大气低频振荡与延伸期预报

为了能从大气低频振荡角度研究延伸期降水过程预报问题,引入了一种新的预报方法—低频天气图,并且分析了低频天气图的技术要点和技术方法。在低频天气图上,低频天气系统(低频气旋和低频反气旋),以及它们的活动特性可以被用来定性地确定南、北气流(暖、冷空气)的汇合,引起降水过程。2009年6~10月利用该方法进行上海地区延伸期降水过程预报表明,强降水过程预报效果较好,且预报时效为15~45天,可以在延伸期业务预报中应用。     

基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法

本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。     

上海梅汛期候降水异常的低频信号及延伸期预报

提高汛期降水过程的延伸期预报能力是目前天气预报和气候预测发展的重要方向。本文以上海梅汛期降水为例,利用非传统滤波方法提取多变量季节内分量,分析了梅汛期季节内候降水异常及其相联系的延伸期关键低频信号,进一步综合多变量低频信号建立了梅汛期候降水异常延伸期预报方法,并开展了多年的回报和试报检验。结果表明:①梅汛期候降水异常季节内分量具有显著的40～60d低频振荡周期,与降水异常实况具有显著的正相关和较高的符号一致率;②梅汛期季节内候降水异常与超前10～35d的热带及中高纬低频信号有关,主要包括:热带MJO(Madden Julian Oscillation)自阿拉伯海的向东传播、西太平洋副热带高压季节内活动的西北向传播、PNA(Pacific-North American)遥相关型的季节内位相转换以及东北亚冷空气的持续性异常影响;③综合上述多变量低频信号建立了延伸期候降水异常预报模型,对提前10～35d的延伸期候降水异常的季节内分量具有预报技巧,也能较好地预报实际的候降水异常趋势。     

海河下游延伸期降水过程的低频预测方法

本文对海河下游地区强降水过程与大气低频信号进行了诊断分析,结果表明雨日的低频涡度场在我国存在显著的偶极子型异常分布。根据这一异常分布特征构造了一对低频预报指数Dcurl35和Dcurl12以及相应的延伸期强降水过程的低频预报方法。进一步使用该低频预报方法进行了历史降水过程的回报检验和2014年强降水过程的预报试验,结果证明该方法对海河下游延伸期强降水过程有较好的预报能力,可以实际应用于海河下游延伸期强降水过程预报业务。      

上海市夏季降水延伸期的预报方法

利用1998—2007年上海站降水资料和NCEP逐日700 hPa再分析风场资料,通过统计分析,发现上海强降水发生日,在10～20天滤波的合成低频流场上,我国沿海30°N附近地区纬向风明显加强,浙江福建沿海地区为一致的偏南风,故定义这两个区域为影响区.通过单点相关方法,在10～20天滤波的经纬向风场上分别找到一个与影响区风速超前15～20天相关性好的关键区域:110～130°E,0°～10°N和160～140°W,45～55°N.研究表明,关键区域的10～20天低频经纬向风有明显向上海附近地区传播的趋势,并且与15～20天后上海降水有显著正相关,对上海市6—8月未来15天的降水有较好的指示作用.     

2011年江西汛期降水低频分量的延伸期预报试验

利用2011年2-8月逐日降水量序列及东亚地区850hPa经向风场资料建立多变量时滞回归(multivariable lagged regression, MLR)模型,对5-7月江西降水10-30d和50-70d低频分量分别进行延伸期逐日预报实验。结果表明：2011年江西降水存在显著的10-30d和50-70d的振荡周期。降水50-70d低频分量延伸期预报技巧明显优于10-30d低频分量延伸期预报技巧,平均预报技巧高达0.86。降水50-70d低频分量延伸期预报可准确预报降水低频位相的正负转换,能为江西延伸期强降水过程发生的时段预测提供预报信号。     

湖南省汛期强降水的30~60d低频振荡特征及延伸期预报指数研究

基于1986—2015年湖南逐日降水资料、同期美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)再分析资料,通过分析强低频振荡年的汛期强降水特征和低频环流场演变对强降水的影响,建立了湖南省汛期延伸期强降水过程预报指数。结果表明:(1)汛期33%的强降水过程均发生在具有显著30~60 d低频振荡的年份中,且大多位于低频降水峰值阶段。(2)通过对强低频振荡年进行合成发现,在活跃位相,南亚高压偏强偏东,副热带高压偏西偏强,这种环流配置导致中国南方大部分地区的高层环流为辐散,底层环流为辐合,有利于降水的产生。在中断位相,南亚高压呈东西带状分布且其位置偏西、强度偏弱,副热带高压偏东偏弱,使得向湖南地区输送水汽的西南气流减弱,进入降水中断期。(3)基于低频散度场不同位相的变化特征,选取了与低频降水相关的两个关键区,从而建立延伸期预报指数,该指数对低频降水显著年的强降水回报准确率能够达到73%。(4)前期4月黑潮的海温异常(SSTA)可作为湖南省强低频振荡年的预测指标。     

基于低频振荡信号的中国南方冬半年持续性低温指数延伸期预报试验

利用1961-2009年36°N以南、108°E以东中国大陆191个站点逐日最低气温和NCEP/NCAR再分析日平均格点,研究与区域持续性低温事件有关的大气低频振荡信号,寻找可以在一定程度上表征不同类型区域持续性低温事件的指数,并尝试结合DERF2.0系统的预报产品进行持续性低温指数的延伸期预报试验。结果表明:（1）在研究范围内的区域持续性低温事件可以归纳为江北型、江南型和全区域型3类,其中江北型和江南型事件的环流背景差异体现在异常环流中心的纬度位置上,而全区域型事件属于增强型的江北型事件;（2）江北型和江南型区域平均最低气温时间序列的10-30 d低频分量的位相和强度变化与区域持续性低温事件的发生有显著关系,可以作为表征区域持续性低温事件指数和预报量;（3）100°-120°E范围内850 hPa温度场距平的经验正交函数分解前两个主模态具有显著的10-30 d变化周期,并且其空间结构分别与江北型和江南型事件的典型环流特征一致,前两个主模态时间系数能够作为持续性低温指数的预报因子;（4）检验结果表明,DERF2.0系统对上述预报因子有一定的预报能力。在延伸期预报时效内,利用统计学和动力学相结合的方法制作的持续性低温指数的预报效果好于模式直接预报的2 m气温,该预报方法有助于提升区域持续性低温事件的延伸预报能力。      

延伸期天气过程预报的一种新方法——低频天气图

本文主要介绍低频天气图延伸期预报方法。低频天气图是一种不同于统计学预报方法、数值预报方法和天气学预报方法的延伸期天气过程预报的新方法,可以用于延伸期(10～30 天)天气过程预报。低频天气图的技术要点是大气低频系统(低频气旋和低频反气旋)及其相应的低频气流。低频天气图的天气学意义是能反映造成天气过程的天气系统的生消、维持和移动及其大气环流演变过程。其优越性在于其特性:时间上的周期性(30～50 天)、持续性和空间上的连续性、相似性以及地域上的准定常性,预报天气系统相对容易且时效长。2008～2012 年在上海市气候中心业务应用的结果表明,可以提前15～45 天预报上海地区的强降水过程。     

广州逐日降水振荡及其延伸期预报的简谐波模型

利用1951—2010年广州逐日降水资料,采用功率谱、小波变换、Lanczos 滤波器和简谐波拟合等方法研究了广州逐日降水的振荡特征及其延伸期预报方法。结果表明,广州逐日降水振荡主要表现为2～4.1 d、8 d、13.3 d、40～60 d和120 d变化等5种时间尺度的准周期振荡,其中准单周变化、11～21 d、21～80 d的季节内振荡具有振幅和周期接近的1～2个振荡周期性循环出现的特征。利用小波变换揭示出近期逐日降水距平5 d滤波序列变化的主要周期,采用简谐波拟合的方法建立了广州逐日降水5 d滤波序列的延伸期预报模型。对1990—2009年近20年的后报结果分析表明,所建立的延伸期预报简谐波模型除第24 d和29 d外,前33 d的预报值与低通滤波值之间的相关达到0.05的显著性水平。对未来34 d降水低频分量极大值的预报与实况低通滤波极大值相差在0～2 d的概率最高,可为中期与延伸期降水过程出现时段的预报提供重要参考。      

天气关键区大气低频波延伸期预报方法

针对上海地区强降水过程预报,根据大气低频振荡特性和使用Micaps 700 hPa位势高度场资料,提出了一种新的预报方法——“天气关键区大气低频波延伸期预报方法”,确定了天气关键区的范围和分析了天气关键区的低频变化特征。该方法的重点内容是天气关键区的低频波特征、各关键区低频气流辐合及其与降水过程的联系。2010年该方法在上海春季业务预报中取得了比较好的预报结果,尤其是对重大事件的预报服务。     

多变量时滞回归模型在江南地区初夏降水低频分量延伸期预报中的应用

利用江南地区77个台站的日降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,基于不同时间尺度的江南地区降水低频分量和东亚地区850 h Pa低频经向风主成分,建立了多变量时滞回归(Multivariable Lagged Regression,MLR)模型,并对2011年5—7月江南降水低频分量进行延伸期逐日预报试验。结果表明,50~70 d时间尺度的江南低频降水的平均预报技巧高达0.92,可准确预报持续性强降水过程和降水低频位相的正负转换。对利用2001—2012年资料分别构建的MLR模型的历史回报预测试验表明,在50~70 d振荡较强和正常的年份,模型能提前30 d做出初夏江南低频降水分量预报。模型结果也表明,850 h Pa低频经向风的发展和演变是影响初夏江南低频降水未来30 d变化的显著信号,可作为延伸期强降水预报的关键因子。     

上海梅汛期强降水的低频特征及延伸期预报

利用2007-2013年NCEP/NCAR的700 hPa经、纬向风场及水汽场逐日再分析资料和上海市11站逐日降水资料。进行周期分析,提取低频信息,并利用向量场的经验正交函数方法进行分型。结果表明：上海地区梅汛期降水存在30-50 d的显著周期。强降水发生期,低频系统存在4个主要聚集区。贝加尔湖以西至河套地区存在并维持低频反气旋、鄂霍次克海附近多为低频气旋,这两地是中高纬冷空气的主要活动区域;孟加拉湾附近的低频反气旋及热带洋面的低频气旋是水汽的两大源地。这些区域的显著低频系统的生消是延伸预报的主要依据。上海入梅首场强降水发生前,多为偏北气流控制。南北低频气流辐合区向北移动至30°N附近,上海地区梅汛期强降水发生。低频风场及水汽场的北传与梅雨带的移动有较好的对应,当低纬低频水汽稳定北传至30°N附近时,江南北部入梅,随后偏南水汽或继续北进或滞留,对应梅雨带的持续北抬或间歇性停滞。低频经向风及水汽输送的特征是梅汛期延伸期强降水的前兆信号。跟踪监测低频偏南气流的北传进程有助于预报入梅强降水过程。     

低频天气图在陕西汛期降水预报中的应用

利用陕西省2008—2013年5—9月日降水资料及NCEP 500hPa的u、v风场资料,基于低频天气图的预报原理,统计降水时段500hPa风场上低频气旋和反气旋的空间分型、位置和出现次数,归纳出影响降水过程的9个高影响区,以及不同低频气旋和反气旋的配置类型与降水过程间的联系,通过低频系统的活动特征来预报降水过程。在2013—2015年陕西省延伸期强降水过程预报试验中,低频天气图预报方法的预报效果较好,且预报时效为10~30d,可以在延伸期预报业务中加以应用。     

陕西省春季日最高气温延伸期预报因子初探

利用2001—2010年陕西省89站日最高气温资料和NCEP/NCAR逐日850 h Pa再分析温度、风场资料,通过统计分析发现陕西全省日最高温度变化具有很好的一致性,且在春季存在明显的6~28 d的波动。当6~28 d波动处于正位相时,850 h Pa上陕西地区受偏南气流控制,且温度偏高,而波动处于负位相时,850 h Pa上陕西地区为一高压反气旋控制,且温度明显降低。根据两者的对比,找到影响陕西地面日最高气温6~28 d变化的影响区。通过单点相关的方法,在6~28 d滤波的850 h Pa温度场上找到与影响区温度超前15 d左右相关性好的关键区:65°~70°N,40°~45°E。进一步研究表明,6~28 d低频温度有明显的从关键区向影响区传播的趋势,并且与15 d后陕西地区日最高温度6~28 d变化相符合,对陕西地区春季未来15 d最高温度预报有一定的指示作用。     

时空投影法在上海地区梅汛期降水延伸期预报中的应用

本文基于2001—2010年上海市11个基本气象站的逐日降水量和澳大利亚气象局的逐日大气低频振荡(MaddenJulian Oscillation,MJO)指数(包括RMM1和RMM2)资料,选取MJO指数作为预报因子,上海地区梅汛期降水量作为预报对象,建立了基于时空投影法(spatial-temporal projection model,STPM)的上海地区梅汛期降水延伸期预报模型。利用该模型对近6年(2011—2016年)的梅汛期降水进行回报试验,其预报技巧评估结果表明:该模型对未来10～25 d的降水具有较好预报效果,可较准确地预报出梅汛期3/4左右的降水量级和降水发生时段。其中,预报时效为10～20 d的预报技巧较高,而提前21～25 d的预报技巧略有下降。总体而言,基于MJO活动的STPM预报模型在上海地区梅汛期延伸期降水预报中具有较好的参考价值。     

基于季节内振荡的延伸预报试验

2～4周的延伸预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向。本文以江淮梅雨区降水为例, 在利用集合经验模态分解 (EEMD) 及多变量EOF方法获取梅雨区降水及其影响系统低频信号的基础上, 采用最优子集回归方法、 经验波传播 (EWP) 方法及全球海气耦合模式产品, 对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行了预报和试验, 以期为建立延伸期预报业务提供科学依据。试验结果表明: (1) 大气季节内振荡对梅雨区降水的延伸预报具有重要的应用价值, 可能是联系天气过程和异常的重要系统。(2) 通过EEMD方法提取前期降水演变及影响因子的季节内振荡信号, 采用最优子集回归统计学方法对梅雨区逐候降水量演变进行超前30天预报是有可能的。(3) EWP经验动力方法对热带ITCZ活跃异常的未来40天东传可能具有较好的预报效果, 还可能较好地预报出延伸期的梅雨区风场距平演变, 具有一定应用价值。(4) 全球海气耦合动力模式输出产品在延伸期环流形势趋势预报及20天左右的MJO指数预报方面有一定的参考价值。     

冬季长江下游地区气温低频振荡和低温天气的延伸期预报研究

用1979/1980～2017/2018年冬季逐日长江下游气温资料研究长江下游冬季低温日数与温度低频振荡的联系.结果表明,冬季长江下游逐日气温存在较显著的季节内振荡周期(15～25 d、25～40 d和50～70 d振荡),其中与12～2月低温日数关系最密切的是25～40 d振荡.基于2001～2018年逐日长江下游实...     

低频天气图方法在四川盆地夏季延伸期强降水预报中的应用

利用四川盆地2008~2013年夏季降水量资料以及500hPa风场资料,基于低频天气图方法,通过分析影响四川盆地强降水过程的500h Pa低频天气系统的活动规律,对强降水时段对应的低频风序列做经验正交分解,分析低频系统的主要空间分布型及其流场配置。统计降水时段对应的低频系统空间位置、分布及持续出现频数,划分出与预测区域降水过程密切关联的8个低频关键区,主要包括中低纬的西太平洋副热带高压及台风的主要活动区(1)、南海附近地区(2)、阿拉伯海和孟加拉湾附近地区(3),中高纬的蒙古至河套附近地区(5)和青藏高原及其以北的低频系统集中区域(6)这五个活跃关键区。计算各关键区低频系统历史周期发现低纬关键区(1、2、3)以及高原关键区(6)低频系统的周期都较短,而中高纬关键区(4、5、7、8)低频系统的周期相对较长。建立预测区域强降水过程的低频图预测模型。用此方法对2013年四川盆地延伸期强降水过程进行预报试验,发现预测6~7月上中旬的强降水过程效果较好,但对盛夏高温连晴伏旱时段(7月下旬8月)的预报能力有所下降。