段时，江淮地区降水偏少，黄河流域、华北、江南和华南地区降水可能偏多。

2.3 数值模式方法

全球大气计划中的THORPEX科学计划报告中说“数值预测的成功是20世纪最重大的科技和社会进步之一”。由于数值预测方法是从大气内部的物理规律出发建立数学物理模型，用数学物理方法并借助巨型计算机技术来预测未来天气变化，因此相对于天气学的定性预测以及统计预测来说更有优势，目前已被广泛用于短期、中期、月、季天气预测业务中。已有研究表明，大气环流模式（GCM）能很好地预测出全球变化的主要大尺度环流形势，特别是能较好地预测热带地区对流层的大气环流形势。Climate Forecast Sys-tem （CFS）和IAP2_L GCM（中国科学院大气物理研究所两层模式）都能成功模拟出亚洲夏季风系统、主要降水中心以及大尺度环流系统的气候及年际尺度的变化越势，同时也能“抓住”东亚大部分地区梅雨带的降水中心、量值以及北跳的规律。但是，对降水的预测随模式、区域和季节的不同，预测性能存在较大差异。我国短期气候预测业务中，基于BCC -AGCM2.2（国家气候中心大气环流模式）的月动力延伸预测模式系统（DERF2.0）已经进入了每日定时运行阶段。回报技15分析表明，DERF2.0对全球热带和副热带地区的气温和降水有一定的预测能力，但在我国中西部地区的预测水平还不高。目前，国际上包括欧洲中期数值预测中心（ECMWF）、英国气象局（UKMO）、美国国家环境预报中心（NCEP）等在内的主要业务机构均在利用区域耦合气候模式开展季节内到季节一年际尺度的短期气候预测，这也是未来我国短期气候动力预测技术发展的方向。

2.4 动力和统计预测方法相结合

GCM对局地区域特征和动力过程的预测能力极其有限，尤其是热带外降水。目前有两种方法可以弥补这一不足：一是发展更高分辨率的GCM；二是采取降尺度方法。第一种方法需要大量的计算机，同时GCM仍有一些固有问题，而第二种方法应用得更广泛，降尺度方法包括动力降尺度和统计降尺度。动力降尺度方法是将GCM的输出场作为边界条件，嵌套区域气候模式，获得更高分辨率的回报结果，研究表明动力降尺度在预测、模拟东亚季风、降水上具有更好的回报能力，同时对极端降水也有更好的回报表现。目前，我国在短期气候预测中使用的区域气候模式主要包括PRECIS（ProvidingRegional Climates for Impacts Studies）、RegCM（RegionalClimate Model Version）系列、WRF（Weather ResearchForecast）模式等。

相对于动力降尺度，统计降尺度是另外一种将有效的大尺度环流引入局地、区域变量的途径，它能揭示一个或多个大尺度气象背景场（预测因子）和局地变量（预测量）之间的稳定关系，即将大尺度信息投射到局地变量上，利用预测因子和预测量之间的关系进行区域要素预测。典型相关分析如CCA（典型相关性分析）、SVD（奇异值分解）、EOF（经验正交函数）、多元线性回归等方法是目前统计降尺度预测中最常见的几种。除此之外，还根据GCM在热带具有较强模拟能力的特点，建立了热带大气环流与区域预测变量的预测模型——热带相似理论。Lang X.M.等的研究表明，热带相似理论显著提高了东亚夏季降水的预测能力。我国短期气候预测的业务中，动力与统计集成的季节气候预测系统（FODAS）就是以气候模式（BCC_CGCM）为动力核心来分析模式误差，以历史相似作为统计手段进行的针对性预测。业务实践中相对于其他预测方法，FODAS表现出更强的预测能力。

3 夏季降水预测的展望

夏季降水预测是短期气候预测的一项重要内容。目前的短期气候预测在预测方法和预测理论方面都已经取得了众多研究成果，并发展了许多效果较好的预测模型，短期气候预测业务水平有了显著提高。在气候系统观测资料和气象理论方面取得较大进展的当下，我国夏季降水预测方法呈现出以下趋势：

（1）随着气候动力学理论和短期气候变化物理过程研究的深入，更多的前兆预测信号和影响因子及其影响机制被揭示出來。总结对区域降水变化具有显著影响的影响因子和预测因子，提取具有前兆意义的预测指标、强信号，比如前冬欧亚积雪异常的预测信号等，建立预测模型并将其应用在夏季降水预测中。

（2）使用经验统计方法选取预测因子时，尽量选取经过数值模式验证、动力学研究证实的具有一定物理基础的高水准预测因子，选取通过更高统计检验水准的数学统计方法，减少缺乏物理机制和不符合动力规律带来的不确定性。

（3）随着动力预测技术的不断提高，在夏季降水预测中越来越多地使用动力延伸预测技术，并在此基础上改进气候模式的解释应用技术，促进动力预测和统计预测方法的结合，完善模式预测系统。