10～30 d延伸期可预报性与预报方法研究进展

10~30d延伸期的可预报性既依赖于初始条件,也与缓变的下垫面有关,寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征,识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展,提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明,海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离,基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报,表现出一定的预报技巧。

2022年夏季我国气候异常特征及成因分析

2022年夏季我国气候异常特征突出,区域性、阶段性旱涝灾害明显,降水空间差异显著。利用观测资料和再分析数据,基于合成和相关分析等方法,总结和探讨东亚夏季风和我国气候异常特征及可能成因。结果表明:2022年东亚夏季风季节进程总体提前,南海夏季风爆发偏早,华南前汛期、西南雨季、江南和长江中下游梅雨、华北和东北雨季开始均较常年偏早。2022年夏季我国气候总体温高雨少,全国平均气温为1961年以来历史同期最高,全国平均降水量为历史同期第二少,盛夏长江流域发生破纪录的高温伏旱。夏季降水异常的阶段性特征显著,6月上中旬主雨带位于华南,6月下旬至8月,随西太平洋副热带高压明显北跳,多雨区北移至华北、黄淮、东北、西北地区东部等地,我国东部地区降水呈“北多南少”分布。2022年夏季气候异常与海温等外强迫因子密切相关。La Ni?a事件在春季再次发展,赤道中太平洋冷海温加强和海洋性大陆上空对流活跃,热带印度洋偶极子负位相异常偏强,黑潮及延伸区海温偏暖,导致西太平洋副热带高压加强西伸和北抬,对夏季主雨带位置偏北和长江流域持续性异常高温天气起到重要作用。

2017/2018年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

2017/2018年冬季,东亚冬季风强度较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强,季内冬季风强弱转换阶段性特征显著。欧亚中高纬以经向环流为主,乌拉尔山高压脊持续发展,东亚槽位置偏西。冬季冷空气过程频繁,受其影响,冬季东北地区气温显著偏低,而高原和西南地区西部异常偏暖。对2017/2018年冬季东亚冬季风偏强的可能原因分析表明,受北太平洋年代际涛动暖位相的调制作用,2017年秋季开始的La Ni?a事件对东亚冬季风的影响相对较弱。而冬季北半球极涡持续偏弱,北大西洋海温持续偏暖,中高纬环流系统异常和海温外强迫的共同作用,是东亚冬季风偏强的重要原因。

基于DERF2.0的月平均温度概率订正预报

国家气候中心第二代月动力延伸模式回算资料的分析表明,二代模式月平均温度预报与观测实况仍然存在较大偏差,模式预报有较大改进空间。本文采用非参数百分位映射法对模式月平均温度预报进行概率订正,该方法基于模式集合平均给出的确定性预报,结合模式回算资料各集合成员计算得到的模式概率密度分布,给出确定性预报在模式概率密度分布中的百分位值,并将百分位值投影到观测资料的概率密度分布中,得到模式预报的概率订正值。对订正前后模式预报的检验评估显示,该订正方案不仅有效降低了模式预报与实况的均方根误差(RMSE),对月平均温度距平分布的预报技巧也有所改善,不同超前时间模式预报的预测技巧评分(PS)和距平相关系数(ACC)均有提升,同时模式预报误差的大小对订正效果无明显影响。从分月的订正预报结果来看,对夏季各月的温度预测技巧的提升整体高于冬季各月。

2022年汛期气候预测效果评述及先兆信号分析

2022年汛期,国家气候中心准确预测了“全国气候年景总体偏差,区域性、阶段性旱涝灾害明显,降水空间差异显著,主要多雨区在我国北方”的总趋势,较好、较早把握了汛期主雨带位置和全国旱涝分布。对东亚夏季风和雨季季节进程“南海夏季风5月第3候爆发,长江中下游入梅偏早,梅雨量偏少,以及华北雨季开始偏早,雨量偏多”的预测与实况一致。对夏季台风生成个数较常年偏少,盛夏出现北上台风可能性大的预测与实况基本吻合。准确预测了全国平均气温趋势和高温异常特征。对“夏季我国中东部大部气温偏高,华东、华中、新疆等地高温日数较常年同期偏多,可能出现阶段性高温热浪”的预测与实况一致。主要不足之处是对长江中下游和川渝地区高温干旱的范围和极端程度估计不足。2022年汛期预测重点考虑连续La Ni a事件和印度洋偶极子负位相对东亚夏季风环流的影响,夏季西太平洋副热带高压强度偏强,脊线位置偏北,东亚夏季风偏强,初夏东北冷涡活跃,导致汛期主雨带位于东北、华北和西北地区东部等地。

基于DERF2.0的长江中下游春播期气候预测

基于1983—2012年国家气候中心第2代月动力延伸模式(DERF2.0)回报资料和春播历史资料,结合NCEP/NCAR再分析资料,选取影响长江中下游地区春播期气候条件的关键环流因子。利用最优子集回归方法建立针对长江中下游地区春播期气候条件的动力模式解释应用预测模型,并对不同起报时次的模式解释应用预测结果进行检验评估。检验结果表明:该解释应用方案对于长江中下游春播期气候条件有较好的预测能力,且随着起报时间的临近,预测技巧整体呈上升趋势。1983—2012年的回报检验还显示,解释应用方案能够较好地模拟出连续不利日数和不利日数的年际变率,同时对年代际变率也有所体现。

2016年10月我国降水预测失败的原因分析

本文回顾了2016年10月降水业务预报中考虑的动力模式预测信息、前兆信号及其影响。2016年10月全国平均降水量为1951年以来历史同期最多,且环流形势和要素分布特征在月内均发生明显转折。业务发布预报在华北南部、黄淮、江淮、江汉等地降水异常与实况存在较大差异,同时对月内环流形势调整及降水变率估计不足。数值模式预报和物理因子诊断预测与实况的对比分析表明,环流形势整体分布特征预报与实况较为一致,但对西太平洋副热带高压等环流因子的强度、西伸脊点位置以及月内变率的预报与实况存在较大差异。从大气对热带海温信号的滞后响应以及同期相关分析表明,El Nio事件次年秋季副热带高压往往持续偏强偏北。10月赤道太平洋东冷西暖,暖池区对流活跃,东亚上空出现的异常经向环流圈通过低层径向风异常及异常辐合辐散,在日本岛附近形成反气旋式环流距平,也有利于副热带高压加强北抬。9、10月热带印度洋偶极子负位相有利于印缅槽加强,从而有利于水汽向我国东部地区输送。来自副热带高压外围的异常东南水汽和来自西南的水汽共同输送到我国中东部地区,并与南下冷空气交汇产生异常水汽辐合,造成这些地区降水明显偏多。此外10月热带对流活动依然活跃,台风的生成、登陆个数均较常年偏多,是我国东南沿海降水偏多的主要原因。

2023/2024年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

利用国家气象信息中心整编发布的中国台站观测资料和全球大气再分析资料,分析了2023/2024年冬季我国气候异常特征和可能成因。2023/2024年冬季,全国平均气温较常年同期偏高0.3℃,气温冷暖起伏大,总体呈现“前冬暖、后冬冷”的季节内变化特征。全国平均降水量较常年同期偏多19.8%,中东部大部地区降水偏多。东亚冬季风和西伯利亚高压强度接近常年,东亚槽偏弱。欧亚中高纬500 hPa位势高度场呈西低东高的分布形势,并具有显著的阶段性变化特征,2023年12月和2024年1月以纬向环流为主,2月转为异常经向型环流,有利于中高纬冷空气南下入侵我国。受赤道中东太平洋厄尔尼诺、热带印度洋和大西洋海温异常偏暖以及北太平洋年代际涛动负位相等因子的协同影响,冬季西太平洋副热带高压偏强、偏西,菲律宾及南海上空异常反气旋阶段性活跃,欧亚对流层高层出现沿西风急流传播的波列,有利于热带水汽向我国中东部输送,配合中高纬冷空气南下,导致该地区发生多次大范围雨雪冰冻天气过程。

2012年汛期气候预测的先兆信号和应用

本文基于动力、统计预测方法提供的信息回顾了发布2012年汛期预测时考虑的先兆信号。2012年前期拉尼娜事件在冬季达到盛期、冬季北极海冰异常偏少、南极涛动强度是自1979年以来次强、青藏高原积雪偏多但气温偏高,这些特征对后期夏季风有明显影响。通过分析归纳,国家气候中心比较准确地预测了东亚夏季风偏强、我国夏季多雨带偏北、大部分地区气温偏高,6—8月热带气旋活跃的总体特征,以及南海夏季风爆发偏早、长江中下游梅雨偏少、华北雨季提前且雨量偏多的季节内过程演变趋势。最后讨论了汛期气候预测的可预报性和困难,提出今后需要深入研究的科学问题和业务应用问题。

2021年夏季我国气候异常特征及成因分析

2021年夏季我国天气气候异常特征突出,极端天气气候事件多,东部主要多雨区在我国北方,降水的季节内变化显著,华南前汛期开始偏晚、江淮流域梅雨和华北雨季开始偏早。东亚大气环流季节内变化对降水异常的空间分布影响较大。6月,东北冷涡活动频繁,导致东北及邻近区域降水异常偏多,黑龙江、嫩江流域发生严重汛情;东北冷涡的异常活跃可能受到前期北大西洋三极子海温持续正位相的影响。7月,长江下游至内蒙古东部的经向型多雨带及河南特大暴雨,主要受到台风烟花长时间维持和北上、偏强的大陆高压和偏东偏北的西太平洋副热带高压的综合影响;副热带大气环流表现出对前期La Ni a事件衰减的滞后响应可能是重要原因。8月,副热带高压异常偏强、偏南,水汽输送异常辐合区位于我国长江流域,导致持续时间长的“倒黄梅”天气;8月热带大气低频振荡处于印度洋达22 d,平均强度偏强,可能是导致副热带大气环流季节内转折的重要原因。

基于随机重排去趋势波动分析的极端高温事件研究及其综合指标的建立

基于中国气象局公布的1961-2006年中国165个国际交换站无缺测的逐日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法,计算并分析了中国极端高温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验。从可预报性的角度给出了极端高温事件强度综合指标的定义。该综合指标将极端高温事件的发生频次和强度综合起来,兼顾不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明综合指标定义的合理性。基于极端高温事件综合指标的空间分布规律,将1961-2006年间中国极端高温事件分为4个不同等级的地区。极端高温事件综合指标在20世纪90年代初期之前一直保持平稳的波动变化,之后则一直处于上升之中,尤其是在90年代中后期开始迅速上升。

海温异常对中国汛期降水的影响及预测应用

以厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)循环和其他关键区海温对东亚季风关键系统影响机理的科学认知与应用为线索,回顾我国汛期降水业务发布预测的技巧。按照三类雨型划分,1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为50%、60%、50%、70%;按照四类雨型划分,1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为30%、30%、40%、50%,即我国汛期旱涝空间分布型的预测准确率明显提高。筛选预测准确率偏低且有显著洪涝发生年用于复盘,重点分析当年的主要预测依据和预测偏差较大的原因。结果表明:对海温影响东亚夏季风系统机理的有限认知影响很大,包括ENSO循环不同位相的影响、ENSO影响的不对称性、ENSO空间型的变化、印度洋等海域海温异常的影响均起重要作用,提出多因子多时间尺度协同作用理论、客观化预测方法、精细化监测预测影响评估一体化系统建设等有助于提高精准化预测能力和精细化服务水平。

2021年汛期气候预测效果评述及先兆信号分析

2021年较准确预测了我国汛期(5—9月)“气候状况总体为一般到偏差,旱涝并重,区域性、阶段性旱涝灾害明显,极端天气气候事件偏多,主要多雨区在我国北方”的总趋势。准确预测了海河流域局部、松花江流域、长江上游和下游可能有较重汛情。对夏季(6—8月)降水预测不足包括:预测的北方多雨的异常程度与实况存在偏差,即对降水极端性的预测能力有限;预测的西北地区东部和华南东部降水偏多、长江中游偏少与实况相反,对旱情预估不足。6月发布的盛夏(7—8月)预测,扩大了北方多雨区范围,预测长江中下游及其以北地区大范围降水偏多,与实况更吻合。在2021年3月发布汛期预测前,重点考虑了太平洋十年际振荡冷位相、La Nina事件衰减、冬季青藏高原积雪异常偏少和北大西洋三极子正位相等多个先兆信号对东亚夏季风的综合影响,结合动力模式对夏季东亚大气环流的预测信息,成功预测出东亚夏季风偏强和主要多雨区在我国北方地区。而对东亚夏季风环流季节内变化和区域降水极端性的预测有较大偏差,外强迫信号和国内外主要动力气候模式对此的预测能力均有限。最后,将2021年外强迫信号及大气环流与2020年做了对比,指出影响汛期降水因素的复杂性,还需深入开展相关研究。

2018年中国气候主要特征及主要天气气候事件

2018年,我国气候属于正常年景,气候灾害偏轻。全国平均气温为10.09℃,较常年偏高0.54℃,春、夏季气温创历史新高,秋、冬季气温接近常年。全国平均降水量为673.8 mm,较常年偏多7.0%。全国降水夏、秋季偏多,冬季偏少,春季接近常年同期。华南前汛期开始晚,结束早,雨量少;西南雨季开始和结束均接近常年,雨量多;入梅晚、出梅早,梅雨量少;华北雨季开始和结束均早,雨量多;华西秋雨开始和结束均晚,雨量少;东北雨季开始和结束均接近常年,雨量少。2018年,生成和登陆台风多、登陆位置偏北、灾损严重。低温冷冻害及雪灾频发,损失偏重。其他气象灾害,如暴雨洪涝、干旱、强对流、沙尘暴影响均偏轻。

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。

Trend of extreme precipitation events over China in last 40 years

Using the daily precipitation data of 740 stations in China from 1960 to 2000, the analysis on the variations and distributions of the frequency and the percentage of extreme precipitation to the annual rainfall have been performed in this paper. Results indicate that the percentage of heavy rains （above 25mm/day） in the annual rainfall has increased, while on average the day number of heavy rains has slightly reduced during the past 40 years. In the end of 1970s and the beginning of 1980s, both the number of days with extreme precipitation and the percentage of extreme precipitation abruptly changed over China, especially in the northern China. By moving t test, the abrupt change year of extreme precipitation for each station and its spatial distribution over the whole country are also obtained. The abrupt change years concentrated in 1978-1982 for most regions of northern China while occurred at various stations in southern China in greatly different/diverse years. Besides the abrupt change years of extreme precipitation at part stations of Northwest China happened about 5 years later in comparison with that of the country＇s average.

2022年秋季我国气候异常特征及成因分析

2022年秋季,全国气候总体呈现暖干的特征,其中南方大部出现持续高温干旱。秋季平均气温为1961年以来历史同期最高。秋季降水季节内变率大,9月全国大部降水偏少,10月降水总体呈现南北少、中间多,11月我国中东部大部降水偏多而西部大部降水偏少。9—10月环流异常特征显示我国南方上空为偏北风距平,来自南海和西北太平洋的水汽输送条件极差,西北太平洋副热带高压偏强偏西,我国南方受下沉运动控制,有利于大部地区降水偏少、气温偏高,出现持续干旱。海温外强迫影响分析显示,2022年秋季印度-太平洋暖池异常偏暖,热带太平洋中东部偏冷,赤道印度洋西部偏冷,对应赤道印度洋上空纬向季风环流和太平洋上空Walker环流之间为显著的耦合特征。热带印度洋偶极子(TIOD)显著影响区域为江南西部和西南地区东南部,厄尔尼诺-南方涛动显著影响区域是江南大部和华南北部。即2022年秋季我国南方降水异常偏少受到TIOD负位相和拉尼娜状态的协同影响。

Analysis of precipitation characteristics of South and North China based on the power-law tail exponents

Precipitation sequence is a typical nonlinear and chaotic observational series, and studies on precipitation forecasts are restricted to the use of traditional linear statistical methods, especially when analysing the regional characteristics of precipitation. In the context of 20 stations＇ daily precipitation series （from 1956 to 2000） in South China （SC） and North China （NC）, we divide each precipitation series into many self-stationary segments by using the heuristic segmentation algorithm （briefly BG algorithm）. For each station＇s precipitation series, we calculate the exponent of power-law tall （EPT） of the cumulative probability distribution of segments with a length larger than l for precipitation and temperature series. Our results show that the power-law decay of the cumulative probability distribution of stationary segments might be a common attribution for precipitation and other nonstationary time series; the EPT somewhat indicates the precipitation duration and its spatial distribution that might be different from area to area. The EPT in NC is larger than in SC; Meanwhile, EPT might be another effective way to study the abrupt changes in nonlinear and nonstationary time series.

近50年中国降水及温度变化在干旱形成中的影响

根据中国气象局1958—2007年194站的温度、降水和Palmer旱涝指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)均一化数据库,构建统计模型量化了温度和降水变化在干旱形成中所占的比重,尤其讨论了中国8个气候区域温度和降水变化在干旱成因中的特征.受全球增温趋势的影响,未来中国北方地区的干旱化趋势仍将继续.未来五年内干旱发生概率较大的地区主要分布在中国华北,且有持续向南扩张的趋势,一直延伸到江淮地区.在全球变暖的背景下,降水减少仍然是中国东部干旱形成的主要因素.相对于南方地区,中国华北、东北及西北东部等干旱与半干旱区的干旱化进程对温度比降水变化更为敏感.

中国近50年气候破纪录温度事件发生概率分析

随着全球变暖趋势的不断增强,破纪录温度事件(record breaking temperature events,RBTE)发生的频次呈现不断增加的特点.基于已知当前年份的温度记录,未来五年内这个记录被打破的概率是多少?即未来五年内发生新的RBTE的概率是多少?这是目前国内外学术界关注的前沿科学问题之一.文中基于概率统计模型研究在不同情景下RBTE发生概率,并与实际观测资料检测结果作对比分析,研究近50年中国RBTE发生概率的变化与全球增暖的关系.结果显示,RBTE发生概率的大小依赖于温度的增长趋势和相关.文中给出了RBTE与全球增暖的定量关系,加深了全球增暖背景下RBTE发生频次、强度有增加趋势的认识,有利于极端事件的监测、检测和预警业务系统的建设.