216 40 卷 Vol. 40 predictors of Niño3 index and AEAT Index (AEATI). Rather than fixed models for every year, indices are classified into several types

第 40 卷 第 1 期 2016 年 1 月 Vol. 40 No. 1 Jan. 2016 阮 成 卿, 李 建 平. 2016. 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 [J]., 40 (1): 215 226. Ruan Chengqing, Li Jianping. 2016. An improvement in a time-scale decomposition statistical downscaling prediction model for summer rainfall over North China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (1): 215 226, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14317. 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 阮 成 卿 1, 2 李 建 平 3, 4 1 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 和 地 球 流 体 力 学 数 值 模 拟 国 家 重 点 实 验 室, 北 京 100029 2 中 国 科 学 院 大 学, 北 京 100049 3 北 京 师 范 大 学 全 球 变 化 与 地 球 系 统 科 学 研 究 院, 北 京 100875 4 全 球 变 化 研 究 协 同 创 新 中 心, 北 京 100875 摘 要 本 文 采 用 偏 相 关 预 报 因 子 挑 选 法 和 条 件 降 尺 度 法, 对 已 有 的 华 北 汛 期 (7~8 月 ) 降 水 时 间 尺 度 分 离 (TSD) 降 尺 度 模 型 进 行 了 改 进 利 用 偏 相 关 法, 找 到 一 个 新 的 影 响 华 北 汛 期 降 水 年 际 分 量 的 前 期 预 报 因 子, 即 6 月 北 大 西 洋 欧 亚 遥 相 关 (AEAT) 该 因 子 将 扰 动 信 号 储 存 于 北 大 西 洋 三 极 子 结 构, 并 在 7~8 月 释 放 出 来 影 响 下 游 贝 加 尔 湖 低 压 系 统 的 发 展, 从 而 影 响 华 北 汛 期 降 水 利 用 6 月 Niño3 指 数 和 AEAT 指 数, 本 文 建 立 了 条 件 TSD 统 计 降 尺 度 模 型, 即 按 照 预 报 因 子 的 强 度 进 行 逐 年 分 类, 对 于 每 个 分 类 设 计 相 应 的 预 报 模 型, 从 而 避 免 信 息 较 弱 因 子 的 干 扰 条 件 TSD 降 尺 度 方 法 显 著 改 善 了 华 北 汛 期 降 水 的 预 测 技 巧, 在 独 立 检 验 阶 段, 预 报 降 水 与 观 测 降 水 的 相 关 系 数 由 原 模 型 的 0.61 提 高 到 0.77, 符 号 一 致 率 从 70% 提 高 到 87% 关 键 词 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 偏 相 关 条 件 降 尺 度 文 章 编 号 1006-9895(2016)01-0215-12 中 图 分 类 号 P461 文 献 标 识 码 A doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14317 An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction Model for Summer Rainfall over North China RUAN Chengqing 1, 2 and LI Jianping 3, 4 1 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 3 College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875 4 Joint Center for Global Change Studies, Beijing 100875 Abstract This paper applies partial-correlation predictor selection and a conditional downscaling method to improve a Time-Scale Decomposition (TSD) statistical downscaling model of summer (July and August, JA) rainfall over North China. A new preceding predictor, the North Atlantic Eurasia Teleconnection (AEAT) in June is found by using the partial-correlation predictor selection method. This predictor stores its signal in the tripole sea surface temperature pattern in the North Atlantic and impacts on the development of depressions over Baikal in the following July and August, which further influences the rainfall over North China. A conditional TSD statistical downscaling model is built with the 收 稿 日 期 2014-11-16; 网 络 预 出 版 日 期 2015-04-01 作 者 简 介 阮 成 卿, 男,1987 年 出 生, 博 士 研 究 生, 主 要 从 事 气 候 变 化 气 候 预 测 方 面 的 研 究 E-mail: ruanchq@lasg.iap.ac.cn 通 讯 作 者 李 建 平,E-mail: ljp@bnu.edu.cn 资 助 项 目 中 国 科 学 院 战 略 性 先 导 科 技 专 项 子 课 题 XDA05090403, 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 41375110 41475076 Funded by Strategic Priority Research Program Climate Change: Carbon Budget and Relevant Issues of the Chinese Academy of Sciences (Grant XDA05090403), National Natural Science Foundation of China (Grants 41375110 and 41475076)

216 40 卷 Vol. 40 predictors of Niño3 index and AEAT Index (AEATI). Rather than fixed models for every year, indices are classified into several types according to the predictor strength, and corresponding models are built for each type. The conditional statistical model avoids the influence from weak predictors for a particular year. In independent validation, the conditional TSD downscaling model improves the performance of Summer Rainfall over North China (NCSR) prediction. The correlation coefficient between observed and predicted rainfall increases from 0.61 to 0.77 and the anomaly sign consistency rate increases from 70% to 87%. Keywords North China summer rainfall, Time-scale decomposition, Partial correlation, Conditional downscaling 1 引 言 华 北 地 区 是 我 国 的 农 业 主 产 区, 人 口 密 集, 经 济 发 达, 地 处 副 热 带, 东 临 太 平 洋, 夏 季 降 水 集 中 在 7 月 和 8 月, 并 受 东 亚 夏 季 风 影 响 (Li and Zeng, 2002L; Li and Zeng, 2003; 黄 荣 辉 等,2006) 自 上 世 纪 70 年 代 以 来, 华 北 降 水 显 著 减 少, 给 当 地 的 生 产 生 活 和 生 态 环 境 带 来 影 响 (Xia et al., 2007) 而 近 十 年 来, 华 北 汛 期 降 水 又 有 回 升 的 趋 势 (Guo et al., 2012; 李 建 平 等,2013) 华 北 降 水 变 化 的 复 杂 性 和 影 响 的 重 要 性 表 明, 建 立 有 效 的 降 水 预 报 模 型 有 重 要 的 应 用 价 值 统 计 降 尺 度 是 研 究 区 域 气 候 问 题 的 常 用 方 法 (Yarnal et al., 2001, Fowler et al., 2007, Nicholas and Battisti, 2012), 该 方 法 通 过 建 立 大 尺 度 环 流 预 报 因 子 与 局 地 预 报 量 的 统 计 关 系 (Giorgi and Mearns, 1991, Hewitson and Crane, 2006), 来 对 局 地 气 候 进 行 预 测 (Li and Smith, 2009; Guo et al., 2011; Liu et al., 2011; Sauter and Venema, 2011; García- Bustamante et al., 2012; Guo et al., 2012) 而 大 尺 度 环 流 信 息 通 常 来 自 大 气 环 流 模 式 (General circulation models, GCMs) 的 模 拟, 这 将 不 可 避 免 的 引 入 模 式 误 差 但 如 果 统 计 降 尺 度 方 法 从 前 期 信 号 中 寻 找 预 报 因 子, 建 立 该 因 子 与 区 域 气 候 的 统 计 关 系, 则 可 不 依 赖 于 GCMs 的 模 拟 能 力, 有 利 于 对 局 地 降 水 做 出 更 准 确 的 预 测 一 个 物 理 现 象 有 多 种 时 间 尺 度 变 率 特 征, 而 不 同 变 率 往 往 不 是 同 一 外 强 迫 因 子 调 控 的 结 果 因 此 有 必 要 对 物 理 现 象 按 时 间 尺 度 分 解, 分 别 研 究 各 尺 度 的 影 响 机 制 和 预 报 模 型, 再 将 不 同 模 型 的 结 果 叠 加 作 为 对 物 理 现 象 的 预 测, 这 就 是 时 间 尺 度 分 离 (Time-scale decomposition, TSD) 的 降 尺 度 预 测 方 法 ( 李 建 平 等,2013) 研 究 表 明, 华 北 汛 期 降 水 同 时 有 显 著 的 年 际 变 率 和 年 代 际 变 率 ( 陆 日 宇, 2002), 因 此, 前 人 建 立 了 TSD 统 计 降 尺 度 预 测 模 型 (Guo et al., 2012) 结 果 显 示, 年 际 尺 度 上 华 北 汛 期 降 水 与 前 期 6 月 赤 道 中 东 太 平 洋 (5 S~5 N, 150 W~90 W) 的 海 温 密 切 相 关, 其 可 在 西 北 太 平 洋 的 低 层 大 气 激 发 异 常 环 流 从 而 影 响 华 北 降 水 ; 年 代 际 尺 度 上 在 东 印 度 洋 西 太 平 洋 暖 池 海 温 的 作 用 下, 华 北 降 水 与 前 期 6 月 西 南 印 度 洋 海 平 面 气 压 有 同 步 变 化 关 系 分 别 建 立 华 北 汛 期 降 水 年 际 和 年 代 际 的 预 测 模 型, 并 将 两 者 之 和 作 为 总 降 水 预 测 值 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 显 示 出 较 好 的 预 测 效 果, 并 正 确 预 测 了 随 后 几 年 (2011~2013 年 ) 的 华 北 降 水 ( 李 建 平 等,2013) 华 北 汛 期 降 水 TSD 模 型 中 已 经 发 现 6 月 Niño3 指 数 是 预 测 年 际 变 量 降 水 的 有 效 预 报 因 子, 但 局 地 气 候 可 能 受 多 个 外 强 迫 因 子 的 影 响, 那 么 是 否 还 有 其 他 预 报 因 子 能 用 于 降 水 预 测? 在 寻 找 新 的 预 报 因 子 时, 为 了 避 免 Niño3 指 数 的 干 扰, 本 文 提 出 偏 相 关 的 预 报 因 子 选 取 法, 将 Niño3 指 数 的 信 号 从 降 水 序 列 中 线 性 剔 除, 用 降 水 的 剩 余 部 分 来 寻 找 下 一 个 预 报 因 子 通 过 这 种 方 法 寻 找 的 预 报 因 子, 是 与 Niño3 指 数 未 能 解 释 的 降 水 变 率 部 分 紧 密 联 系 的, 从 而 对 Niño3 指 数 因 子 进 行 补 充, 这 可 以 不 断 提 高 统 计 模 型 的 技 巧 另 外, 因 为 新 因 子 和 Niño3 指 数 分 别 与 降 水 序 列 中 不 同 部 分 的 变 率 相 对 应, 所 以 通 过 这 种 方 法 找 到 的 因 子, 也 能 间 接 的 保 证 其 与 Niño3 指 数 的 独 立 性 当 局 地 降 水 受 多 个 预 报 因 子 调 控 时, 预 报 因 子 之 间 可 能 产 生 干 扰, 直 接 建 立 降 水 与 预 报 因 子 之 间 的 多 元 线 性 回 归 模 型 并 不 合 理 因 为 不 同 预 报 因 子 提 供 的 信 息 强 弱 是 逐 年 变 化 的, 当 预 报 因 子 信 息 较 强 时, 该 预 报 因 子 引 起 的 气 候 强 迫 范 围 也 更 大, 效 果 更 强, 波 及 更 远 ; 而 当 预 报 因 子 较 弱 时, 其 影 响 效 果 就 较 小, 应 该 被 忽 略 尤 其 是 对 遥 相 关 类 的 预 报 因 子, 这 种 现 象 更 明 显 为 此, 本 文 提 出 条 件 TSD 降 尺 度 的 概 念 : 在 不 同 条 件 下, 统 计 降 尺 度 模 型 所 使 用 的 预 报 因 子 和 预 报 方 程 并 不 固 定, 而 是 根 据 每 年 各 个 预 报 因 子 提 供 信 息 的 强 弱 来 判 断, 做 出 具 体 的 选 择 这 样 某 年 信 息 较 弱 的 预 报 因 子 在 该 年 预 测

1 期 No. 1 阮 成 卿 等 : 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 RUAN Chengqing et al. An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction 217 时 会 被 忽 略, 避 免 其 对 该 年 降 水 预 测 产 生 干 扰 本 文 主 要 工 作 是 对 已 有 的 华 北 降 水 TSD 降 尺 度 模 型 的 年 际 部 分 进 行 改 进 利 用 偏 相 关 方 法 来 寻 找 新 的 影 响 降 水 年 际 变 率 的 前 期 预 报 因 子, 建 立 条 件 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 来 进 行 预 测, 并 与 原 模 型 进 行 比 较 2 数 据 本 文 采 用 的 降 水 数 据 为 中 国 气 象 局 气 候 中 心 整 理 的 中 国 160 测 站 7~8 月 月 平 均 降 水 资 料 (1951~2013 年 ) 华 北 区 域 的 选 择 为 (35 N~ 40 N,110 E~122 E), 其 内 共 有 15 个 测 站 ( 安 阳 北 京 长 治 德 州 菏 泽 济 南 临 汾 临 沂 青 岛 石 家 庄 太 原 天 津 潍 坊 邢 台 烟 台 ), 将 15 个 测 站 7~8 月 平 均 降 水 量 定 义 为 华 北 汛 期 降 水 (Summer Rainfall over North China; NCSR) 序 列 本 文 所 采 用 的 气 象 环 流 场 资 料 为 NCEP/NCAR ( 美 国 国 家 环 境 预 测 中 心 / 国 家 大 气 研 究 中 心 ) 再 分 析 资 料, 水 平 分 辨 率 为 2.5 2.5, 垂 直 分 层 为 17 层 (Kalnay et al., 1996); 海 表 面 温 度 (Sea surface temperature, SST) 资 料 为 Hadley 中 心 提 供 的 第 一 套 月 平 均 海 表 面 温 度 资 料, 水 平 分 辨 率 为 1 1 (Rayner et al., 2003); 使 用 的 Niño3 指 数 来 自 美 国 国 家 海 洋 和 大 气 管 理 局 (http://www.cpc.noaa.gov/ data/indices [2015-01-05]) 所 有 数 据 均 为 月 平 均 数 据 3 方 法 华 北 汛 期 降 水 同 时 有 明 显 的 年 际 和 年 代 际 变 率, 因 此 应 当 建 立 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 本 文 将 降 水 及 其 他 数 据 按 照 傅 里 叶 分 解 的 方 式, 得 到 不 同 时 间 尺 度 的 分 量, 将 周 期 小 于 或 等 于 7 年 的 高 频 部 分 作 为 年 际 分 量, 周 期 大 于 7 年 的 低 频 部 分 作 为 年 代 际 分 量 对 这 两 种 尺 度 的 降 水 分 量 分 别 建 立 年 际 年 代 际 变 率 的 降 尺 度 模 型, 具 体 原 理 及 步 骤 参 见 Guo et al.(2012) 和 李 建 平 等 (2013) 本 文 主 要 针 对 年 际 模 型 进 行 改 进, 年 代 际 尺 度 上 仍 使 用 原 模 型 已 有 的 TSD 降 尺 度 模 型 显 示,Niño3 指 数 是 预 测 NCSR 年 际 变 率 的 有 效 预 报 因 子, 所 以 本 文 采 用 偏 相 关 法 寻 找 新 的 预 报 因 子 首 先 建 立 Niño3 指 数 与 NCSR 的 线 性 回 归 模 型 : A = 17.3A, (1) NCSR Nino3 其 中,A 表 示 各 变 量 的 年 际 分 量, 波 浪 上 划 线 ~ 表 示 回 归 模 型 的 估 计 值 然 后 将 Niño3 指 数 解 释 的 降 水 变 率 从 原 降 水 序 列 中 去 除 : RNCSR = ANCSR A NCSR = ANCSR + 17.3ANino3, (2) 得 到 与 Niño3 指 数 无 关 的 剩 余 NCSR 降 水 量 R NCSR 用 R NCSR 与 环 流 场 进 行 相 关 分 析, 来 寻 找 新 的 预 报 因 子 当 多 个 预 报 因 子 被 选 入 统 计 模 型 后, 对 预 报 因 子 指 数 做 标 准 化 处 理, 用 指 数 的 绝 对 值 作 为 衡 量 每 年 因 子 信 息 强 弱 的 指 标 然 后 按 照 指 数 对 预 报 因 子 进 行 分 类, 对 于 每 一 类 个 例 分 别 建 立 相 应 的 统 计 关 系, 得 到 条 件 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 进 行 实 际 预 测 时, 按 照 每 年 预 报 因 子 指 数 大 小, 选 择 对 应 的 预 报 模 型, 以 提 高 预 报 技 巧 观 测 资 料 共 有 63 年 (1951~2013 年 ), 选 取 前 40 年 (1951~1990 年 ) 作 为 预 报 因 子 的 挑 选 和 模 型 的 拟 合 阶 段, 用 剩 余 的 23 年 (1991~2013 年 ) 作 为 模 型 的 独 立 检 验 阶 段 4 北 大 西 洋 欧 亚 遥 相 关 (AEAT) 因 子 的 选 入 及 其 对 NCSR 的 影 响 机 制 4.1 AEAT 因 子 的 选 入 将 扣 除 Niño3 指 数 信 号 的 7~8 月 R NCSR 与 6 月 环 流 场 做 相 关 分 析, 来 寻 找 影 响 该 部 分 降 水 变 率 的 前 期 预 报 因 子 ( 图 1) 分 析 结 果 显 示, 在 气 压 场 上, 北 大 西 洋 东 部 呈 现 NAO( 北 大 西 洋 涛 动 ) 负 位 相 结 构, 中 纬 度 部 分 为 负 相 关, 高 纬 度 部 分 为 正 相 关 (Li and Wang, 2003) 北 大 西 洋 北 部, 有 一 沿 欧 亚 大 陆 北 侧 向 下 游 传 播 的 波 列 结 构, 该 结 构 在 对 流 层 中 层 ( 图 1b) 尤 其 明 显, 可 影 响 至 东 亚 中 部 地 区 这 种 波 列 结 构 与 AEAT ( North Atlantic Eurasia Teleconnection) 的 结 构 相 类 似 ( 李 建 平 等, 2013), 前 人 研 究 指 出 AEAT 是 夏 季 北 大 西 洋 影 响 东 亚 夏 季 风 的 途 径 之 一 (Wu et al., 2009; Wu et al., 2012) 在 SST 场 上, 由 于 Niño3 指 数 因 子 的 去 除, 热 带 东 太 平 洋 没 有 明 显 的 高 相 关 区 ; 但 在 北 大 西 洋 东 部 区 域, 中 部 为 SST 显 著 负 相 关 区, 北 部 为 SST 显 著 正 相 关 区 ( 图 略 ) 将 图 1 中 各 个 高 相 关 区 ( 虚 线 方 框 所 示 ) 的 物 理 量 面 积 加 权 平 均 定 义 为 潜 在 预 报 因 子 指 数 对 于 图 1b 中 欧 亚 大 陆 北 侧 波 列 相 关 区, 因 其 与 AEAT 结 构 相 似, 将 这 四 个 区 域 平 均 的 位 势 高 度 (H) 根

218 40 卷 Vol. 40 据 相 关 系 数 的 符 号 定 义 为 AEAT 指 数 : 1 IAEAT = ( HA HB + HC HD ), (3) 4 下 标 A B C D 分 别 代 表 北 大 西 洋 北 部 欧 洲 东 北 部 中 亚 地 区 和 东 亚 东 部 地 区 四 个 活 动 中 心 ( 图 1b) 对 I AEAT 和 其 他 潜 在 预 报 因 子 分 别 与 R NCSR 进 行 剔 除 一 个 的 交 叉 检 验 (Guo et al., 2011; Guo et al., 2012), 并 计 算 均 方 根 误 差 (Root-mean-square error, RMSE) 其 中 I AEAT 因 子 具 有 最 小 的 RMSE, 为 40.3 mm, 并 且 其 与 NCSR 的 相 关 系 数 为 0.57, 达 到 99% 信 度 水 平 ( 表 1) I AEAT 是 去 除 ENSO 信 号 后 与 NCSR 相 联 系 的 预 报 因 子, 将 其 选 入 华 北 汛 期 降 水 年 际 模 型 表 1 因 子 选 择 阶 段 (1951~1990 年 ) 均 方 根 误 差 最 小 的 5 个 潜 在 年 际 预 报 因 子 及 其 所 在 区 域 R 为 预 报 因 子 与 NCSR 的 相 关 系 数 ;RMSE 为 剔 除 一 个 交 叉 检 验 过 程 中 观 测 与 拟 合 的 NCSR 之 间 的 均 方 根 误 差, 单 位 :mm Table 1 Five potential interannual predictors with the minimum RMSE in predictor selection of period 1951 1990 and their locations. R is the correlation coefficient between potential predictors and NCSR (Summer Rainfall over North China); RMSE is the root-mean-square error between observed and fitted NCSR in the leave-one-out cross validation, unit: mm 潜 在 预 报 因 子 经 度 范 围 纬 度 范 围 R RMSE/ mm 500 hpa 位 势 高 度 场 32.5 W~120 E 37.5 N~50 N 0.57 ** 40.3 上 AEAT 850 hpa 位 势 高 度 场 30 W~22.5 E 60 N~77.5 N 0.53 ** 40.6 上 格 陵 兰 岛 东 部 区 域 SLP 场 上 格 陵 兰 岛 27.5 W~35 E 60 N~77.5 N 0.52 ** 40.9 东 部 区 域 200 hpa 位 势 高 度 场 40 W~2.5 E 60 N~80 N 0.54 ** 41.8 上 格 陵 兰 岛 东 部 区 域 SLP 场 上 南 太 平 洋 140 E~177.5 E 60 S~42.5 S 0.49 ** 44.6 区 域 ** 达 到 99% 信 度 水 平 4.2 6 月 AEAT 对 7~8 月 NCSR 的 影 响 机 制 AEAT 与 华 北 汛 期 降 水 的 年 际 部 分 有 较 好 的 相 关 性, 那 么 6 月 的 预 报 因 子 是 如 何 影 响 7~8 月 降 水 的 呢? 大 气 系 统 的 记 忆 性 较 弱, 而 海 洋 的 异 常 信 号 往 往 能 持 续 一 个 季 节 (Nan et al., 2009; 郑 菲 和 李 建 平,2013) Wu et al.(2009) 和 Wu et al.(2012) 等 发 现, 春 季 时 NAO 可 在 北 大 西 洋 强 迫 产 生 海 温 三 极 子 结 构, 夏 季 时 三 极 子 海 温 可 影 响 下 游 的 东 亚 夏 季 风 的 强 度, 进 而 影 响 长 江 汛 期 降 水 那 么 6 月 AEAT 是 否 也 有 类 似 的 海 洋 强 迫 作 用? 图 2 为 6 月 I AEAT 与 同 期 500 hpa 位 势 高 度 场 和 SST 场 的 年 际 相 关 分 析 由 此 可 见, 在 北 大 西 洋 上 空, 位 势 高 度 场 呈 现 NAO 负 位 相 结 构 ; 在 欧 亚 大 陆 北 侧, 波 列 状 结 构 经 欧 洲 东 北 部 中 亚 地 区 传 播 至 东 亚 地 区, 中 国 大 部 分 地 区 为 位 势 高 度 负 相 关 在 同 期 的 SST 场 上, 北 大 西 洋 地 区 中 部 为 负 相 关, 两 侧 为 正 相 关 可 见,6 月 AEAT 也 可 以 在 海 温 场 上 强 迫 产 生 三 极 子 结 构, 与 春 季 NAO 的 海 温 强 迫 相 似 (Wu et al., 2009; Wu et al., 2012) 这 种 海 温 异 常 可 能 是 将 6 月 信 号 持 续 至 7~8 月 的 关 键, 故 定 义 北 大 西 洋 海 温 三 极 子 指 数 (Tripole SST index, I TSST ): 1 1 1 ITSST = TH TM + TL, (4) 4 2 4 等 号 右 侧 分 别 代 表 北 大 西 洋 高 纬 度 中 纬 度 和 低 纬 度 三 个 中 心 的 海 表 温 度 6 月 I AEAT 与 I TSST 的 相 关 系 数 为 0.35, 达 到 99% 的 信 度 水 平 ( 表 2) 表 2 1951~2013 年, 年 际 部 分 的 6 月 I AEAT 6 月 I TSST 7~ 8 月 I TSST 7~8 月 贝 加 尔 湖 低 压 指 数 BDI (37.5 N~47.5 N, 85 E~105 E) 区 域 平 均 的 500 hpa 位 势 高 度 ) 和 NCSR 的 年 际 交 叉 相 关 Table 2 Cross correlation between interannual components of I AEAT (AEAT index) in June, I TSST (Tripole SST index) in June, I TSST in JA, and BDI (Baikal depression index, area-weighted mean of 500-hPa geopotential height over 37.5 N 47.5 N, 85 E 105 E ) in JA and NCSR 6 月 I AEAT 相 关 系 数 6 月 I AEAT 6 月 I TSST 7~8 月 I TSST 7~8 月 BDI NCSR 6 月 I TSST 0.35 ** 7~8 月 I TSST 0.25 * 0.44 ** 7~8 月 BDI 0.30 * 0.01 0.28 * NCSR 0.61 ** 0.17 0.07 0.36 ** * 达 到 95% 信 度 水 平 ;** 达 到 99% 信 度 水 平 图 3a b 分 别 为 6 月 和 7~8 月 I TSST 与 同 期 SST 场 的 年 际 相 关 分 析, 可 见 不 论 6 月 还 是 7~8 月, 北 大 西 洋 海 温 的 三 极 子 结 构 都 是 存 在 的, 而 且 两 者 的 相 关 系 数 为 0.44, 达 到 99% 的 信 度 水 平 ( 表 2) 那 么 7~8 月 的 三 极 子 结 构 是 否 就 是 由 6 月 的 海 温 异 常 持 续 而 来? 为 此, 我 们 首 先 从 6 月 海 温 变 率 中 分 解 出 能 够 持 续 到 7~8 月 的 部 分 : Tp = T()Cov[ t T( t+ 1), T()]/Var[ t T()] t, (5) 其 中,T 表 示 海 表 面 温 度 ;t 表 示 6 月,t+1 表 示 7~

1期 No. 1 阮成卿等 华北汛期降水分离时间尺度降尺度预测模型的改进 RUAN Chengqing et al. An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction 219 图 1 7 8 月 NCSR 与 6 月环流场年际部分变量相关图 去除了 ENSO 信号 a 200 hpa 位势高度场 b 500 hpa 位势高度场 欧亚大陆上实 线方框代表 AEAT 的中心 c 850 hpa 位势高度场 d SLP sea level pressure 场 等值线表示相关系数 (±)0.26 (±)0.31 区域 (±)0.31 (±)0.40 区域 0.40 0.40 区域分别达到 90% 95%和 99%信度水平 每个虚线方框为潜在预报因子 Fig. 1 Correlation maps between interannual components of NCSR in JA (July and August) and relevant circulation fields in June after removing the signal of ENSO during 1951 1990: (a) 200-hPa geopotential height; (b) 500-hPa geopotential height, the solid boxes over Eurasia are the centers of AEAT (the North Atlantic Eurasia Teleconnection); (c) 850-hPa geopotential height; (d) SLP (sea level pressure). The contours represent correlation coefficients; (±)0.26 (±)0.31 area, (±)0.31 (±)0.40 area, and 0.40 0.40 area indicate statistically correlation above the 90%, 95% and 99% confidence levels, respectively; the dashed boxes are the regions of potential predictors 图 2 6 月 IAEAT 与 6 月 a 500 hpa 位势高度场 方框代表 AEAT 区域 和 b SST 场 方框代表海温三极子区域 的年际相关图 打点区域达到 95%信度水平 Fig. 2 Correlation maps between interannual components of June IAEAT and (a) 500-hPa geopotential height (boxes indicate the areas of AEAT) and (b) SST (boxes indicate the areas of Tripole SST) in June. Stippled areas indicate statistically significant correlation above the 95% confidence level 8 月 Cov 和 Var 分别表示协方差与方差 Pan, 2005; Wu et al., 2009 然后将 6 月持续海温 Tp 和 6 月总海温 T(t) 分别与 7 8 月 ITSST 做回归分析 并比较两者海温三级子结构的形态 结果如图 3c d 所示 北大西洋三极子海温的分布型在两个图中 并未有明显变化 在 Tp 中仅强度略有减弱 可见 6

220 40 卷 Vol. 40 图 3 (a)6 月 I TSST 与 6 月 SST 场 年 际 相 关 图 (b) 同 (a), 但 为 7~8 月 I TSST 与 7~8 月 SST 场 (c) 回 归 到 7~8 月 I TSST 的 6 月 SST 异 常 的 持 续 部 分, 单 位 : C (d) 同 (c), 但 为 6 月 全 部 SST 图 中 打 点 区 域 达 到 95% 信 度 水 平, 方 框 代 表 北 大 西 洋 海 温 三 极 子 区 域 Fig. 3 (a) Correlation map between interannual components of I TSST in June and SST in June (b) Same as (a), but for I TSST and SST in JA. (c) Interannual component of persistence SST anomaly (units: C) regressed on I TSST in JA. (d) Same as (c), but for total SST in June. Stippled areas indicate statistically significant correlation above 95% confidence level, boxes indicate the areas of TSST 月 北 大 西 洋 三 极 子 可 以 持 续 至 7~8 月, 从 而 可 以 将 6 月 AEAT 的 强 迫 信 号 传 递 至 随 后 的 7~8 月 7~8 月 北 大 西 洋 三 极 子 海 温 异 常 会 对 下 游 气 候 产 生 什 么 影 响? 图 4a 为 7~8 月 I TSST 与 7~8 月 500 hpa 位 势 高 度 场 的 年 际 相 关 分 析 可 见 在 7~8 月 时 三 极 子 海 温 能 在 中 纬 度 地 区 强 迫 产 生 波 列 结 构, 活 动 中 心 分 别 位 于 北 大 西 洋 中 部 欧 洲 西 北 部 黑 海 地 区 中 亚 地 区 和 贝 加 尔 湖 南 侧 地 区, 而 贝 加 尔 湖 南 侧 的 低 压 系 统 与 中 国 北 方 降 水 密 切 相 关 ( 赵 声 蓉 和 宋 正 山,1999) 将 37.5 N~47.5 N,85 E~ 105 E 区 域 平 均 的 500 hpa 位 势 高 度 定 义 为 贝 加 尔 湖 低 压 指 数 (Baikal depression index,bdi), 该 指 数 与 7~8 月 I TSST 的 相 关 系 数 为 0.28, 达 到 95% 信 度 水 平 ( 表 2) BDI 与 整 层 水 汽 输 送 通 量 的 相 关 分 析 显 示 ( 图 4b), 当 BDI 偏 强 时, 存 在 以 贝 加 尔 湖 为 中 心 的 气 旋 式 结 构, 而 华 北 地 区 位 于 气 旋 结 构 的 东 南 侧, 盛 行 西 南 风, 从 而 将 中 国 西 南 的 水 汽 输 送 至 华 北 地 区, 有 利 于 华 北 降 水 的 产 生 ( 图 4c) 而 且 BDI 与 NCSR 的 相 关 系 数 为 0.36, 也 达 到 99% 信 度 水 平 ( 表 2) 以 上 分 析 给 出 了 6 月 北 大 西 洋 欧 亚 遥 相 关 影 响 7~8 月 华 北 降 水 的 物 理 机 制, 即 6 月 AEAT 首 先 将 异 常 信 号 储 存 至 北 大 西 洋 海 温 三 极 子 结 构 中, 然 后 在 7~8 月 释 放 出 来, 调 控 贝 加 尔 湖 低 压 系 统 的 发 展, 再 通 过 影 响 水 汽 输 送 来 影 响 华 北 汛 期 降 水 4.3 含 有 AEAT 因 子 的 TSD 模 型 6 月 AEAT 可 通 过 北 大 西 洋 三 极 子 海 温 结 构 来 影 响 7~8 月 华 北 降 水, 下 面 将 6 月 I AEAT 引 入 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 的 年 际 部 分, 利 用 1951~1990 年 观 测 数 据, 建 立 年 际 分 量 的 二 元 线 性 回 归 模 型 :

1 期 No. 1 阮 成 卿 等 : 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 RUAN Chengqing et al. An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction 221 图 4 (a)7~8 月 I TSST 与 7~8 月 500 hpa 位 势 高 度 场 的 年 际 相 关, 打 点 区 域 达 到 95% 信 度 水 平, 方 框 代 表 贝 加 尔 湖 低 压 区 域 (b)7~8 月 BDI 与 7~8 月 整 层 水 汽 输 送 通 量 的 年 际 相 关, 箭 头 表 示 达 到 95% 信 度 水 平, 方 框 代 表 华 北 区 域 (c)7~8 月 BDI 与 7~8 月 降 水 的 年 际 相 关, 打 点 区 域 达 到 95% 信 度 水 平, 方 框 代 表 华 北 区 域 Fig. 4 (a) Correlation map between interannual components of I TSST in JA and 500-hPa geopotential height in JA, stippled areas indicate statistically significant correlation above 95% confidence level, the box indicates the area of Baikal depression. (b) Correlation map between interannual components of BDI in JA and all-level water vapor transport flux in JA, arrows indicate statistically correlation above 95% confidence level, the box indicates the area of North China. (c) Correlation map between interannual components of BDI in JA and rainfall in JA, stippled areas indicate statistically correlation above 95% confidence level, the box indicates the area of North China A NCSR = 18.9ANino3 + 30.1A, (6) AEATI 其 中,A 表 示 各 变 量 的 年 际 分 量, 波 浪 上 划 线 ~ 表 示 回 归 模 型 的 估 计 值 将 模 型 在 1991~2013 年 进 行 独 立 检 验, 结 果 显 示 ( 图 5a 表 3), 相 对 于 仅 使 用 Niño3 指 数 一 个 预 报 因 子, 引 入 I AEAT 的 新 模 型 的 预 报 效 果 有 较 大 提 升 对 于 年 际 部 分 降 水, 相 关 系 数 由 0.56 提 升 至 0.73,RMSE 由 46.8 mm 降 低 至 39.7 mm, 符 号 一 致 率 也 从 74% 提 升 至 83% 叠 加 上 年 代 际 模 型 的 预 测 结 果 后, 含 有 AEAT 指 数 的 模 型 对 总 降 水 的 预 测 效 果 也 优 于 原 模 型 5 条 件 TSD 模 型 的 建 立 及 其 与 原 模 型 的 比 较 5.1 按 照 强 度 对 预 报 因 子 分 类 对 华 北 降 水 的 年 际 部 分, 本 文 找 到 了 新 的 预 报 因 子 I AEAT 指 数, 但 直 接 建 立 二 元 回 归 模 型 是 否 是 最 优 的?Niño3 指 数 与 AEAT 都 是 通 过 遥 相 关 作 用 影 响 华 北 汛 期 降 水, 如 果 某 年 预 报 因 子 强 度 偏 低, 则 其 影 响 也 较 弱 在 这 种 情 况 下, 若 模 型 中 仍 考 虑 该 因 子 作 用, 则 会 引 入 无 用 信 息, 降 低 模 型 预 报 技 巧 图 6 为 NCSR 与 Niño3 指 数 和 I AEAT 年 际 分 量 的 散 点 图, 由 图 可 见, 两 个 预 报 因 子 与 NCSR 都 有 显 著 的 相 关 但 是 仅 当 Niño3 指 数 强 度 超 过 0.5 时 ( 图 6a), 散 点 才 集 中 在 第 二 四 象 限 ; 而 对 于 ( 0.5, 0.5) 区 间 的 散 点, 则 较 为 随 机 的 分 布 在 各 个 象 限 同 样 的 现 象 在 图 6b 中 也 有 发 生, 当 I AEAT 介 于 ( 0.5, 0.5) 之 间 时, 其 与 NCSR 的 相 关 性 并 不 显 著 因 此 对 于 华 北 汛 期 降 水 而 言, 应 当 按 照 条 件 降 尺 度 的 方 法, 分 情 况 来 建 立 统 计 模 型

222 40 卷 Vol. 40 以 0.5 为 阈 值, 将 1951~2013 年 共 63 个 个 例 分 成 Niño3 指 数 强 弱 年 和 I AEAT 强 弱 年, 并 进 行 组 合 考 虑 到 当 两 个 因 子 同 时 较 强 时, 其 强 迫 效 果 可 能 叠 加 或 相 消, 故 对 这 种 情 况 又 按 照 符 号 相 同 或 相 反 分 成 两 类 ( 图 7), 结 果 如 下 ( 图 8): 表 3 在 拟 合 阶 段 (1951~1990 年 ) 与 检 验 阶 段 (1991~2013 年 ), 新 旧 TSD 模 型 对 NCSR 的 模 拟 能 力 的 比 较 TSD 模 型 包 括 仅 使 用 Niño3 指 数 模 型 Niño3 指 数 与 I AEAT 指 数 模 型 和 条 件 TSD 模 型 R 为 观 测 与 预 测 NCSR 之 间 的 相 关 系 数 ;RMSE 为 观 测 与 拟 合 降 水 的 均 方 根 误 差, 单 位 :mm; P 为 降 水 距 平 符 号 一 致 率 Table 3 Comparison of performances of old and new TSD models for NCSR simulation during the training period (1951 1990) and the independent validation period (1991 2013). TSD models include the model with only Niño3 index the model with Niño3 index and I AEAT, and the conditional TSD model. R is the correlation coefficient between observations and NCSR. RMSE is the root-mean-square error between observed and fitted NCSR, unit: mm. P is the anomaly sign consistency rate 拟 合 阶 段 (1951~1990 年 ) 检 验 阶 段 (1991~2013 年 ) 仅 Niño3 指 数 Niño3 指 数 +I AEAT 条 件 TSD 仅 Niño3 指 数 Niño3 指 数 +I AEAT 条 件 TSD 年 际 R 0.34 0.68 0.74 0.56 0.73 0.81 分 量 RMSE/mm 48.0 37.4 34.3 46.8 39.7 39.8 P 65% 73% 75% 75% 83% 88% 年 代 际 R 0.95 0.95 0.95 0.62 0.62 0.62 分 量 RMSE/mm 15.5 15.5 15.5 26.3 26.3 26.3 P 98% 98% 98% 78% 78% 78% 总 降 R 0.70 0.82 0.85 0.61 0.66 0.77 水 RMSE/mm 50.5 40.5 37.1 58.1 56.9 54.6 P 74% 83% 87% 70% 78% 87% 第 一 类 为 Niño3 指 数 强 而 I AEAT 弱 年 ( 图 8a b), 共 有 17 个 个 例 图 8a 中 仅 一 个 个 例 没 有 位 于 第 二 四 象 限, 且 Niño3 指 数 与 NCSR 的 相 关 系 数 为 0.81, 达 到 95% 新 度 水 平 ; 而 对 于 I AEAT, 其 与 NCSR 的 相 关 系 数 仅 为 0.25, 图 8b 的 散 点 分 布 也 无 明 显 特 征 可 见 对 于 Niño3 指 数 强 而 I AEAT 弱 年, 仅 利 用 Niño3 指 数 一 个 预 报 因 子 就 足 以 对 华 北 降 水 进 行 预 报, 而 I AEAT 因 子 并 不 能 提 供 有 效 的 信 息 如 果 此 时 仍 引 入 I AEAT 因 子, 则 只 会 增 加 随 机 误 差 第 二 类 为 Niño3 指 数 弱 而 I AEAT 强 年 ( 图 8c d), 共 有 16 个 个 例 此 时 Niño3 指 数 与 NCSR 的 相 关 系 数 仅 为 0.10, 而 I AEAT 与 NCSR 的 相 关 系 数 为 0.72, 仅 有 5 个 个 例 位 于 第 二 四 象 限, 由 此 可 见, 在 这 种 条 件 下, 仅 使 用 I AEAT 一 个 预 报 因 子 就 可 以 解 释 NCSR 的 大 部 分 变 率, 并 不 需 要 Niño3 指 数 因 子 的 引 入 第 三 类 为 Niño3 指 数 与 I AEAT 都 较 弱 的 年 ( 图 8e f) 此 时 NCSR 与 Niño3 指 数 和 I AEAT 的 相 关 系 数 分 别 为 0.40 和 0.52, 都 未 能 达 到 95% 的 信 度 水 平 这 表 明 当 两 个 因 子 的 强 度 均 较 弱 时, 这 两 个 因 子 都 不 能 对 NCSR 产 生 有 效 的 强 迫 作 用 但 这 一 分 类 中 仍 有 部 分 个 例 有 较 大 的 降 水 异 常, 可 见 对 于 这 一 类 年,NCSR 可 能 受 其 他 因 子 的 调 控 第 四 类 为 Niño3 指 数 与 I AEAT 均 强 且 异 号 的 年 ( 图 8g h), 仅 6 个 个 例, 而 NCSR 与 Niño3 指 数 和 I AEAT 的 相 关 系 数 分 别 为 0.88 和 0.83, 都 达 到 95% 的 信 度 水 平 此 时 Niño3 指 数 和 I AEAT 都 可 为 NCSR 的 预 测 提 供 信 息, 且 强 迫 效 果 相 同 相 互 叠 加, 从 而 使 得 两 者 与 NCSR 的 相 关 系 数 都 达 到 了 较 高 的 数 值 但 这 类 情 况 的 个 例 较 少, 将 不 利 于 建 立 稳 定 的 统 计 模 型 第 五 类 为 Niño3 指 数 与 I AEAT 均 强 且 同 号 的 年 ( 图 8i j) 此 时 共 有 11 个 个 例,NCSR 与 两 个 预 报 因 子 的 相 关 系 数 分 别 为 0.38 和 0.55, 均 未 能 达 到 95% 的 信 度 水 平 可 能 的 原 因 是 对 于 这 些 年,Niño3 指 数 与 I AEAT 都 有 较 大 的 强 迫 效 果, 但 由 于 两 个 因 子 的 作 用 相 反 相 互 抵 消, 使 得 实 际 NCSR 的 预 测 更 加 复 杂 5.2 条 件 TSD 模 型 的 建 立 检 验 与 比 较 根 据 以 上 分 析, 本 文 按 照 预 报 因 子 的 强 度 提 出 不 同 的 预 报 方 案 ( 图 6): 方 案 一, 对 于 强 Niño3 指 数 而 弱 I AEAT 的 年, 仅 使 用 Niño3 指 数 作 为 预 报 因 子 ; 方 案 二, 对 于 Niño3 指 数 弱 I AEAT 强 的 年, 仅 使 用 I AEAT 作 为 预 报 因 子 ; 方 案 三, 其 他 三 种 类 型 情 况 较 为 复 杂, 各 有 其 不 利 建 模 的 问 题, 固 将 这 些 类 型 归 为 一 类, 使 用 Niño3 指 数 和 I AEAT 两 个 预 报 因 子 根 据 1951~1990 年 的 观 测 数 据, 建 立 条 件 TSD 降 尺 度 统 计 模 型 的 年 际 部 分 : > < 27.8ANino3 + 13.0, ANino3 0.5 AAEATI 0.5 ( 方 案 一 ) A NCSR = 27.1AAEATI 22.1, ANino3 < 0.5 AAEATI > 0.5 ( 方 案 二 ), (7) 18.7ANino3 + 27.0AAEATI + 6.25, 其 他 ( 方 案 三 )

1 期 No. 1 阮 成 卿 等 : 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 RUAN Chengqing et al. An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction 223 图 5 (a)ncsr 年 际 部 分 时 间 序 列 ( 黑 色 为 观 测, 红 色 为 使 用 Niño3 指 数 模 型, 绿 色 为 Niño3 指 数 与 I AEAT 指 数 模 型, 蓝 色 为 条 件 TSD 模 型 ), 模 型 拟 合 阶 段 为 1951~1990 年, 独 立 检 验 阶 段 为 1991~2013 年, 单 位 :mm (b) 同 (a), 但 为 年 代 际 部 分 时 间 序 列 (c) 同 (a), 但 为 总 降 水 时 间 序 列 Fig. 5 (a) Time series of the interannual components of NCSR from observations (black), the model with only Niño3 index (red), the model with Niño3 index and AEATI (green), and the conditional TSD model (blue), the training period is 1951 1990 and the independent validation period is 1991 2013. Units: mm. (b) As (a), but for the interdecadal components. (c) As (a), but for the total precipitation 图 6 NCSR( 单 位 :mm) 与 标 准 化 的 (a)niño3 指 数 和 (b)i AEAT 年 际 部 分 的 散 点 图 N 为 个 例 次 数,R 为 相 关 系 数, 星 号 表 示 达 到 95% 信 度 水 平 Fig. 6 Scatter plots of interannual components of NCSR (units: mm) and standardized (a) Niño3 指 数 and (b) I AEAT. N is the case number and R is the correlation coefficient (* indicates statistically correlation at the 95% confidence level) 图 7 Fig. 7 条 件 降 尺 度 模 型 示 意 图 Schematic diagram of the conditional statistical downscaling model

224 40 卷 Vol. 40 图 8 同 图 6, 但 为 (a) (b)niño3 指 数 强 而 AEATI 弱 年,(c) (d)niño3 指 数 弱 而 AEATI 强 年,(e) (f)niño3 指 数 弱 AEATI 也 弱 年,(g) (h)niño3 指 数 强 AEATI 也 强 且 反 号 年,(i) (j)niño3 指 数 强 AEATI 也 强 且 同 号 年 Fig. 8 As Fig. 6, but for (a, b) years of strong Niño3 index and weak AEATI, (c, d) years of weak Niño3 index and strong AEATI, (e, f) years of weak Niño3 index and weak AEATI, (g, h) years of strong Niño3 index and strong AEATI with opposite phases, and (i, j) years of strong Niño3 index and AEATI with the same phase ANino3 和 A AEATI 均 为 标 准 化 的 预 报 因 子 年 际 分 量 具 体 进 行 预 报 时, 根 据 当 年 6 月 观 测 的 ANino3 和 A 的 强 度, 来 选 择 相 应 预 报 方 程 AEATI 利 用 1991~2013 年 的 观 测 数 据 对 模 型 进 行 独 立 检 验, 结 果 显 示 ( 图 5 和 表 3), 相 对 于 二 元 回 归 模 型, 条 件 TSD 统 计 降 尺 度 模 型 使 华 北 汛 期 降 水 的 预 测 技 巧 得 到 进 一 步 的 提 升, 年 际 分 量 的 相 关 系 数 和 符 号 一 致 率 分 别 从 0.73 和 83% 提 高 到 0.81 和 87% 对 于 总 降 水 的 预 测, 条 件 模 型 将 相 关 系 数 从 0.66 提 高 为 0.77,RMSE 从 56.9 mm 降 低 到 54.6 mm, 符 号 一 致 率 从 78% 提 高 到 87% 可 见, 利 用 条 件 TSD 降 尺 度 模 型, 根 据 逐 年 的 预 报 因 子 特 点 来 选 择 合 适 的 预 报 方 程, 优 于 直 接 的 多 元 线 性 回 归 模 型

1 期 No. 1 阮 成 卿 等 : 华 北 汛 期 降 水 分 离 时 间 尺 度 降 尺 度 预 测 模 型 的 改 进 RUAN Chengqing et al. An Improvement in a Time-Scale Decomposition Statistical Downscaling Prediction 225 6 总 结 与 讨 论 本 文 对 TSD 模 型 的 年 际 部 分 进 行 了 改 进, 找 到 了 一 个 新 的 影 响 华 北 汛 期 降 水 的 前 期 预 报 因 子,6 月 AEAT 该 因 子 可 以 在 北 大 西 洋 强 迫 产 生 海 温 三 极 子 结 构, 由 于 海 洋 的 记 忆 性 较 强, 三 极 子 可 将 大 气 信 号 持 续 至 7~8 月, 并 对 下 游 欧 亚 大 陆 产 生 强 迫 作 用, 调 控 贝 加 尔 湖 低 压 系 统 的 发 展, 从 而 进 一 步 影 响 华 北 降 水 在 此 过 程 中, 北 大 西 洋 海 温 三 极 子 结 构 充 当 了 海 洋 桥 的 作 用 ( 李 建 平 等,2013) 而 AEAT 的 强 迫 作 用 表 明, 在 北 半 球 夏 季, 北 大 西 洋 的 异 常 信 号 也 可 传 递 到 下 游 地 区, 影 响 局 地 气 候 的 发 展 因 此 在 做 夏 季 东 亚 短 期 气 候 预 测 时 应 考 虑 AEAT 的 作 用 利 用 Niño3 指 数 和 I AEAT 两 个 指 数, 本 文 进 一 步 提 出 了 条 件 降 尺 度 模 型 的 概 念 按 照 预 报 因 子 的 强 度, 将 多 年 观 测 分 成 若 干 类, 对 于 每 种 类 型 针 对 性 的 建 立 各 自 的 统 计 模 型 进 行 实 际 预 测 时, 按 照 当 年 预 报 因 子 的 强 度 选 择 相 应 的 预 报 模 型, 这 样 就 能 根 据 实 际 情 况 选 择 最 优 的 方 案, 并 能 避 免 信 息 较 弱 预 报 因 子 的 干 扰 在 模 型 的 独 立 检 验 过 程 中, 条 件 降 尺 度 模 型 的 预 报 效 果 也 优 于 直 接 的 线 性 回 归 模 型 也 应 注 意 到, 虽 然 条 件 TSD 降 尺 度 模 型 在 大 多 数 年 份 做 出 了 较 好 的 华 北 汛 期 降 水 预 测, 但 在 某 些 极 端 年 份, 如 1995 年 1996 年 1997 年 1999 年 和 2002 年, 统 计 模 型 的 预 测 在 降 水 距 平 大 小 上 仍 有 偏 差 这 表 明 极 端 事 件 与 一 般 事 件 有 不 同 的 特 征, 而 本 模 型 的 不 同 预 报 方 程 都 是 基 于 线 性 回 归 模 型, 这 可 能 是 造 成 这 些 年 份 降 水 预 报 较 差 的 原 因 另 外 对 于 ENSO 和 AEAT 指 数 都 偏 弱 的 年 份, 条 件 TSD 模 型 未 能 提 出 很 好 的 预 报 方 案 对 于 这 些 年 份 是 否 还 有 其 他 预 报 因 子 影 响 华 北 降 水, 将 是 下 一 步 的 工 作 参 考 文 献 (References) Fowler H J, Blenkinsop S, Tebaldi C. 2007. Linking climate change modelling to impacts studies: Recent advances in downscaling techniques for hydrological modelling [J]. Int. J. Climatol., 27 (12): 1547 1578. García-Bustamante E, González-Rouco J, Navarro J, et al. 2012. North Atlantic atmospheric circulation and surface wind in the northeast of the Iberian Peninsula: Uncertainty and long term downscaled variability [J]. Climate Dyn., 38 (1 2): 141 160. Giorgi F, Mearns L O. 1991. Approaches to the simulation of regional climate change: A review [J]. Rev. Geophys., 29(2): 191 216. Guo Y, Li J P, Li Y. 2011. Statistically downscaled summer rainfall over the middle lower reaches of the Yangtze River [J]. Atmos. Oceanic Sci. Lett., 4 (4): 191 198. Guo Y, Li J P, Li Y. 2012. A time-scale decomposition approach to statistically downscale summer rainfall over North China [J]. J. Climate, 25 (2): 572 591. 黄 荣 辉, 陈 际 龙, 黄 刚, 等. 2006. 中 国 东 部 夏 季 降 水 的 准 两 年 周 期 振 荡 及 其 成 因 [J]., 30 (4): 545 560. Huang Ronghui, Chen Jilong, Huang Gang, et al. 2006. The quasi-biennial oscillation of summer monsoon rainfall in China and its cause [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (4): 545 560. Hewitson B C, Crane R G. 2006. Consensus between GCM climate change projections with empirical downscaling: Precipitation downscaling over South Africa [J]. Int. J. Climatol., 26 (10): 1315 1337. Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. 1996. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77 (3): 437 471. Li J P, Zeng Q C. 2002. A unified monsoon index [J]. Geophys. Res. Lett., 29 (8): 115-1 115-4. Li J P, Zeng Q C. 2003. A new monsoon index and the geographical distribution of the global monsoons [J]. Adv. Atmos. Sci., 20 (2): 299 302. Li J P, Wang J X L. 2003. A new North Atlantic oscillation index and its variability [J]. Adv. Atmos. Sci., 20 (5): 661 676. 李 建 平, 任 荣 彩, 齐 义 泉, 等. 2013. 亚 洲 区 域 海 陆 气 相 互 作 用 对 全 球 和 亚 洲 气 候 变 化 的 作 用 研 究 进 展 [J]., 37 (2): 518 538. Li Jianping, Ren Rongcai, Qi Yiquan, et al. 2013. Progress in air land sea interactions in Asia and their role in global and Asian climate change [J]. (in Chinese), 37 (2): 518 538. Li Y, Smith I. 2009. A statistical downscaling model for southern Australia winter rainfall [J]. J. Climate, 22 (5): 1142 1158. Liu Z F, Xu Z X, Charles S P, et al. 2011. Evaluation of two statistical downscaling models for daily precipitation over an arid basin in China [J]. Int. J. Climatol., 31 (13): 2006 2020. 陆 日 宇. 2002. 华 北 汛 期 降 水 量 变 化 中 年 代 际 和 年 际 尺 度 的 分 离 [J]. 大 气 科 学, 26 (5): 611 624. Lu Riyu. 2002. Separation of interannual and interdecadal variations of rainfall in North China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 26(5): 611 624. Nan S L, Li J P, Yuan X J, et al. 2009. Boreal spring Southern Hemisphere annular mode, Indian Ocean sea surface temperature, and East Asian summer monsoon [J]. J. Geophys. Res., 114 (D2): D2103. Nicholas R E, Battisti D S. 2012. Empirical downscaling of high-resolution regional precipitation from large-scale reanalysis fields [J]. J. Appl. Meteor. Climatol., 51 (1): 100 114. Pan L L. 2005. Observed positive feedback between the NAO and the North Atlantic SSTA tripole [J]. Geophys. Res. Lett., 32 (6): L06707. Rayner N A, Parker D E, Horton E, et al. 2003. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century [J]. J. Geophys. Res., 108 (D14): 4407. Sauter T, Venema V. 2011. Natural three-dimensional predictor domains

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