冯蕾 魏凤英 朱艳峰

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029

2 中国科学院研究生院,北京 100049

3 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081

4 国家气候中心,北京 100081

基于前春对流层温度和北大西洋涛动的中国夏季降水统计预测模型

冯蕾1,2魏凤英3朱艳峰4

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029

2 中国科学院研究生院,北京 100049

3 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081

4 国家气候中心,北京 100081

本文在分析中国夏季降水典型模态与前期春季对流层中上层温度主要分布类型、北大西洋涛动 (简称NAO)之间关系的基础上,提出基于前春对流层温度和NAO的中国夏季降水统计预测模型,并对利用该模型预报的2004～2009年中国160站夏季降水进行检验。结果表明:中国大范围夏季降水多寡主要与5月NAO变化有关,“南多 (少)北少 (多)型”降水异常分布主要与5月NAO异常以及前春中国东北、华北地区上空对流层温度的冷异常有关。NAO对中国夏季降水的影响既包括年际尺度的,也包括年代际尺度的,而对流层温度异常的影响主要体现在年代际尺度上。这两个因子通过影响夏季大气环流和季风水汽输送,从而影响中国夏季降水的趋势分布。基于这样的联系,本工作以中国夏季降水量原始场EOF分解前3个模态对应的时间系数为预测对象,以前期春季平均的对流层中上层温度距平REOF分解前4个模态对应的时间系数以及逐月NAO指数序列作为预报因子,并结合降水序列本身、对流层温度、NAO指数的多时间尺度分量建立了我国夏季降水的统计预测模型,取得了较好的预报效果。2004～2009年预报降水与观测降水之间的6年平均距平相关系数达到0.335,表明该预报方案对我国夏季降水具有较高的预报技巧。

对流层温度 北大西洋涛动 中国夏季降水 统计预测模型

1 引言

中国位于东亚季风区,影响夏季降水的环流系统复杂,降水时空变率较大,夏季频繁发生的旱涝灾害,给国民经济和人民生命安全带来巨大损失。准确预测夏季降水异常是业务部门和大气科学界共同面临的重要课题和难题 (丁一汇,2004;王斌,2008;Zhou et al.,2009a)。

ENSO被认为是季风区乃至全球气候可预报性的主要来源 (Wang et al.,2008;Wu et al.,2009,2010;Zhou et al.,2009b)。但对于东亚季风区,ENSO对降水变率的影响相对于其它地区要小得多(Wang et al.,2008)。因此,准确预测中国夏季降水,还需要充分考虑ENSO以外的物理因子。目前,研究者们在做我国夏季降水预测时,考虑的预测因子除了ENSO外,还包括青藏高原积雪以及一些大气环流变化特征量等 (赵振国,1996,1999;金祖辉和陶诗言,1999;Zhang et al.,1999;吴统文和钱正安,2000;黄嘉佑等,2004;彭京备等,2005;魏凤英,2006;张庆云等,2007;武炳义等,2008;杨莲梅和张庆云,2008;魏凤英和黄嘉佑,2010;韩雪和魏凤英,2010)。

对流层温度是一个综合性的物理因子,其变化是各种动力因素和热力因素共同作用的结果。各种环流因子、大气活动中心对东亚气候的影响,都绕不过对流层温度变化这一环节 (Zhou and Zou,2010)。近年来,围绕对流层温度变化对东亚气候的影响,产生了一系列重要的研究成果:20世纪70年代末以来中国东部夏季降水的“南涝北旱”特征与东亚对流层中上层变冷存在直接的联系 (Yu et al.,2004;Yu and Zhou,2007;宇如聪等,2008),其物理概念模型可以表述为:对流层中上层出现的年代际尺度变冷,一方面通过其上层的气旋式环流异常,使得东亚急流轴以南的西风增强,另一方面通过其下层的反气旋式环流异常,导致东亚夏季风减弱。西风急流偏南和夏季风减弱,最终导致中国东部“南涝北旱”型降水异常 (Xin et al.,2006)。中国夏季降水除了在东部有“南涝北旱”变化外,在中西部地区 (90°E～110°E)也有“南涝(旱)北旱 (涝)”的变化,并且这种降水异常型与500 hPa等压面上高原地区平均温度和其东部平原平均温度之差的异常变化有关 (朱艳峰等,2010)。研究还表明,东亚对流层温度的年代际变化是北半球对流层温度年代际变化的组成部分 (Zhou and Zhang,2009)。早春季节欧亚大陆副热带地区的表层气温和对流层温度的变冷趋势,与冬季北大西洋涛动 (简称NAO)正位相增强所对应的北半球副热带冷信号的准正压东传有关 (Yu and Zhou,2004)。东亚对流层上层变冷和青藏高原下游地面气温变冷开始于前春的3月,从3月到5月,冷中心逐渐南移并加强,并且这种冷位相可以维持到9月份 (Yu and Zhou,2007)。前冬NAO的年代际增强,使得东亚西风急流增强,通过影响高原积雪深度以及触发高原东侧独特的云—辐射反馈过程,使得东亚对流层中上层温度变冷 (Li et al.,2005,2008;辛晓歌等,2009;Xin et al.,2010)。上述关系在年际尺度上同样存在。尽管东亚对流层中上层温度与东亚夏季降水的联系受到前冬NAO的影响,但中国夏季降水对前冬NAO的响应很弱,而与前春的NAO变化具有显著的相关 (王永波和施能,2001;龚道溢等,2002)。

以上研究表明,前春季节的对流层温度、NAO变化与中国夏季降水异常具有重要的影响,但目前将前春对流层温度和NAO应用于中国夏季降水预测的工作开展得很少。本工作的目的是定量分析前春对流层温度和NAO变化对中国夏季降水的影响,并建立相应的预测模型,对我国夏季 (6～8月)降水进行预测试验。

本文第2节扼要介绍使用的资料和方法;第3节分析我国夏季降水以及前春对流层中上层温度变化的主要分布类型,讨论降水典型模态与对流层中上层温度典型模态及NAO之间的联系;第4节提出以前春对流层中上层温度和NAO为主要预报因子的预测模型,并检验该模型对我国夏季降水趋势分布的预测效果;第5节对全文进行总结。

2 资料和方法

本文使用的降水资料为国家气候中心气候预测室提供的1951～2009年中国160站6～8月的降水资料,该资料被广泛地应用于东亚降水变率研究中(Zhou and Yu,2005)。所用的环流场资料为NCEP/NCAR逐月再分析资料 (Kalnay et al.,1996)。涉及到的物理量有气温、风场、位势高度场,分辨率为2.5°×2.5°。使用的 NAO指数来自http:∥www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtm l[2010-04-10]。

本文使用的分析方法包括经验正交函数(EOF)、旋转经验正交函数 (REOF)、均值生成函数及回归分析等方法 (魏凤英,2007)。

3 前春对流层中上层温度及 NAO对中国夏季降水的影响

3.1 中国夏季降水的主导模态

在预测中,为了回答某一年中国地区总体降水趋势和雨区分布问题,本文对中国160站1951～2009年夏季降水量原始场进行 EOF分解。图1给出前3个特征向量及其对应的时间系数。由于是使用原始场进行 EOF展开,那么,第1特征向量(EOF1)就是中国大范围夏季降水的多年平均分布状况,即自东南地区向西北地区递减的分布型式(图1a)(施能,2009)。第一特征向量对应的时间系数 (PC1)就是中国夏季大范围降水总体多寡的逐年变化,PC1越大,意味着这一年全国大范围降水是偏多的 (图1b)。该模态能够解释总方差的90.90%。降水的第2特征向量 (EOF2)表现为华南—江淮—华北地区“-+-”的降水异常分布(图1c),即以江淮地区为中心的三极型降水分布,这是我国最常出现的降水异常型,以下简称为“南北少 (多)中间多 (少)型”。从时间系数 (PC2)来看 (图1d),该类型降水年际振荡比较显著。第3特征向量 (EOF3)表现为长江以南地区降水与其以北地区相反的趋势分布 (图1e),这也是我国比较常见的降水分布型,以下简称为“南多 (少)北少 (多)型”。该模态对应的时间系数 (PC3)表明(图1f),自1970年代末至2000年左右,“南涝北旱”型降水有明显的增强趋势,这与前人的结果(赵平和周秀骥,2006;Yu and Zhou,2007;Zhou et al.,2009a)一致。上述三个特征向量均通过了No rth准则显著性检验 (No rth et al.,1982),总计解释了总方差的93.32%,决定着中国夏季降水的趋势分布。

3.2 前春对流层中上层温度变化的主要模态

为揭示春季 (3～5月)对流层温度的变化模态 ,对 (10°N～50°N,60°E～130°E) 区域内的对流层平均温度 (定义为200～500 hPa的厚度平均)距平做旋转经验正交函数 (REOF)分解。第1特征向量 (REOF1)解释了总方差的22.7%(图2a),其中心位于20°N以南地区,以下称为“亚洲低纬型”。第一模态对应的时间系数 (PC1′)表明 (图2b),该模态具有显著的年代际振荡特征。第2特征向量 (REOF2)解释了总方差的16.6%(图2c),其中心主要位于我国东北、华北地区上空,以下称为“亚洲中纬型”。对应的时间系数 (图2d,PC2′)表明,1960年代以前,该模态无明显的变化,1960年代中期到1990年代末期,该模态具有显著的增强趋势,2000年后又呈现出减弱趋势。从时间演变上看,“亚洲中纬型”对流层中上层温度的变化与我国“南多 (少)北少 (多)型”降水变化比较一致,对应的温度、降水模态的PC序列间的相关系数为0.3。第3特征向量 (REOF3)解释了总方差的13.9%(图2e),中心主要位于伊朗地区上空,以下简称“南亚型”。对应的时间系数 (图 2f,PC3′)表明,该模态具有明显的年代际和年际变化特征。第4特征向量 (REOF4)解释了总方差的11.5%(图2g),中心位于我国青藏高原地区上空,以下简称“高原型”。North准则检验表明,上述4个特征向量是独立的,总计解释了总方差的64.7%。

图1 1951～2009年我国夏季降水量场EOF分解前3个特征向量 (a、c、e)及时间序列 (b、d、f)Fig.1 (a,c,e)The first three EOFmodesof summer precipitation over China for the period of 1951-2009 and(b,d,f)the corresponding time series

3.3 中国夏季降水异常和前春对流层中上层温度、

NAO异常的联系

3.3.1 相关分析

为揭示中国夏季降水异常与前春对流层中上层温度、NAO活动异常之间的联系,首先计算我国夏季降水量前3个特征向量时间系数序列 (PC1、PC2、PC3)与前春对流层温度前4个特征向量时间系数序列 (PC1′、PC2′、PC3′、PC4′) 以及3、4、5月逐月的NAO指数之间的相关 (如表1所示)。同时,为了考察降水与对流层中上层温度、NAO在年代际和年际时间尺度上的联系,本文使用权重系数长度为9,截断频率为0.1(即10年周期)的Lanczos滤波器对各序列进行低通和高通滤波,分别得到其年代际变化 (具有10年以上时间尺度的周期)和年际变化 (具有10年以下时间尺度的周期)。滤波之后各序列的相关如表2和表3所示。

图2 1951～2009年前春对流层中上层温度REOF分解前4个特征向量 (a、c、e、g)及时间序列 (b、d、f、h)Fig.2 (a,c,e,g)The first four rotated empiricalorthogonal function(REOF)modesof spring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa for the period of 1951-2009 and(b,d,f,h)the corresponding time series

表1 1951～2009年我国夏季降水前3个特征向量时间系数序列与前春对流层中上层温度前4个特征向量时间系数序列、逐月NAO指数的相关Table 1 The correlation coefficients between the first three summer precipitation time series(PC1,PC2,PC3)and the first four spring atmosphere temperature time series(PC1′,PC2′,PC3′,PC4′),NAO index during the period of 1951-2009

考察表1到表3,首先,从总体上看,中国夏季降水的第1模态,即大范围降水趋势的变化主要与前期5月的NAO指数变化有关。降水第3模态,即“南多 (少)北少 (多)型”降水异常分布与前春对流层中上层温度变化的第2模态以及5月NAO指数变化密切相关,而降水的第2模态,即“南北少 (多)中间多 (少)型”降水与前春对流层中上层温度及NAO指数的变化均无明显的关联;第二,前春5月NAO指数与中国夏季大范围降水及“南多 (少)北少 (多)型”降水异常分布的联系既有年际尺度上,也包含年代际尺度上的。前春 3月NAO变化与我国“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水的相关在年代际尺度上很显著,但在年际尺度上很弱。而前春3月NAO变化与中国大范围夏季降水、以及前春4月NAO变化与我国“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水的相关主要是年际尺度上的。第三,对流层中上层温度第1模态与我国大范围夏季降水变化具有较强的年际尺度上的相关。除此之外,对流层温度变化各主要模态与中国夏季降水的联系主要是年代际尺度上的。表1中原始序列包含了不同时间尺度的变化,使得降水与对流层温度之间的相关未通过5%的显著水平的显著性检验。因此,有必要将各时间序列不同时间尺度的周期,即将可预报的分量提取出来,也作为预报因子,可以排除噪音,达到更好的预报效果。

需要指出的是,不同季节的NAO活动对东亚气候的影响不同。前冬NAO活动异常与前春东亚对流层温度之间有着较好的对应关系,即冬季NAO的正位相年,较强的西风急流使得高原下游的云量增加,通过云—温度反馈机制维持着东亚对流层温度的冷异常 (Yu and Zhou,2004;Li et al.,2005)。计算表明,前冬NAO指数序列与前春对流层中上层温度变化PC2′之间的相关系数为0.4,通过了5%的显著水平的显著性检验。而前春NAO的正位相与前春东亚对流层温度的偏暖状态有所对应,不过它们之间的相关系数很弱,均未通过显著性检验,这表明前春NAO活动和对流层中上层温度对我国夏季降水的影响是相互独立的。春末和夏季NAO活动可能是通过罗斯贝波的传播影响东亚夏季气候 (Ding and Wang,2005;Bo the et al.,2010)。

表2 同表1,但为去除年际变化(10年以下)后的相关Table 2 Same as table 1,but for the correlation coefficients between the time series with variation less than 10 years removed by Lanczos filter

表3 同表1,但为去除年代际变化(10年以上)后的相关Table 3 Sameas table 1,but for the correlation coeff icients between the time series with variation more than 10 years removed by Lanczos filter

3.3.2 前春NAO、对流层中上层温度对我国夏季降水的影响分析

相关分析表明,前春5月NAO、“亚洲中纬型”对流层中上层温度变化与中国夏季降水 EOF分解第1、3模态的联系最密切,这里仅分析这两个因子对中国夏季降水的影响。

中国位于东亚季风区,降水主要是由水汽的辐合造成的 (周天军等,1999;Zhou and Yu,2005)。而水汽输送与大尺度大气环流形势有着密切的联系。研究表明,西太平洋副热带高压和对流层高层西风急流是影响我国夏季气候的重要环流系统(Tao and Chen,1987;Zhang et al.,2006)。本文将分别计算前春5月NAO、“亚洲中纬型”对流层中上层温度变化这两个序列与夏季850 hPa水汽输送场、500 hPa位势高度场以及200 hPa纬向风场的回归,来探讨其对大气环流和我国夏季降水的影响。

图3 前春5月负NAO指数与夏季环流场的回归:(a)850 hPa水汽输送 (矢量,单位:kg·m-1·s-1);(b)500 hPa位势高度(等值线,单位:gpm);(c)200 hPa纬向风 (等值线,单位:m/s)。阴影:气候态下500 hPa位势高度 (b)、200 hPa纬向风(c)的形势Fig.3 Summer circulation fields regressed upon the negative NAO index in May:(a)Water vapor transport(vector;units:kg·m-1·s-1)at 850 hPa;(b)500-hPa geopotential height(contour,units:gpm);(c)200-hPa zonal wind(contour,units:m/s).The shaded regions indicate the climatemean 500-hPa geopotential height(b)and 200-hPa zonal wind(c)

前春5月NAO指数与我国夏季降水第1模态和第3模态的相关最显著,而降水的第1、3模态中心均位于长江以南地区,因此前春5月NAO对中国夏季降水的影响主要是对江南和华南地区的影响。同时,负相关意味着当NAO处于负位相时,我国南方地区降水偏多;当NAO处于正位相时,我国南方地区降水偏少。这里只给出我国南方地区降水偏多的情况。图3为前春5月负NAO指数与水汽输送及环流场的回归。从图3a可以看出,NAO的负位相年,850 hPa水汽输送场上,西太平洋地区存在较强的异常反气旋水汽环流,反气旋西北侧的异常西南水汽输送有利于中国南方地区的夏季降水。500 hPa位势高度场上 (图3b),气候平均的西太平洋副热带高压位置与一异常高压相重合,同时,异常高压的中心位置偏向气候平均西太平洋副高的西南侧,表明西太平洋副热带高压强度偏强,位置偏南、偏西,使得副高西侧的西南水汽输送偏强。200 hPa纬向风场上 (图3c),长江以南地区表现为西风异常,长江以北地区为东风异常,表明西风急流位置较常年偏南,加强了南方地区高空的辐散,这种环流形势有利于中国南方地区异常偏多的降水。

对流层温度变化的第2模态与我国夏季降水的第3模态之间具有显著的正相关,意味着“亚洲中纬型”温度冷异常对应着中国夏季降水“南涝北旱”型降水分布,而暖异常对应着“南旱北涝”型异常降水分布。同样,这里只讨论“南涝北旱”的情况。图4为对流层温度变化第2模态对应的时间系数与夏季水汽输送及环流场的回归分布。图4a表明,850 hPa异常水汽输送场上,我国长江以南地区表现为异常偏南水汽输送,而其北方地区为异常反气旋水汽输送,使得我国华北、东北地区处于水汽辐散区,不利于北方地区的夏季降水;500 hPa位势高度场上 (图4b)最明显的特征是,东亚地区上空存在一个强大的异常高压,中心位于青藏高原以北地区。该异常高压由“北方型”温度冷异常引起,但异常高压中心比对流层中上层温度冷中心位置 (40°N,120°E)略偏西。异常冷高压阻止了西太平洋副高的北进,同时,西太平洋副热带高压强度也偏强,使得副高西北侧较强的水汽输送维持在我国南方地区。200 hPa纬向风场上 (图4c),西风急流中心位置偏南,加强了我国长江及其以南地区的高空辐散,这种环流形势使得我国南方地区降水偏多,北方地区降水偏少。

以上分析表明前春对流层中上层温度变化、NAO的异常活动与我国夏季降水之间存在着明确的物理上的联系。下面主要利用前春NAO指数及对流层中上层温度作为预报因子,建立我国夏季降水的统计预测模型。

图4 同图3,但为前春对流层中上层温度REOF分解第2模态对应的时间序列与夏季环流场的的回归Fig.4 Same as Fig.3,but for the summer circulation fields regressed on PC2′(the second REOF mode of sp ring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa)

4 预报流程及预报效果检验

依据气候系统具有不同时间尺度的显著周期振荡,魏凤英和张先恭 (1998)提出把气象要素序列本身生成的显著周期函数作为预报因子加入到预报方程中,使由于预报量和预报因子的时间趋势引起的相关不稳定性由选入的显著性周期因子加以调整,目的是达到更好的降水预报效果。本文在魏凤英和张先恭 (1998)提出的预报思路的基础上进行了改进,利用前春 (3～5月)NAO指数和对流层中上层 (500～200 hPa)温度REOF分解前4个特征向量对应的时间系数作为预报因子,同时考虑逐月NAO指数、对流层温度各时间序列多时间尺度的周期振荡,建立了图5所示的降水统计预报流程。

按照图5所示的预报流程,首先提取我国夏季降水量原始场各PC序列不同时间尺度的均值生成函数作为预报因子的一部分。均生函数是由时间序列按一定的时间间隔计算均值而派生出来的。将均生函数定义域延拓到整个数轴上,即为周期性延拓(魏凤英,2007)。这里以 PC1为例进行说明。图6a为PC1的功率谱分析,从图中可以看出,我国夏季降水第1模态的变化存在显著的14年左右的周期振荡以及3年左右的年际振荡周期。因此,将周期长度为3年和14年的均生函数延拓序列从PC1序列中提取出来 (如图6b、c所示)。对于降水的PC2和PC3序列也作同样的处理 (图略)。功率谱分析表明,我国夏季降水的第2模态存在2年和5年左右的显著周期振荡,而降水的第3模态的周期性变化与第1模态类似,第1显著周期为10年左右,次显著周期为2年左右。

预报依据的另外一部分来自前春对流层中上层温度以及NAO信号。这里给出对流层中上层温度距平进行REOF分解得到的 PC1′序列的功率谱分析及均生函数延拓序列。该序列的功率谱分析 (图7a)表明,周期长度为14年处,功率谱估计值为一峰值且大大超过标准谱,而年际周期振荡不显著。因此,提取周期长度为14年的均生函数延拓序列,如图7b所示。对于对流层温度的其它 PC′序列和逐月NAO指数序列也作同样的处理 (图略)。结果表明,对流层中上层温度 REOF分解的 PC2′序列以及3月NAO指数变化周期与我国夏季降水EOF分解的第1、3模态的变化周期较为一致,均存在14年和3年左右的显著周期。其它各预报因子的变化主要存在显著的年际振荡周期。

图5 预测模型的预报流程图Fig.5 The process diagram of the forecasting model

图6 我国夏季降水EOF分解第1模态对应时间序列的功率谱分析 (a)以及周期长度为3年 (b)和14年 (c)的均生函数延拓序列。(a)虚线表示显著性水平为0.05的红噪音标准谱Fig.6(a) The power spectral analysis on the first PC of summer precipitation over China by the EOF decomposition;(b,c)the extension time series by mean generating function with(b)3-year and(c)14-year period.The dashed line in(a)is the red noise power spectrum with the statistical significance at 0.05 level

根据上述方法,共得到以下预报因子:夏季降水量EOF分解前3个PC序列本身的均生函数延拓序列;前春3～5月平均对流层中上层温度REOF分解前4个PC序列、前春逐月NAO指数序列以及它们各自对应的显著周期的均生函数延拓序列。使用逐步回归方法,分别建立中国夏季降水量前3个PC序列与这些预报因子之间的回归预测模型。

按照上述预报流程,分别对1951～2003、1951～2004、1951～2005 和 1951～2006、1951～2007、1951～2008年的夏季降水量原始场进行 EOF分解,通过逐步回归,建立降水的预报方程,预报出2004～2009年间逐年的夏季降水总量,然后转化成降水距平百分率。表4为用独立样本资料做出的2004～2009年预报的效果检验,其中ACC表示预报场与实况场之间的距平相关系数,这是国际上通用的、比较客观的评定办法,考虑了实况值和预测值的相似程度,包括数值的大小和符号的相似程度。从表4可以看出,2004～2009年预报场和观测场之间平均的距平相关系数达到0.335。除了2009年外,其它5年都取得了比较好的预报效果,说明基于前春对流层中上层温度变化和NAO活动异常所建立的预报方案,对我国夏季降水具有较好的预报技巧。

图8给出2004和2006年中国夏季降水的预报结果。2004年夏季我国降水异常分布呈南北走向,主要降水中心位于黄淮地区、长江中游以及西南、华北的部分地区 (图8a)。图8c表明,该预测模型能够较好地预报出黄淮地区和长江中游的多雨中心以及华南地区的少雨中心,但是江淮地区降水的预报与实况存在较大的误差。2006年夏季,我国东部自南向北“+-+”的降水异常分布基本上预报出来了,如华南地区的多雨中心和长江中下游地区的少雨中心,但是预报的北方雨区的位置较实况更偏北一些。

图7 前春对流层中上层温度REOF分解第1模态对应时间序列的功率谱分析 (a)以及周期长度为14年的均生函数延拓序列 (b)。(a)虚线表示显著性水平为0.05的红噪音标准谱Fig.7 (a)The power spectral analysis on the first PC of sp ring atmosphere temperature averaged over 500 hPa-200 hPa by the REOF decomposition;(b)the extension time series by mean generating function with 14-year period.The dashed line in(a)is the red noise power spectrum with the statistical significance at 0.05 level

表4 2004～2009年中国夏季降水预测效果检验Table 4 The forecasting verification of summer precipitation over China during 2004-2009

对比2004～2009年我国夏季降水的观测场和预报场还可以发现,该预测模型基本上能够把握我国夏季旱涝趋势的分布特征,这与该统计预测模型中预报因子的选取有着密切的联系。由于对流层温度是一个比较综合性的物理因子,前春对流层温度异常已经包含了来自海洋、高原积雪等各种强迫因子的变化,因此,只基于前春对流层中上层温度和NAO变化的降水统计预测模型即可以预报出我国夏季降水分布的大部分信息。但是该预测模型还存在不足之处,比如预测的降水强度比观测偏弱,并且未能预测出局地降水的更多细节特征。这是因为对流层温度变化所描述的是大尺度海陆温差的变化,故仅能反映与之联系的大范围降水异常。另外,前文的相关分析表明,我国夏季降水 EOF分解的第2模态与前春对流层温度及NAO变化之间的相关很弱,导致该预测模型对降水第2模态的预报能力很低。这意味着要更好地预报我国夏季降水的分布,还需要在该预测模型中考虑影响降水第2模态的主要预报因子。

图8 2004年 (a、c)和2006年 (b、d)夏季降水距平百分率 (%):(a、b)实况;(c、d)预报Fig.8 The summer precipitation anomaly percentage(%)in(a,c)2004 and(b,d)2006:(a,b)Observation;(c,d)forecast

5 结论和讨论

(1)我国夏季降水大范围分布趋势与前春5月NAO的变化密切相关,“南多 (少)北少 (多)型”夏季降水主要与“亚洲中纬型”对流层中上层温度变化有关,而“南北少 (多)中间多 (少)型”夏季降水与前春NAO及对流层中上层温度之间均无显著相关。

(2)前春NAO活动异常对我国夏季降水的影响既有年际尺度上的,也有年代际尺度上的,而前春对流层中上层温度对我国夏季降水的影响主要是年代际尺度上的。

(3)前春5月NAO活动对我国南方地区夏季降水的影响机理为:NAO的负位相年,夏季西风急流位置偏南,西太平洋副热带高压偏西、偏南,来自西太平洋的西南水汽输送偏强,造成我国夏季江南、华南地区降水偏多;相反,NAO正位相年,我国南方地区降水偏少。前春“亚洲中纬型”对流层温度冷异常对我国夏季“南涝北旱”型降水格局的影响机理为:当东北、华北地区上空异常偏冷时,我国北方大部分地区为异常高压控制,使得西太平洋副高西侧位置偏南,不利于副高西侧水汽的向北输送,同时,夏季西风急流位置也偏南,使得南方地区降水偏多,而北方地区夏季降水偏少。相反,前春“亚洲中纬型”对流层温度暖异常对应着我国夏季降水“南旱北涝”型的异常分布。

(4)本文使用的预测模型,除了考虑降水本身不同时间尺度的周期振荡,还将前春NAO指数及对流层中上层温度变化各时间序列不同显著周期的均生函数延拓序列提取出来,加入预报方程,很大程度上排除了噪音,取得了较好的降水预报效果。

本文基于前春NAO、对流层温度变化与夏季降水异常的关系,建立了一个统计预测模型,对于我国夏季降水具有较好的预报能力。基于春季NAO和对流层温度异常对夏季降水的统计预报,可以在汛期旱涝预测的滚动订正中发挥作用。

本文建立的降水统计预测模型主要基于再分析资料中的前春对流层中上层温度变化,该模型的基础是自春季到夏季对流层中上层温度异常的持续性。而夏季降水与同期对流层中上层温度之间的对应关系无疑好于前期对流层温度。如果能够提前获得理想的夏季对流层温度资料,将会大大提高降水预报效果。数值模式,尤其是海气耦合模式被认为是目前最常用的季节预报工具。当前的耦合气候模式,对东亚表层温度和降水的直接预报能力很低,但对包括温度场在内的东亚高层环流的预报能力则很强 (Wang et al.,2008)。即使当前的气候模式难以直接准确地预测降水的变化,但只要它对东亚对流层温度的变化具备一定预测能力,就可以在此基础上,进一步基于“对流层温度和降水变化”的统计关系,采用统计降尺度的办法来预测降水变化。因此,根据“对流层温度—表面降水”变化的统计关系,基于耦合模式预报的对流层温度变化来预报降水的变化是一条切实可行的途径。

References)

Bothe O,Fraedrich K,Zhu X H.2010.The large-scale circulations and summer drought and wetnesson the Tibetan plateau[J].International Journal of Climatology,30:844-855.

Ding Q,Wang B.2005.Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer[J].J.Climate,18:3483-3505.

丁一汇.2004.我国短期气候预测业务系统 [J].气象,30(12):11-17.Ding Y H.2004.China Operational Short-Range Climate Prediction System[J].Meteorological Monthly(in Chinese),30(12):11-17.

龚道溢,朱锦红,王绍武.2002.长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关 [J].科学通报,47(7):546-549. Gong D Y,Zhu J H,Wang S W.2002.Significant relationship between sp ring AO and the summer rainfall along the Yangtze River[J].Chinese Science Bulletin(in Chinese),47(7):546-549.

黄嘉佑,刘舸,赵昕奕.2004.副高、极涡因子对我国夏季降水的影响[J].大气科学,28(4):517-526. Huang Jiayou,Liu Ge,Zhao Xiyi.2004.The influence of subtropical high indexes and polar vortex indexes on the summertime precipitation in China[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),28(4):517-526.

韩雪,魏凤英.2010.中国东部夏季降水与东亚垂直环流结构及其预测试验 [J].大气科学,34(3):533-547. Han Xue,Wei Fengying.2010.The influence of vertical atmospheric circulation pattern of over East Asia on summer precipitation in the east of China and its forecasting test[J].Chinese Journalof A tmospheric Sciences(in Chinese),34(3):533-547.

金祖辉,陶诗言.1999.ENSO循环与中国东部地区夏季和冬季降水关系的研究[J].大气科学,23(6):663-671.Jin Zuhui,Tao Shiyan.1999.A study on the relationships between ENSO cycle and rainfalls during summer and winter in eastern China[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),23(6):663-671.

Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bull.Amer.Meteo r.Soc.,77:437-472.

Li J,Yu R C,Zhou T J,et al.2005.Why is there an early sp ring cooling shift dow nstream of the Tibetan Plateau?[J].J.Climate,18(22):4660-4668.

Li J,Yu R C,Zhou T J.2008.Teleconnection between NAO and climate dow nstream of the Tibetan Plateau[J].J.Climate,21:4680-4690.

No rth G R,Bell T L,Cahalan R F,et al.1982.Samp ling errors in the estimation of empirical o rthogonal functions[J].Mon.Wea.Rea.,110:699-706.

彭京备,陈烈庭,张庆云.2005.青藏高原异常雪盖和 ENSO的多尺度变化及其与中国夏季降水的关系 [J].高原气象,24(3):366-377. Peng Jingbei,Chen Lieting,Zhang Qingyun.2005.Multi-scale variations of snow cover over QXP and tropical Pacific SST and their influences on summer rainfall in China[J].Plateau Meteo rology(in Chinese),24(3):366-377.

施能.2009.气象统计预报 [M].北京:气象出版社,128-143.Shi N.2009.Statistical Forecast of Meteorology(in Chinese)[M].Beijing:China Meteorological Press,128-143.

Tao S,Chen L.1987.A review of recent research on the East A-sia summer monsoon inChina[M]//Chang C P,Krishnam urti T N.Monsoon Meteo rology.Oxfo rd:Oxfo rd university Press,60-92.

王斌.2008.认识和预报亚洲季风气候:前沿突破点和展望[J].气象学报,66:653-669. Wang B.2008.Thrusts and prospects on understanding and predicting Asian monsoon climate[J].Acta Meteo rologica Sinica(in Chinese),66(5):653-669.

Wang B,Lee J Y,Kang IS,et al.2008. Advance and prospectus of seasonal prediction:A ssessment of the APCC/CliPAS 14-model ensemble retrospective seasonal prediction(1980-2004)[J].Climate Dynamics,doi:10.1007/s00382-008-0460-0.

王永波,施能.2001.近45a冬季北大西洋涛动异常与我国气候的关系[J].南京气象学院学报,24(3):315-322.Wang YB,Shi N.2001.Relation of North A tlantic Oscillation anomaly to China climate during 1951-1995[J].Journalof Nanjing Institute of Meteorology(in Chinese),24(3):315-322.

魏凤英,张先恭.1998.中国夏季降水趋势分布的一个客观预报方法[J].气候与环境研究,3(3):218-226. Wei F Y,Zhang X G.1998.An objective predicting method for seasonal precipitation anomaly distribution in summer over China[J].Climatic and Environmental Research(in Chinese),3(3):218-226.

魏凤英.2006.长江中下游夏季降水异常变化与若干强迫因子的关系[J].大气科学,30(2):202-211. Wei Fengying.2006.Relationships between precipitation anomaly over the middle and lower reachesof the Changjiang River in summer and several forcing factors[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),30(2):202-211.

魏凤英.2007.现代气候统计诊断与预测技术 (第2版)[M].北京:气象出版社.Wei F Y.2007.Climate Statistical Diagnosing and Prediction(in Chinese)[M].2nd ed.Beijing:China Meteorological Press.

魏凤英,黄嘉佑.2010.大气环流降尺度因子在中国东部夏季降水预测中的作用 [J].大气科学,34(1):202-212. Wei F Y,Huang J Y.2010.A study of dow nscaling factors of atmospheric circulations in the prediction model of summer precipitation in Easter China[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),34(1):202-212.

武炳义,张人禾,D'A rrigo Rosanne.2008.北极偶极子异常与中国东北夏季降水[J].科学通报,53(12):1422-1428. Wu Bingyi,Zhang Renhe,D'A rrigo Rosanne.2008.A rctic dipole anomaly and summer rainfall in no rtheast China[J].Chinese Science Bulletin(in Chinese),53(12):1422-1428.

Wu B,Zhou T J,Li T.2009.Seasonally evolving dominant interannual variability modes of East A sian climate[J].J.Climate,22:2992-3005

Wu B,Li T,Zhou T J.2010.Relative contributionsof the Indian O-cean and local SST anomalies to the maintenance of the western North Pacific anomalous anticyclone duringdecaying summer[J].J.Climate,23:2974-2986.

吴统文,钱正安.2000.青藏高原冬春积雪异常与中国东部地区夏季降水关系的进一步分析[J].气象学报,58(5):570-581.Wu Tongw en,Qian Zheng'an.2000.Further analysis of the linkage between winter and sp ring snow dep th anomaly over Qinghai-Xizang Plateau and summer rainfall of eastern China[J].Acta Meteo rologica Sinica(in Chinese),58(5):570-581.

Xin X G,Yu R C,Zhou T J,et al.2006.Drought in late sp ring of South China in recent decades[J].J.Climate,19(13):3197-3206.

辛晓歌,宇如聪,周天军.2009.中国东南部4～5月年代际干旱的南移特征及潜热影响的数值模拟 [J].大气科学,33(6):1165-1173. Xin Xiaoge,Yu Rucong,Zhou Tianjun.2009.Southward movement of the decadal drought in southeastern China during Ap ril-May and numerical simulation of the effect of the condensation heating[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),33(6):1165-1173.

Xin X G,Zhou T J,Yu R C.2010.Increased Tibetan Plateau snow depth:An indicator of the connection between enhanced winter NAO and late-sp ring tropospheric cooling over East Asia[J].Advances in A tmospheric Sciences,27:788-794.

杨莲梅,张庆云.2008.北大西洋涛动对新疆夏季降水异常的影响[J].大气科学,32(5):1187-1196. Yang Lianmei,Zhang Qingyun.2008.Effects of the North A tlantic Oscillation on the summer rainfall anomalies in Xinjiang[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),32(5):1187-1196.

Yu R C,Wang B,Zhou T J.2004.Tropospheric cooling and summer monsoon weakening trend over East Asia[J].Geophys.Res.Lett.,31,L22212,doi:10.1029/2004GL021270.

Yu R C,Zhou T J.2004.Impacts of winter-NAO on March cooling trends over subtropical Eurasia continent in the recent half century[J]. Geophys.Res.Lett.,31,L 12204,doi:10.1029/2004GL 019814.

Yu R C,Zhou T J.2007.Seasonality and three-dimensional structure of interdecadal change in East Asian monsoon[J].J.Climate,20:5344-5355.

宇如聪,周天军,李建,等.2008.中国东部气候年代际变化三维特征的研究进展 [J].大气科学,32(4):893-905. Yu Rucong,Zhou Tianjun,Li Jian,et al.2008.Progress in the studies of three-dimensional structure of interdecadal climate change over eastern China[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),32(4):893～905.

张庆云,吕俊梅,杨莲梅,等.2007.夏季中国降水型的年代际变化与大气内部动力过程及外强迫因子关系[J].大气科学,31(6):1290-1300.Zhang Q Y,LüJ M,Yang L M,et al.2007.The interdecadal variation of precipitation pattern over China during summer and its relationship with the atmospheric internal dynamic processes and extra-forcing factors[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),31(6):1290-1300.

Zhang R H,Sumi A,Kimoto M.1999.A diagnostic study of the impact ofon the precipitation in China[J].Adv.A tmos.Sci.,16:229-241.

Zhang Y C,Kuang X Y,Guo WD,et al.2006.Seasonal evolution of the upper-tropospheric westerly jet co re over East Asia[J].Geophys. Res. Lett., 33, L 11708, doi: 10.1029/2006GL 026377.

赵平,周秀骥.2006.近40年我国东部降水持续时间和雨带移动的年代际变化[J].应用气象学报,17(5):548-556. Zhao Ping,Zhou Xiuji.2006.Decadal variability of rainfall persistence time and rain-belt shift over eastern China in recent 40 years[J].Journal of App lied Meteorological Sciences,17(5):548-556.

赵振国.1996.厄尔尼诺现象对北半球大气环流和中国降水的影响[J].大气科学,20(4):422-428. Zhan Zhenguo.1996.Impact ofevents on atmospheric circulations in the Northern Hemisphere and precipitation in China[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(Scientia A tmospherica Sinica)(in Chinese),20(4):422-428.

赵振国.1999.中国夏季旱涝及环境场 [M].北京:气象出版社,297pp.Zhao Z G.1999.Summertime Floods and Droughts in China and the Associated Circulations(in Chinese)[M].Beijing:China Meteorological Press,297pp.

周天军,张学洪,王绍武.1999.全球水循环的海洋分量研究 [J].气象学报,57:264-282. Zhou T J,Zhang X H,Wang SW.1999.The air-sea freshwater exchange derived from NCEP/NCAR reanalysis data[J].Acta Meteorologica Sinica(in Chinese),57:264-282.

Zhou T J,Yu R C.2005.A tmospheric water vapor transport associated with typical anomalous summer rainfall patterns in China[J]. J. Geophys. Res.,110,D08104, doi: 10.1029/2004JD005413.

Zhou T J,Gong D Y,Li J,et al.2009a.Detecting and understanding the multi-decadal variability of the East A sian summer monsoon:Recent progress and state of affairs[J].Meteo rologische Zeitschrift,18(4):455-467.

Zhou T J,Wu B,Wang B.2009b.How well do A tmospheric General Circulation Models cap ture the leading modesof the interannual variability of Asian-Australian monsoon?[J].J.Climate,22:1159-1173.

Zhou T J,Zhang J.2009.Harmonious inter-decadal changesof July-August upper tropospheric temperature across the North A tlantic,Eurasian continent,and North Pacific[J].Advances in A tmospheric Sciences,26,656-665.

Zhou T J,Zou L W.2010.Understanding the predictability of East Asian summermonsoon from the rep roduction of land-sea thermal contrast change in AMIP-type simulation[J].J.Climate,23,6009-6026,doi:10.1175/2010JCL I3546.1.

朱艳峰,张博,陈隆勋.2010.夏季青藏高原与其东部平原的热力差异对中国降水的影响 [J].科学通报,55(6):483-489. Zhu Y F,Zhang B,Chen L X.2010.Thermal difference betw een the Tibetan Plateau and the plain east of Plateau and its influence on rainfall over China in the summer[J].Chinese Science Bulletin,55,doi:10.1007/s11434-009-0613-5.

A Predictive Model for Summer Precipitation over China Based on Upper Tropospheric Temperature and North Atlantic Oscillation in the Preceding Spring

FENG Lei1,2,WEI Fengying3,and ZHU Yanfeng4
1StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049
3ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081
4NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081

Based on the analyses of relationship between summer precipitation and upper tropospheric temperature,No rth A tlantic Oscillation(NAO)in the preceding sp ring,a statistic predictivemodel for summer precipitation over China is proposed and the forecast results for years 2004-2009 are tested.The results show that the large scale precipitation over China mainly changeswith NAO in May,and themeridional dipole pattern of precipitation is associated with NAO in May and the anomalous cooling during 500 hPa-200 hPa in the preceding sp ring over No rth China and Northeast China.The NAO influences the summer precipitation over China on both interannual and interdecadal time scales,w hile the upper tropospheric temperature influences the precipitation mainly on interdecadal time scale.The anomalous condition of sp ring NAO and upper tropospheric temperature determines the pattern and magnitude of summer precipitation over China via large scale circulation and water vapo rtransport.A predictivemodel for summer precipitation over China is proposed based on both this statistic and physical relationship,with the first three princip le components(PCs)of summer precipitation as the predictands,and with the first four PCs of upper tropospheric temperature over Asia(10°N-50°N,60°E-130°E)and themonthly NAO index in the preceding sp ring as the predictors.The periodsof these series with different time scales are also considered to remove the noise and extract useful info rmation.The averaged anomaly correlation coefficient for years 2004-2009 is 0.335,indicting a good skill in fo recasting the summer precipitation over China.

upper tropospheric temperature,North A tlantic Oscillation(NAO),summer precipitation over China,statistic predictive model

1006-9895(2011)05-0963-14

P461

A

冯蕾,魏凤英,朱艳峰.2011.基于前春对流层温度和北大西洋涛动的中国夏季降水统计预测模型 [J].大气科学,35(5):963-976. Feng Lei,Wei Fengying,Zhu Yanfeng.2011.A predictivemodel for summer precipitation over China based on upper tropospheric temperature and North A tlantic Oscillation in the preceding sp ring[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):963-976.

2010-09-20,2010-12-09收修定稿

财政部/科技部公益类行业专项GYH Y200706010、GYHY200906016

冯蕾,女,1982年出生,博士研究生,主要从事气候诊断与预测研究。E-mail:leifeng@mail.iap.ac.cn