基于气候系统指数的中长期降水预测方法在辽宁省的应用

叶天舒

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

辽宁省开展中长期预测历史较长，但方法主要局限于传统的经验相关和周期性分析，相关因子考虑的比较单一。直到20世纪90年代，随着中长期预测理论和计算机技术发展相融合，辽宁省的中长期预测才有了较大的发展，研究方法也不断增多。辽宁水文人在中长期预测方面进行了诸多的探索[1- 10]，预测效果良好，但当前国际上的研究特别强调在水文学未来发展中，应用更多的交叉学科方法，积极倡导对水文水资源不确定性研究方法论进行新的探讨，因此基于气候系统指数的中长期水文预测方法应运而生，以期从更大程度上提高辽宁省中长期预测精度。

1 资料和方法

本文涉及到的资料主要包括：辽宁省河库管理服务中心提供的降水资料，时间段为1966—2019年。国家气候中心提供的逐月130项气候系统指数，时间段为1965—2019年。

在水文气象预报中，对预报量的预报常常需要从可能影响预报y的许多因素中挑选一批关系较好的作为预报因子，应用多元线性回归的方法建立回归方程来做预报。但是，如何才能保证在已选定的一批因子中得到“最优”的回归方程，逐步回归分析方法是一种常用的方法。所谓“最优”回归方程有两个含意：一是预报准确。希望在最终预测方程中包含尽可能多的自变量，尤其不能遗漏对因变量有显著作用的自变量。二是为了应用方便，又希望预测方程中含尽量少的变量。因此，最优回归方程应包含对因变量有显著作用的自变量，而不包含不显著的变量。综上，本文主要应用多元线性逐步回归方法，从130项气候系统指数中选取一定的因子，建立降水预测方程。

2 预测方程的建立

2.1 预测时段划分

近期越来越多的学者发现初夏和盛夏以及整个夏季的影响因子是不同的，初夏降水异常主要是以东北冷涡影响为主，盛夏降水异常则是受东亚夏季风和西太平洋副热带高压的影响为主。从图1中可以看出辽宁省汛期季节内降水特征差异较大，盛夏与整个夏季变化特征类似，但初夏和盛夏降水的演变规律不同。因此以下研究将夏季划分为初夏和盛夏两个时段分别进行预报。

2.2 气候系统指数预测方程

利用多元线性逐步回归方法，建立辽宁省夏季分区域分时段的降水量预测模型。预报因子为前一年1月至当年1月的130项环流指数。因此预测因子年限为1965—2019年，拟合年限为1966—2019年。依据辽宁省常规预报规则，将辽宁省划分为三个区：东南部(丹东、大连、本溪、营口、盘锦)、中北部(沈阳、大连、鞍山、抚顺、铁岭)及西部(葫芦岛、阜新、朝阳、锦州)。下面以2019年为例，展示预测模型建立情况。

图1 1966—2019年辽宁省初夏(6月)、盛夏(7、8月)及夏季降水量时间序列

初夏降水模型建立情况见表1。其中Y初代表初夏降水量，Xi代表预测因子。

盛夏降水模型建立情况见表2。其中Y盛代表盛夏降水量，Xi代表预测因子。

表1 初夏降水预测模型建立情况

表2 盛夏降水预测模型建立情况

2.3 预测结果

图2—4分别为辽宁省初夏、盛夏及夏季降水预测结果，其中夏季降水预测：Y夏=Y初+Y盛。从结果可以看出，基于气候系统指数的多元线性逐步回归方法的预测结果良好，不仅对降水趋势能够做出准确把握，对于丰谷值的预测也较贴近实际。

对于初夏降水预测，全省预测效果最好，拟合值与实际值的相关系数cor高达0.83，西部相关系数最低，为0.72，但均通过了99.9%置信度检验。对于盛夏降水的预测，相关系数最高为西部0.89，最低为东南部0.78，均通过了99.9%置信度检验。对整个夏季的预测，相关系数最高为西部0.88，最低为东南部0.77，均通过了99.9%置信度检验。此外，本文还计算了若不将夏季分时段考虑，直接进行夏季降水预测，则全省、东南部、中北部及西部的相关系数分别为0.52、0.68、0.49、0.79。可以看出将夏季分为初夏和盛夏分别预测，可以显著提高预测准确性。

3 结论

本文利用国家气候中心提供的130项气候系统指数对辽宁省夏季降水进行了多元线性逐步回归预测，得到了以下主要结论：

(1)对于辽宁省来说，初夏(6月份)和盛夏(7、8月份)所呈现的降水特征有显著区别，其中盛夏降水和整个夏季降水特征类似。因此，在预测中将夏季分为初夏和盛夏两个时段考虑较为合理。

(2)对初夏和盛夏分别进行预测模型建立，从而预测整个夏季降水，比传统的直接预测夏季降水更为贴近实际，预测效果更好。预测结果不仅较好的把握降水趋势，对于丰谷值的预测也很准确。

由此看出，基于气候系统指数的多元线性逐步回归预测法，对于提高中长期预测精度方面发挥了重大作用。值得注意的是，辽宁省夏季降水主要是季风降水，但随着台风等天气系统的频繁影响，使我省降水变得难以预测。一场台风降水，往往直接改变整个夏季的降水格局。因此，在今后的中长期预测工作中还应尽量考虑到台风北上个数及强度等影响因素。

图2 辽宁省初夏分区域降水预测结果

图3 辽宁省盛夏分区域降水预测结果

图4 辽宁省夏季分区域降水预测结果