15第2期.FIT)
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- 棣槐 才
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1 刘 长 征, 江 远 安, 毛 炜 峄, 等. 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 预 测 方 法 及 效 果 评 估 [J].,2015,9(2):1-8. doi: /j.issn 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 预 测 方 法 及 效 果 评 估 刘 长 征 1, 江 远 安 2, 毛 炜 峄 3, 陈 颖 2, 白 素 琴 2 (1. 国 家 气 候 中 心, 北 京 ;2. 新 疆 气 候 中 心, 新 疆 乌 鲁 木 齐 ; 3. 中 国 气 象 局 乌 鲁 木 齐 沙 漠 气 象 研 究 所, 新 疆 乌 鲁 木 齐 ) 摘 要 : 利 用 4 个 国 内 外 先 进 的 气 候 模 式 ( 国 家 气 候 中 心 ECMWF NCEP 和 JMA) 业 务 预 测 数 据, 采 用 2 种 多 模 式 集 合 方 法 ( 等 权 平 均 和 超 级 集 合 ) 3 种 降 尺 度 方 法 (BP-CCA EOF 迭 代 高 相 关 回 归 集 成 ) 和 3 种 统 计 方 法 (CCA 最 优 气 候 值 高 相 关 回 归 集 成 ) 以 及 降 尺 度 集 成 和 降 尺 度 统 计 方 法 集 成, 分 析 了 目 前 季 节 模 式 多 模 式 集 合 降 尺 度 统 计 方 法 降 尺 度 统 计 集 合 等 目 前 常 用 气 候 预 测 技 术 对 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 的 业 务 预 测 能 力 研 究 表 明, 以 上 技 术 方 法 对 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 的 预 测 能 力 有 较 大 差 别 目 前 先 进 的 气 候 业 务 模 式 的 预 测 技 巧 普 遍 很 低, 多 模 式 超 级 集 合 和 降 尺 度 方 法 的 技 巧 常 高 于 单 个 模 式, 并 且 最 佳 的 降 尺 度 方 法 通 常 技 巧 高 于 最 佳 多 模 式 集 合 方 法 同 时, 统 计 方 法 和 降 尺 度 方 法 的 预 测 技 巧 通 常 较 为 接 近, 而 对 二 者 进 行 超 级 集 合 可 以 具 有 相 对 很 高 的 预 测 技 巧 此 外, 现 有 常 用 气 候 预 测 技 术 方 法 对 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 的 趋 势 有 一 定 的 预 测 能 力, 但 对 气 候 异 常 的 空 间 分 布 基 本 无 预 测 能 力 建 议 新 疆 气 候 预 测 技 术 围 绕 统 计 和 降 尺 度 方 法 集 合 发 展 关 键 词 : 新 疆 气 候 ; 气 候 预 测 ; 集 合 预 测 ; 季 节 模 式 ; 降 尺 度 ; 统 计 方 法 中 图 分 类 号 :P456 文 献 标 识 码 :B 文 章 编 号 : (2015) 新 疆 位 于 干 旱 半 干 旱 区, 降 水 很 少, 气 温 变 率 很 大, 当 地 社 会 生 活 和 经 济 生 产 ( 尤 其 农 牧 业 ) 对 气 温 降 水 异 常 相 当 敏 感, 对 短 期 气 候 服 务 一 向 有 重 大 需 [1-3] 求, 从 而 新 疆 具 体 气 候 相 关 的 研 究 有 重 要 价 值 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 是 短 期 气 候 最 有 应 用 价 值 的 预 测 对 象, 也 是 气 候 预 测 业 务 的 核 心 从 气 候 预 测 技 术 的 历 史 和 现 状 来 看, 动 力 模 式 降 尺 度 解 释 应 用 统 计 模 型 以 及 集 合 预 报 是 主 要 的 预 测 工 具 动 力 模 式 是 目 前 国 际 上 短 期 气 候 预 测 业 务 和 技 收 稿 日 期 : ; 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 中 国 沙 漠 气 象 科 学 研 究 基 金 (Sqj ); 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (2013CB430203); 公 益 性 行 业 ( 气 象 ) 科 研 专 项 (GYHY ) 共 同 资 助 作 者 简 介 : 刘 长 征 (1978-), 男, 高 级 工 程 师, 从 事 短 期 气 候 预 测 业 务 和 科 研 工 作 czliu@cma.gov.cn 通 讯 作 者 : 江 远 安 (1969-), 女, 高 级 工 程 师, 从 事 新 疆 气 候 预 测 业 务 和 科 研 工 作 jya_69@163.com 术 的 核 心 由 于 大 气 的 混 沌 性 质, 初 值 不 确 定 性 引 起 的 误 差 是 数 值 模 拟 误 差 的 主 要 来 源, 多 样 本 集 合 预 测 能 够 减 少 初 值 不 确 定 性 带 来 的 误 差, 从 而 被 广 泛 应 用 此 外, 模 式 的 预 测 能 力 主 要 取 决 于 模 式 的 性 能, 包 括 模 式 的 物 理 过 程 和 参 数 化 方 案 等, 模 式 自 身 [5] 的 误 差 是 气 候 预 测 的 另 一 个 模 拟 不 准 确 的 来 源 多 模 式 集 合 预 测 理 论 上 能 够 减 少 模 式 误 差, 从 而 减 少 天 气 预 报 和 气 候 预 测 的 不 确 定 性 研 究 表 明 对 不 同 业 务 中 心 的 预 测 数 据 进 行 等 权 平 均 的 效 果 要 优 于 单 个 模 式 的 预 报 结 果, 使 得 多 模 式 集 合 的 发 展 成 为 [6-12] 了 一 种 潮 流 在 等 权 平 均 方 法 的 基 础 上,Krishnamurti 等 提 出 利 用 模 式 回 报 和 观 测 数 据 进 行 多 元 [13] 线 性 回 归 方 法 进 行 误 差 订 正 的 方 法, 即 超 级 集 合, 理 论 上 超 级 集 合 可 以 明 显 减 小 单 模 式 和 集 合 平 均 的 均 方 根 误 差, 这 个 发 现 受 到 极 大 的 关 注, 多 模 式 超 级 集 合 迅 速 成 为 大 气 科 学 领 域 的 研 究 热 点, 并 引 起 较 多 1
2 [14-16] 的 争 议 由 于 季 节 模 式 对 大 气 环 流 的 模 拟 和 预 测 能 力 通 常 远 高 于 对 降 水 的 模 拟 和 预 测, 而 且 降 水 和 大 尺 度 环 流 形 势 往 往 有 密 切 的 动 力 学 和 统 计 学 上 的 关 系, 从 而 利 用 模 式 预 测 的 环 流 间 接 预 测 降 水 是 动 力 模 式 后 处 理 的 重 要 应 用 手 段 统 计 降 尺 度 方 法 对 计 算 条 件 要 求 低, 易 于 实 现, 从 而 被 广 泛 研 究 和 业 务 应 [17-29] 用 国 家 气 候 中 心 (NCC) 发 展 或 开 发 了 BP-CCA [28] [26] [27] EOF 迭 代 最 优 子 集 回 归 (OSR) 方 法 HCRE 方 [29] 法 并 在 预 测 业 务 中 应 用 在 国 外, 康 红 文 为 亚 太 经 合 组 织 气 候 中 心 开 发 了 一 种 针 对 台 站 的 最 佳 匹 配 域 [24] 投 影 方 法, 并 在 韩 国 气 象 局 用 于 气 候 预 测 业 务 应 用, 其 技 术 方 案 并 被 日 本 马 来 西 亚 等 国 采 用 统 计 预 测 方 法 是 气 候 预 测 长 期 使 用 的 经 典 工 具, 其 本 质 上 和 统 计 降 尺 度 方 法 类 似, 只 是 采 用 前 期 观 测 的 气 候 信 息 进 行 统 计 建 模 至 今, 统 计 预 测 方 法 仍 然 是 美 国 NCEP 气 候 预 测 中 心 季 节 预 测 重 要 的 工 具 之 一,CCA 方 法 最 优 气 候 值 方 法 (OCN) 相 似 法 在 NCEP 气 候 预 测 中 心 业 务 中 至 今 仍 应 用 广 [30] 泛 在 国 家 气 候 中 心,CCA OCN 等 方 法 也 得 到 较 多 的 业 务 应 用 出 于 气 候 预 测 的 复 杂 性, 在 不 同 国 家 和 地 区, 各 气 候 预 测 技 术 方 法 的 适 用 性 也 并 不 相 同, 从 而 相 应 气 候 模 式 多 模 式 集 合 降 尺 度 方 法 统 计 方 法 和 降 尺 度 统 计 集 合 等 具 体 技 术 发 展 和 应 用 的 重 点 也 有 很 大 区 别 对 新 疆 地 区 开 展 预 测 业 务 和 技 术 研 发 而 言, 对 当 前 国 内 外 主 要 的 具 体 预 测 技 术 进 行 回 报 试 验 和 评 估 是 非 常 重 要 的 基 础 性 工 作 本 文 以 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 为 例, 利 用 美 国 环 境 预 报 中 心 (NCEP) 欧 洲 中 期 天 气 预 报 中 心 (ECMWF) 日 本 气 象 局 (JMA) 和 国 家 气 候 中 心 用 于 实 时 预 测 业 务 的 季 节 模 式 数 据 和 新 疆 99 站 月 平 均 观 测 数 据, 研 究 了 气 候 模 式 多 模 式 集 合 降 尺 度 方 法 统 计 方 法 和 降 尺 度 统 计 集 合 等 目 前 国 内 外 气 候 预 测 业 务 常 用 方 法 对 新 疆 季 节 气 候 的 预 测 能 力, 并 讨 论 了 新 疆 气 候 预 测 技 术 发 展 的 方 向 1 数 据 和 方 法 介 绍 1.1 观 测 数 据 和 模 式 数 据 新 疆 99 站 月 平 均 历 史 观 测 数 据 在 本 文 中 被 用 来 检 验 各 模 式 集 合 降 尺 度 和 统 计 预 测 等 方 法 的 预 测 能 力, 以 及 用 于 降 尺 度 方 法 和 部 分 集 合 方 法 的 建 模 工 作 该 数 据 由 新 疆 气 候 中 心 提 供, 包 含 气 温 和 降 水 两 个 气 象 要 素, 时 间 长 度 为 1971 年 1 月 2013 年 11 月 欧 洲 ECMWF 美 国 NCEP 日 本 JMA 和 国 家 气 候 中 心 NCC 为 世 界 气 象 组 织 4 个 长 期 预 报 全 球 产 品 中 心, 基 本 代 表 了 目 前 短 期 气 候 预 测 国 内 外 最 高 水 平, 其 气 候 预 测 业 务 模 式 数 据 信 息 见 表 1 本 文 采 用 国 家 气 候 中 心 多 模 式 解 释 应 用 集 成 预 测 系 统 制 作 和 下 发 的 这 4 个 业 务 中 心 的 气 候 预 测 模 式 数 据, 模 [29] 式 数 据 分 辨 率 统 一 处 理 为 2.5 毅 伊 2.5 毅 为 了 进 行 统 一 评 估, 采 用 双 线 性 插 值 方 法 将 各 模 式 数 据 插 值 到 新 疆 99 个 站 点 上 代 表 模 式 对 新 疆 的 预 测 本 文 采 用 各 模 式 5 月 起 报 的 夏 季 降 水 和 11 月 起 报 的 冬 季 月 平 均 气 温 作 为 研 究 对 象 表 1 多 模 式 数 据 机 构 模 式 预 测 时 间 长 度 数 据 分 辨 率 历 史 回 报 时 间 ECMWF System4 7 个 月 1.5 毅 伊 1.5 毅 年 NCEP CFS v2 9 个 月 1 毅 伊 1 毅 /t126 高 斯 年 JMA MRI-CGCM 3~7 个 月 2.5 毅 伊 2.5 毅 年 NCC CGCM v1 11 个 月 2.5 毅 伊 2.5 毅 年 此 外, 本 文 采 用 了 NCEP/NCAR 再 分 析 数 据 第 一 版 用 于 新 疆 季 节 气 候 的 统 计 预 测 建 模 1.2 多 模 式 集 合 方 法 本 文 采 用 气 候 预 测 业 务 和 科 研 常 用 的 等 权 平 均 (EE) 和 超 级 集 合 (SE) 两 种 集 合 方 法 进 行 多 模 式 集 合 降 尺 度 集 合 降 尺 度 统 计 集 合 预 测 超 级 集 合 方 法 利 用 多 元 线 性 回 归 技 术, 将 集 合 结 果 看 作 各 个 模 式 模 拟 结 果 的 线 性 组 合, 依 据 最 小 二 乘 法 原 理 使 集 合 结 果 的 均 方 根 误 差 达 到 最 小 值 确 定 各 个 模 式 的 回 归 系 数, 而 此 回 归 系 数 就 是 预 报 阶 段 各 个 模 式 的 权 重, 利 用 获 得 的 权 重 以 及 各 个 模 式 [13] 的 预 报 得 到 最 后 的 集 合 预 报 对 于 每 一 个 空 间 网 格 点, 设 第 i 个 模 式 在 t 时 刻 的 模 拟 结 果 为 :M it,( i=1,2,,n),n 为 模 式 总 数, 则 t 时 刻 去 除 偏 差 的 模 式 集 合 结 果 可 表 示 为 : N S i =O+ 移 a(m i it -M) (1) i = 1 根 据 最 小 二 乘 法 求 得 各 模 式 权 重 a i, 利 用 公 式 (1) 求 取 每 个 空 间 网 格 点 上 预 报 阶 段 的 集 合 结 果 等 权 平 均 法 一 般 也 称 为 算 术 平 均, 也 就 是 通 常 所 说 的 简 单 集 合 平 均, 即 公 式 (1) 中 a i =1/N 的 特 殊 2
3 刘 长 征 等 : 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 预 测 方 法 及 效 果 评 估 情 形 1.3 降 尺 度 和 统 计 预 测 方 法 本 文 采 用 了 国 家 气 候 中 心 发 展 制 作 的 降 尺 度 和 [4,29] 统 计 预 测 方 法 EOF 迭 代 方 法 EOF 迭 代 方 法 通 过 建 立 一 个 同 时 包 含 历 史 和 实 时 预 报 场 和 预 报 对 象 场 的 矩 阵, 将 其 分 解 为 空 间 函 数 场 和 时 间 函 数, 空 间 函 数 场 反 映 预 报 场 和 预 报 对 象 场 之 间 自 然 协 调 的 多 重 关 系, 而 时 间 系 数 反 映 年 代 际 和 年 际 变 化, 经 过 EOF 分 析, 选 取 主 要 模 态 进 行 重 构 和 迭 代, 使 预 报 场 和 预 报 对 象 场 之 间 多 重 信 息 进 行 交 融, 就 可 得 到 包 涵 了 复 杂 关 系 在 内 的 预 [26] 报 BP-CCA 降 尺 度 和 统 计 预 测 方 法 BP-CCA 方 法 是 一 种 基 于 主 分 量 分 析 的 变 形 的 典 型 相 关 分 析 方 法 利 用 模 式 回 报 的 特 定 范 围 500 hpa 环 流 场 和 新 疆 99 站 历 史 观 测 数 据 分 别 进 行 主 分 量 分 解, 提 取 主 要 模 态 的 时 间 序 列 进 行 CCA [29] 建 模, 并 利 用 模 式 预 测 场 主 要 模 态 系 数 进 行 预 测 CCA 在 早 期 是 一 种 统 计 预 测 方 法 并 在 气 候 预 [31-32] 测 中 应 用 在 本 文 中, 类 似 美 国 气 候 预 测 中 心 的 做 法, 采 用 起 报 时 间 前 1~3 个 月 的 NCEP/NCAR 再 分 析 数 据 平 均 500 hpa 环 流 场 数 据 作 为 预 报 信 息, 此 时 该 方 法 就 成 为 一 种 统 计 预 测 方 法 HCRE 降 尺 度 和 统 计 预 测 方 法 高 相 关 回 归 集 成 (HCRE) 方 法 是 国 家 气 候 中 心 [29] 刘 长 征 制 作 的 一 种 降 尺 度 方 法 首 先, 利 用 国 家 气 候 中 心 的 环 流 特 征 量 计 算 程 序 对 模 式 历 史 同 期 和 当 前 预 测 的 500 hpa 环 流 场 计 算 71 项 大 气 环 流 特 征 量, 而 后 挑 选 高 相 关 的 单 个 特 征 量 因 子 和 台 站 预 报 对 象 分 别 进 行 一 元 回 归 建 模 和 预 测 在 选 取 预 报 因 子 时, 兼 顾 相 关 系 数 和 异 常 信 号 一 致 率, 以 保 证 因 子 具 有 足 够 高 的 预 报 价 值 而 后 利 用 各 因 子 分 别 进 行 回 归 预 测, 并 对 预 测 降 水 偏 多 辕 偏 少 进 行 分 组, 选 取 更 可 靠 的 一 组, 对 多 因 子 预 测 结 果 进 行 集 成 在 本 文 中, 采 用 起 报 时 间 前 1~3 个 月 的 NCEP/ NCAR 再 分 析 数 据 平 均 500 hpa 环 流 场 数 据 作 为 预 报 信 息 时,HCRE 就 变 成 一 种 统 计 方 法 用 于 预 测 新 疆 季 节 气 温 和 降 水 OCN 统 计 预 测 方 法 气 候 变 化 具 有 某 些 内 在 规 律, 如 阶 段 性 和 周 期 性, 简 单 地 用 多 年 ( 如 30 a) 周 期 的 气 候 平 均 值 作 为 来 年 气 温 或 降 水 估 计 值 的 方 法 有 明 显 的 不 足 因 此, 应 力 求 从 历 史 资 料 中 去 获 取 最 优 的 气 候 值, 为 统 计 预 报 方 法 的 建 立 提 供 依 据, 美 国 为 此 发 展 了 最 优 气 候 值 (Optimal climate normal,ocn) 做 地 面 气 温 的 [30] 季 度 预 报 根 据 国 外 研 究 成 果, 国 家 气 候 中 心 在 1998 年 建 立 了 最 优 气 候 值 方 法 来 制 作 我 国 的 月 季 年 度 的 气 候 趋 势 预 测 由 于 资 料 长 度 的 限 制, 通 过 依 次 计 算 前 25 a 的 平 均 作 为 来 年 的 预 测 值, 以 预 测 值 与 实 况 最 接 近 为 标 准 统 计 出 各 区 ( 站 ) 每 年 最 优 的 平 均 年 数, 然 后 取 最 优 平 均 年 数 频 率 最 高 的 年 数 作 为 计 算 该 地 区 ( 站 ) 最 优 气 候 平 均 值 应 取 的 年 数 这 样, 最 接 近 预 报 时 间 的 同 样 年 数 年 份 的 相 应 要 素 值 的 平 均 为 该 要 素 的 预 报 值 经 检 验,OCN 方 法 对 温 度 降 水 的 预 测 效 果 较 好, 且 温 度 预 测 好 于 降 水 预 测 1.4 建 模 和 检 验 方 法 为 了 模 式 之 间 具 有 可 比 较 性, 研 究 了 各 模 式 年 的 后 报 / 预 测 技 巧 对 于 集 合 方 法, 等 权 平 均 方 法 EE 采 用 与 模 式 同 样 的 时 间 范 围 进 行 建 模 ; 超 级 集 合 方 法 采 用 年 leave-oneout 的 方 法 建 模 并 得 到 年 的 预 测 结 果 各 降 尺 度 方 法 和 统 计 方 法 采 用 3 月 和 10 月 起 报 的 模 式 数 据 和 上 一 年 12 月 至 当 年 2 月 7 9 月 的 NCEP/NCAR 再 分 析 数 据 进 行 建 模, 为 了 尽 可 能 接 近 新 疆 气 候 中 心 气 候 预 测 业 务 实 况, 采 用 实 时 后 报 的 方 式 得 到 年 的 预 测 结 果 并 进 行 检 验 本 文 用 时 间 检 验 和 空 间 检 验 两 种 方 式 评 估 各 预 测 方 法 对 新 疆 季 节 气 候 的 预 测 效 果 我 们 采 用 PS 评 分 和 ACC 评 估 每 次 预 测 的 效 果 PS 评 分 为 国 内 短 期 气 候 预 测 检 验 业 务 的 常 用 方 法, 在 距 平 符 号 预 报 准 确 百 分 率 的 基 础 上 增 加 异 常 级 加 权 得 分, 能 够 较 好 地 反 映 整 体 趋 势 预 测 能 力 ACC 则 反 映 气 温 和 降 水 空 间 异 常 分 布 预 测 的 技 巧, 对 于 99 个 台 站 而 言,ACC 分 别 在 0.20 时 达 到 0.05 的 信 度 水 平 对 于 各 方 法 每 年 预 测 技 巧 的 变 化, 对 各 模 式 降 尺 度 统 计 方 法 集 合 方 法, 分 别 采 用 后 报 时 间 内 PS 和 ACC 技 巧 的 平 均 代 表 该 模 式 / 方 法 的 预 测 能 力 由 于 各 模 式 和 方 法 对 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 的 各 台 站 预 测 技 巧 通 常 达 不 到 0.05 的 信 度, 并 且 降 尺 度 和 统 计 方 法 评 估 的 年 份 为 10 a 从 而 样 本 太 少, 本 文 将 各 台 站 历 史 预 测 的 ACC 空 间 分 布 图 略 去 3
4 2 新 疆 夏 季 降 水 预 测 利 用 5 月 起 报 的 模 式 数 据, 评 估 了 目 前 国 内 外 先 进 的 气 候 模 式 对 新 疆 夏 季 降 水 的 预 测 能 力, 表 2 给 出 了 单 模 式 和 两 种 多 模 式 集 合 方 法 对 年 新 疆 夏 季 回 报 平 均 PS 评 分 NCEP ECMWF JMA 和 NCC 的 季 节 模 式 对 新 疆 99 站 的 平 均 PS 评 分 在 53.9~61.5 之 间 ; 多 模 式 集 合 方 法 表 现 出 了 高 于 单 个 模 式 的 技 巧, 其 中 等 权 平 均 63.2 分, 略 高 于 最 佳 模 式 (NCEP); 超 级 集 合 方 法 的 平 均 PS 评 分 为 70.0 分, 明 显 高 于 4 个 模 式 和 等 权 平 均 集 合 表 2 新 疆 夏 季 降 水 模 式 预 测 和 多 模 式 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 模 式 多 模 式 集 合 模 式 / 方 法 NCEP ECMWF JMA NCC EE SE PS 评 分 为 和 我 国 汛 期 预 测 业 务 保 持 一 致, 基 于 单 个 模 式 3 月 起 报 的 数 据, 利 用 EOF 迭 代 BP-CCA HCRE3 种 降 尺 度 方 法 对 年 新 疆 夏 季 99 站 降 水 预 测 进 行 了 独 立 后 报 试 验, 其 平 均 技 巧 见 表 3 4 种 模 式 和 3 种 降 尺 度 方 法 组 合 对 新 疆 99 站 夏 季 降 水 的 平 均 PS 评 分 在 60.4~72.6 之 间 ;EOF 迭 代 BP-CCA HCRE 降 尺 度 方 法 的 平 均 PS 评 分 分 别 为 ,HCRE 方 法 不 仅 平 均 技 巧 最 高, 而 且 在 不 同 模 式 中 表 现 都 较 稳 定, 但 最 佳 的 模 式 降 尺 度 方 法 组 合 却 是 基 于 ECMWF 模 式 的 EOF 迭 代 方 法, 平 均 PS 评 分 为 72.6 分 总 体 而 言, 对 降 尺 度 结 果 进 行 集 合 预 测 并 未 体 现 出 明 显 的 优 势, 等 权 平 均 集 合 的 平 均 技 巧 普 遍 低 于 单 个 模 式 降 尺 度 方 法, 而 超 级 集 合 类 似 于 最 佳 单 模 式 降 尺 度 方 法 表 3 新 疆 夏 季 降 水 降 尺 度 方 法 预 测 与 降 尺 度 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 统 计 预 测 方 法 是 我 国 夏 季 降 水 预 测 最 常 用 的 工 具,CCA OCN 和 HCRE3 种 统 计 预 测 方 法 对 年 夏 季 降 水 进 行 后 报 的 平 均 PS 评 分 分 别 为 分, 其 技 巧 和 上 文 3 种 降 尺 度 方 法 基 本 一 致 为 了 同 时 利 用 模 式 预 报 信 息 与 前 期 信 息, 利 用 12 个 模 式 降 尺 度 方 法 组 合 和 3 种 统 计 方 法 进 行 集 合 预 测 应 用 表 4 表 明, 等 权 平 均 集 合 EE 的 技 巧 低 于 大 部 分 的 降 尺 度 方 法 和 全 部 的 统 计 方 法, 但 超 级 集 合 SE 的 平 均 技 巧 为 PS73.8 分, 高 于 各 降 尺 度 方 法 和 统 计 方 法 表 4 新 疆 夏 季 降 水 统 计 方 法 预 测 与 降 尺 度 统 计 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 统 计 方 法 降 尺 度 统 计 集 合 最 优 方 法 方 法 CCA OCN HCRE EE SE 降 尺 度 统 计 集 合 SE PS 从 表 2~4 可 以 看 出, 在 本 文 各 方 法 中, 对 降 尺 度 统 计 方 法 进 行 超 级 集 合 平 均 是 新 疆 夏 季 降 水 最 有 技 巧 的 方 法, 图 1~2 给 出 了 该 方 法 年 后 报 的 具 体 评 估 在 10 a 后 报 检 验 中, 该 方 法 PS 评 分 在 62~82 之 间,80% 的 年 份 中 高 于 70 分, 体 现 了 较 高 的 技 巧 但 从 空 间 ACC 来 看, 该 方 法 对 新 疆 夏 季 降 水 空 间 分 布 的 把 握 能 力 很 低, 这 种 特 征 在 各 模 式 多 模 式 集 合 降 尺 度 降 尺 度 集 合 等 方 法 中 也 模 式 方 法 NCC NCEP ECMWF JMA EE 集 合 SE 集 合 EOF 迭 代 BP-CCA HCRE 图 1 降 尺 度 统 计 集 合 SE 方 法 对 年 新 疆 夏 季 降 水 预 测 技 巧 (a 为 PS 评 分,b 为 空 间 相 关 系 数 ACC) 4
5 刘 长 征 等 : 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 预 测 方 法 及 效 果 评 估 很 明 显, 这 类 方 法 平 均 值 都 达 不 到 0.05 可 以 看 出, 以 上 方 法 对 新 疆 夏 季 降 水 的 趋 势 预 测 有 部 分 技 巧, 但 对 降 水 异 常 的 空 间 分 布 技 巧 很 低 3 新 疆 冬 季 气 温 预 测 利 用 11 月 起 报 的 模 式 数 据, 评 估 了 目 前 国 内 外 先 进 的 气 候 模 式 对 新 疆 冬 季 气 温 的 预 测 能 力, 表 5 给 出 了 单 模 式 和 两 种 多 模 式 集 合 方 法 年 后 报 的 平 均 PS 评 分 NCEP ECMWF JMA 和 NCC 的 季 节 模 式 对 新 疆 99 站 的 平 均 PS 评 分 在 48.0~67.5 之 间, 其 中 NCEP 模 式 技 巧 最 高, 为 67.5; 多 模 式 集 合 方 法 表 现 出 了 模 式 中 等 与 偏 上 的 技 巧, 其 中 等 权 平 均 为 60.8 分, 处 于 4 个 模 式 的 中 等 水 平 ; 超 级 集 合 方 法 的 平 均 PS 评 分 为 65.2 分, 仅 次 于 NCEP 模 式 表 5 新 疆 冬 季 气 温 模 式 预 测 和 多 模 式 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 模 式 多 模 式 集 合 模 式 方 法 NCEP ECMWF JMA NCC EE SE PS 评 分 为 和 我 国 年 度 预 测 业 务 保 持 一 致, 基 于 模 式 10 月 起 报 的 数 据, 利 用 EOF 迭 代 BP-CCA HCRE 3 种 降 尺 度 方 法 对 年 新 疆 冬 季 99 站 气 温 预 测 进 行 了 独 立 后 报, 平 均 技 巧 见 表 6 4 种 模 式 和 4 种 降 尺 度 方 法 组 合 的 平 均 PS 评 分 在 49.1~74.0 之 间 ;EOF 迭 代 BP-CCA HCRE 降 尺 度 方 法 的 平 均 PS 评 分 分 别 为 60.4~65.2 之 间 与 夏 季 降 水 不 同, 对 冬 季 气 温 预 测 中,3 种 降 尺 度 方 法 中 EOF 迭 代 技 巧 最 高, 而 HCRE 方 法 技 巧 最 低 最 佳 的 模 式 降 尺 度 方 法 组 合 为 基 于 NCEP 模 式 的 BP-CCA 方 法, 平 均 PS 评 分 为 74.0 分 对 降 尺 度 结 果 进 行 集 合 预 测 与 夏 季 降 水 类 似, 等 权 平 均 集 合 的 平 均 技 巧 普 遍 低 于 单 个 模 式 降 尺 度 方 法, 而 超 级 集 合 略 高 于 最 佳 单 模 式 降 尺 度 方 法 统 计 预 测 方 法 是 我 国 冬 季 气 温 预 测 常 用 的 工 具,CCA OCN 和 HCRE3 种 统 计 预 测 方 法 对 年 冬 季 气 温 预 测 的 平 均 PS 评 分 在 52.1~82.9 之 间, 其 中 HCRE 统 计 方 法 表 现 出 远 高 于 其 他 方 法 的 预 测 技 巧 为 了 同 时 利 用 模 式 预 报 信 息 与 前 期 信 息, 利 用 12 种 模 式 降 尺 度 方 法 和 3 种 统 计 方 法 进 行 集 合 预 测 应 用 表 7 表 明, 等 权 平 均 集 合 低 于 大 部 分 的 降 尺 度 方 法 和 全 部 的 统 计 方 法, 但 超 级 集 合 SE 的 平 均 技 巧 为 PS72.2 分, 高 于 各 降 尺 度 方 法 和 统 计 方 法 中 的 绝 大 多 数 表 7 新 疆 冬 季 气 温 统 计 方 法 和 降 尺 度 统 计 方 法 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 统 计 方 法 降 尺 度 统 计 集 合 最 优 方 法 方 法 CCA OCN HCRE EE SE HCRE 统 计 方 法 PS 从 表 5~7 可 以 看 出, 在 新 疆 冬 季 气 温 预 测 中, HCRE 统 计 方 法 在 本 文 各 方 法 中 平 均 技 巧 最 高, 图 2 给 出 了 该 方 法 年 后 报 的 具 体 评 估 在 表 6 新 疆 冬 季 气 温 降 尺 度 预 测 和 降 尺 度 集 合 预 测 平 均 PS 评 分 模 式 方 法 NCC NCEP ECMWF JMA EE 集 合 SE 集 合 EOF 迭 代 BP-CCA HCRE 图 2 HCRE 统 计 方 法 对 年 新 疆 冬 季 气 温 预 测 技 巧 (a 为 PS 评 分,b 为 空 间 相 关 系 数 ACC) 5
6 10 a 后 报 检 验 中, 该 方 法 PS 评 分 在 70~96 之 间, 50% 的 年 份 中 高 于 85 分, 体 现 了 较 高 的 技 巧 从 空 间 ACC 来 看, 该 方 法 对 新 疆 冬 季 气 温 ACC 平 均 为 0.08, 虽 然 明 显 高 于 新 疆 夏 季 降 水 预 测, 但 仍 远 远 达 不 到 0.05 的 信 度 水 平 ( 注 : 此 时 ACC 临 界 值 为 0.20), 说 明 该 方 法 对 新 疆 冬 季 气 温 空 间 分 布 的 把 握 能 力 仍 然 较 低 4 结 论 季 节 预 测 一 向 是 气 候 预 测 业 务 和 科 研 的 要 点 和 难 点 针 对 新 疆 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温, 本 文 利 用 国 内 外 4 家 先 进 气 候 预 测 业 务 单 位 (ECMWF NCEP JMA NCC) 的 季 节 模 式 数 据 等 权 平 均 和 超 级 集 合 两 种 常 用 的 集 合 方 法 国 家 气 候 中 心 BP-CCA EOF 迭 代 HCRE3 种 统 计 降 尺 度 方 法 和 CCA 最 优 气 候 值 (OCN) 高 相 关 回 归 集 成 (HCRE)3 种 统 计 方 法, 采 用 后 报 这 一 接 近 气 候 业 务 的 方 式, 研 究 了 模 式 多 模 式 集 合 降 尺 度 解 释 应 用 统 计 方 法 降 尺 度 统 计 集 合 技 术 对 新 疆 季 节 气 候 的 预 测 能 力 对 新 疆 夏 季 降 水 预 测,4 个 国 内 外 顶 尖 的 气 候 业 务 模 式 的 预 测 技 巧 都 很 低 ; 多 模 式 集 合 中 等 权 平 均 并 未 提 高 模 式 预 测 的 技 巧, 而 超 级 集 合 则 较 大 改 进 了 模 式 预 测 的 技 巧 ; 降 尺 度 的 技 巧 随 模 式 和 降 尺 度 方 法 变 化, 基 于 ECMWF 模 式 数 据 的 EOF 迭 代 方 法 技 巧 最 高, 强 于 最 佳 的 多 模 式 集 合 ; 对 降 尺 度 方 法 进 行 集 合 的 技 巧 和 最 佳 降 尺 度 方 法 类 似 ; 统 计 方 法 表 现 的 技 巧 和 降 尺 度 方 法 近 似 ; 对 降 尺 度 方 法 和 统 计 方 法 进 行 超 级 集 合 具 有 最 高 的 预 测 技 巧 对 新 疆 冬 季 气 温 预 测,4 个 国 内 外 顶 尖 的 气 候 业 务 模 式 的 预 测 技 巧 都 很 低 ; 多 模 式 集 合 的 技 巧 与 模 式 预 测 接 近 ; 降 尺 度 的 技 巧 随 模 式 和 降 尺 度 方 法 变 化, 基 于 NCEP 模 式 数 据 的 EOF 迭 代 方 法 技 巧 最 高, 强 于 最 佳 的 多 模 式 集 合 ; 对 降 尺 度 方 法 进 行 超 级 集 合 的 技 巧 高 于 最 佳 降 尺 度 方 法 ;3 种 统 计 方 法 表 现 的 技 巧 差 异 很 大, 和 降 尺 度 方 法 近 似 ; 最 佳 的 统 计 方 法 HCRE 具 有 最 高 的 预 测 技 巧 本 文 中 的 最 佳 方 法 对 新 疆 99 站 夏 季 降 水 和 冬 季 气 温 的 平 均 预 测 技 巧 为 PS 评 分 73.8 和 82.9, 而 平 均 ACC 都 不 高 于 0.1, 远 远 达 不 到 90% 的 信 度, 说 明 对 新 疆 短 期 气 候 的 趋 势 有 一 定 的 预 测 技 巧, 但 对 气 候 异 常 的 空 间 分 布 基 本 无 预 测 技 巧 本 文 采 用 了 目 前 气 候 预 测 业 务 中 的 多 种 常 用 技 术 手 段 和 与 实 际 业 务 一 致 的 独 立 后 报 方 式, 研 究 结 果 基 本 体 现 了 目 前 国 内 外 业 务 技 术 对 新 疆 季 节 气 候 预 测 的 真 实 水 平, 即 趋 势 预 测 有 部 分 预 测 能 力, 但 气 候 异 常 的 空 间 分 布 预 测 能 力 很 低 新 疆 降 水 预 测 的 难 度 较 大, 主 要 在 于 以 下 几 个 原 因 : 第 一, 降 水 局 地 性 较 强, 尤 其 南 疆 降 水 常 为 南 亚 气 流 向 北 越 过 青 藏 高 原 所 致, 这 种 天 气 过 程 主 导 的 降 水 与 气 候 尺 度 大 气 和 海 洋 环 流 的 关 系 较 弱, 从 而 本 质 上 可 预 测 性 较 低, 这 也 是 国 内 外 先 进 模 式 预 测 技 巧 都 很 低 的 原 因 ; 第 二, 新 疆 作 为 干 旱 半 干 旱 区, 大 部 分 台 站 降 水 为 非 正 态 分 布, 而 常 用 的 气 候 预 测 降 尺 度 方 法 统 计 方 法 则 采 用 适 用 于 正 态 分 布 变 量 的 回 归 建 模 方 法 进 行 预 测, 从 而 二 者 本 质 上 有 矛 盾 新 疆 冬 季 气 温 本 质 上 呈 正 态 分 布 或 准 正 态 分 布, 因 此 在 回 归 方 法 进 行 预 测 建 模 时 不 存 在 变 量 正 态 性 不 匹 配 的 问 题, 但 主 要 受 欧 亚 中 高 纬 环 流 控 制, 比 如 乌 拉 尔 山 和 贝 加 尔 湖 阻 塞 形 势 等, 而 欧 亚 中 高 纬 环 流 本 质 上 是 天 气 尺 度 现 象, 在 季 节 尺 度 上 可 预 测 性 很 低, 目 前 国 际 领 先 的 模 式 表 现 的 相 关 预 测 基 本 无 技 巧 从 本 文 各 种 方 法 的 表 现 以 及 气 候 预 测 难 度 偏 低 的 原 因 来 看, 对 新 疆 季 节 预 测, 发 展 和 改 进 降 尺 度 方 法 和 统 计 方 法, 并 进 行 有 效 集 合 的 技 术 发 展 方 向 最 为 可 行 关 于 新 疆 降 水 的 非 正 态 性, 根 据 作 者 经 验, [30] 构 建 预 测 信 息 相 似 方 法 比 进 行 正 态 转 换 ( 如 Cox- Box 变 换 ) 可 能 效 果 更 好 参 考 文 献 : [1] 张 家 宝, 陈 晓 梅. 新 疆 短 期 气 候 预 测 研 究 的 回 顾 [J] 援 新 疆 气 象,2001,24(4):1-6. [2] 白 莉, 蔺 波, 江 新 安, 等. 伊 宁 市 终 霜 气 候 特 征 及 霜 冻 最 低 温 度 预 报 方 法 研 究 [J].,2007,1(2): [3] 孙 东 霞, 谢 小 红, 郭 晓 静. 克 拉 玛 依 特 强 大 风 的 气 候 特 征 及 天 气 分 析 与 预 报 [J].,2008,2(4): 李 维 京. 现 代 气 候 业 务 [M]. 第 一 版. 北 京 : 气 象 出 版 社, [5] Stockdale TN, Alves O,Boer G,et al. Understanding and predicting seasonal and inter-annual climate variabilitythe producer perspective [J]. White Paper for WCC - 3,2009. [6] Atger F. The skill of ensemble prediction systems. Mon Wea Rev,1999,127: [7] 杜 钧. 集 合 预 报 的 现 状 和 前 景 [J]. 应 用 气 象 学 报,2002,13 6
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8 The Prediction of Summer Precipitation and Winter Temperature over Xinjiang LIU Changzheng 1,JIANG Yuan an 2,MAO Weiyi 3,CHEN Ying 2,BAI Suqin 2 (1.National Climate Center,Beijing ,China;2.Xinjiang Climate Center,Urumqi ,China; 3.Institute of Desert Meteorology,CMA,Urumqi ,China) Abstract The operational prediction ability of summer precipitation and winter temperature over Xinjiang is studied with the common techniques including seasonal models,multi-model ensemble, statistical downscaling,statistical methods,ensemble of both downscaling and statistical methods. The operational seasonal models from National Climate Center,ECMWF,NCEP,JMA,two mulitimodel ensemble methods (the average and super-ensemble), three downscaling methods (BP- CCA,EOF-ITE,HCRE)and three statistical methods (BP-CCA,OCN,HCRE)used in National Climate Center are employed in this paper. Our study shows that the above techniques and methods have much different prediction abilities on the summer precipitation and winter temperature over Xinjiang. The skill scores of the leading operational seasonal models are very low. Meanwhile, the super-ensemble of models and downscaling methods are often better than single model while the best downscaling method shows higher score than the best multi-model ensemble method. Besides,the skills of statistical methods are similar to the downscaling ones. The super -ensemble of both downscaling and statistical methods often holds quite higher prediction accuracy. What is more, it is indicated that the common methods used in present operation are of certain ability on the prediction of the trend but of few ability on the spatial distribution of the climate anomalies over Xinjiang. It is suggested that the technique on seasonal prediction over Xinjiang should be developed focusing on the ensemble of statistical and downscaling methods. Key words Xinjiang climate; climate prediction; ensemble prediction; seasonal model; downscaling; statistical methods 8
~ a 3 h NCEP ~ 24 3 ~ ~ 8 9 ~ km m ~ 500 m 500 ~ 800 m 800 ~ m a 200
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