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:10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02.001 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 100081;2. 新 疆 气 候 中 心, 新 疆 乌 鲁 木 齐 830002; 3. 中 国 气 象 局 乌 鲁 木 齐 沙 漠 气 象 研 究 所, 新 疆 乌 鲁 木 齐 830002) 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 :1002-0799(2015)02-0001-08 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 :2014-11-20; 修 回 日 期 :2015-01-16 基 金 项 目 : 中 国 沙 漠 气 象 科 学 研 究 基 金 (Sqj2011012); 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (2013CB430203); 公 益 性 行 业 ( 气 象 ) 科 研 专 项 (GYHY201306024) 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 E-mail: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 E-mail: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
[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 1981 2010 年 NCEP CFS v2 9 个 月 1 毅 伊 1 毅 /t126 高 斯 1982 2010 年 JMA MRI-CGCM 3~7 个 月 2.5 毅 伊 2.5 毅 1979 2008 年 NCC CGCM v1 11 个 月 2.5 毅 伊 2.5 毅 1983 2003 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
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 1.3.1 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 1.3.2 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 1.3.3 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 1.3.4 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 1982 2008 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 1982 2008 年 leave-oneout 的 方 法 建 模 并 得 到 1982 2008 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 2002 2011 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
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 1983 2008 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 61.5 61.2 57.0 53.9 63.2 70.0 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 2002 2011 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 64.3 64.8 67.2,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 2002 2011 年 夏 季 降 水 进 行 后 报 的 平 均 PS 评 分 分 别 为 63.6 64.0 70.7 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 63.6 64.0 70.7 61.1 73.8 73.8 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 2002 2011 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 61.2 60.4 72.6 64.2 BP-CCA 63.5 64.3 66.8 66.3 HCRE 68.2 68.4 67.1 65.21 60.1 72.1 图 1 降 尺 度 统 计 集 合 SE 方 法 对 2002 2011 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
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 1982 2008 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 67.5 64.5 48.0 59.8 60.8 65.2 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 2002 2011 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 2002 2011 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 52.1 61.7 82.9 63.6 72.2 82.9 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 2002 2011 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 57.2 71.6 68.8 63.0 BP-CCA 60.5 74.0 68.1 53.6 HCRE 69.6 62.6 60.2 49.1 66.2 75.2 图 2 HCRE 统 计 方 法 对 2002 2011 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
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):19-22. [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):18-21. 李 维 京. 现 代 气 候 业 务 [M]. 第 一 版. 北 京 : 气 象 出 版 社, 2012. [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,1999,127:1941-1953. [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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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 100081,China;2.Xinjiang Climate Center,Urumqi 830002,China; 3.Institute of Desert Meteorology,CMA,Urumqi 830002,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