基于机器学习的中国夏季降水延伸期预报及土壤湿度的可能贡献

延伸期预报准确率较低的问题仍然是目前重要的科学难题,做好延伸期预报对防灾减灾具有重要意义。本文利用机器学习方法开展了中国夏季降水延伸期(5~30天)预报试验,并探讨了土壤湿度对降水延伸期预报的可能贡献。结果表明机器学习方法的预报结果准确率要比传统线性模型方法有较大改善,且在诸多机器学习方法中,以Catboost, Lightgbm和Adaboost三个机器学习模型为最优。进一步分析发现长江流域表层土壤湿度异常导致的蒸发异常和感热异常,能够引起大气环流和垂直运动异常,最终对夏季降水产生影响。使用三个最优的机器学习方法的集合计算出模型中各个预报因子的贡献率,发现在长江流域的延伸期降水中,局地土壤湿度主要在5~10天占主导作用,而前期降水主要在10~15天占主导作用,长江流域20~30天的延伸期降水基本上受到大尺度环流控制。还评估了非局地土壤湿度在延伸期降水中的作用,发现中南半岛表层土壤湿度主要对15~30天的长江流域延伸期降水有重要贡献。将中南半岛表层土壤湿度加入到东北地区延伸期降水模型中,发现对该地区延伸期降水预报准确率并无提升作用,验证了机器学习模型的可用性。该研究为延伸期降水预测以及探究预报因子贡献率提供了一定的参考。

时空投影模型在东北夏季降水延伸期预报中的应用和检验

基于1979—2021年东北地区逐日降水数据和NCEP/NCAR大气再分析资料,采用旋转经验正交函数分解、集合经验模态分解,分析了东北夏季低频降水的历史规律,结合低频降水及其相关的大气季节内振荡,利用时空投影模型(STPM)对低频降水进行延伸期预报。结果表明:东北地区低频降水有明显的地域性差异,不同区域低频降水的周期有明显的年际变化,周期以10~40 d为主,40~80 d为辅。10~40 d低频降水的预报关键信号为热带大气季节内振荡、欧亚遥相关、丝绸之路遥相关低频波列和西太平洋附近的纬向风场;40~80 d低频降水的预报信号则主要来自东北地区周边的要素场。对东北地区不同频段降水的低频分量进行延伸期逐候回报试验表明,预报能力随提前预报时间的增加而降低。10~40 d低频降水分量的预测时效为10 d;40~80 d低频降水显示出了较高的预报技巧,预报时效可达30 d左右。

中国南方冬季最低温延伸期预报方法尝试

未来10~30天的延伸期预报一直是当前的难点问题.本文针对对极端低温事件异常敏感的中国南方地区,构建了预报时效为25天的冬季最低温的有效延伸期预报模型.利用1979/1980—2019/2020年冬季日平均再分析资料,本文研究发现,在季节内尺度,相比于原始变量,利用当候值减去其5候前值的增量方法可以放大和延长预测信号.中国南方地区的土壤温度和平流层50 hPa位势高度作为影响南方冬季最低温的关键因子,它们通过影响西伯利亚地区环流异常、北大西洋涛动以及欧亚遥相关型,对中国南方冬季最低温进行调制.由于两个增量形式的关键因子具有50天的准周期性,存在超前5候的显著自相关,超前5候增量形式的土壤温度和平流层极涡异常可以有效预报我国南方最低温增量.将预报的最低温增量,加上5候前的观测,得到的独立试报时段(2009/2010—2019/2020年冬季)的最低温与观测的时间相关系数为0.45,极端低温日命中率为57%.本研究使用的增量方法可以为当前极端天气事件的延伸期预报提供新思路.

气候变化对延伸期预报的影响

10~30 d时效的延伸期预报,作为无缝隙预报预测体系中至关重要的一环,连接着天气预报和短期气候预测。受不断加剧的气候变化的影响,延伸期预报将面临更为重大的挑战。首先概述国内外延伸期预报现状,然后分析了全球气候变化对极端天气气候事件分布特征、关键环流系统可预报性等方面的影响,发现气候变化将导致延伸期预报难度加大、需求更加旺盛,同时也更加突显延伸期预报在防灾减灾方面的作用。进一步展望延伸期预报将面临的新挑战以及未来业务发展的新动向,提出了适应气候变化的应对措施和建议,如大力发展数值预报模式、深入开展延伸期预报机理研究、大力发展动力—统计相结合的预报方法以及尝试多学科交叉协作等。

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。

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 700hPa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。

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2～4．1d、8d、13-3d、40～60d和120d变化等5种时间尺度的准周期振荡，其中准单周变化、11～21d、21～80d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5d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5d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24d和29d外，前33d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34d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0～2d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。

自回归统计模型在延伸期预报中的应用

主要参考美国Jones等的统计预报模型,结合本地区研究特点,建立5-10月的夏季预报模型。利用1998—2007年的NCEP逐日700 hPa风场资料,使用向量场的自然正交分解所得的主成分,结合自回归及多元回归等统计方法,建立低频（30-50天）统计模型,用最近5候的前五个主成分来预报未来5候的时间主成分,最后将空间部分与所得的未来时间部分还原为低频风场。结果表明,低频经向风预报与低频纬向风相比较好,该模型对未来3-5候长江中下游的预报结果有参考价值。

2002年夏季东亚地区环流20-30d主振荡型延伸期预报研究

用2002年3—9月逐日东亚地区850hPa经向风场资料建立主振荡预测模型(POP),对影响长江下游地区强降水过程的主要低频经向风场(20—30d时间尺度)的时空变化进行10—30d延伸期独立预报试验。试验结果表明,在夏半年135次预测中提前20d预报的相关预报技巧在0.50以上,很好地预报了夏季3次强降水过程对应的经向风的低频变化过程。对20—30d振荡显著的多年资料预报试验表明,这些预测模型是预报低频环流时空演变的有效工具,对于提高未来3—4周长江下游强降水过程的预报准确率有重要意义。

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再分析日平均格点资料,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。

延伸期预报中大气初值与海温边值的相对作用

初始条件记忆和下垫面条件是延伸期可预报性的主要来源,它们在不同时段、不同区域的相对作用存在明显不同。利用中国国家气候中心最新一代大气环流模式BCC_AGCM,设计了由4组不同大气初值与海温边值构成的组合试验,研究了(大气)初值与(海温)边值对全球不同区域延伸期预报的相对作用。结果显示,模式预测技巧在3周以内强烈依赖于初值。在相同的边值条件强迫下,不同初值在月内尺度上的预测技巧差异非常明显,且在更长的时间尺度上,初值仍然能够提供一定的预测信息。从全球来看,边值强迫对预测技巧的影响从一周左右开始。在低层的850 hPa高度场上,边值的作用在热带地区于第4—5候与初值相当,其他区域的边值影响达到与初值相当的时间滞后于热带地区;在北半球500 hPa高度场上,边值的作用在热带地区第5候前后达到与初值作用相当,其他区域这个时间则推迟至第6候前后,比对低层的影响时间滞后1—2候;对于东亚地区而言,边值的贡献在第2候就已显现,对预测技巧产生了明显的改进。在延伸期尺度上,边值强迫主要作用的区域为低纬度区域,且对500 hPa高度场的影响更为稳定,在该区域第5候以后有较为明显的改进。初值与边值对延伸期预报都具有相当重要的作用,认识初、边值条件的相对作用能够为延伸期预报的改进奠定基础。

大气低频振荡在延伸期预报中的应用进展

延伸期预报是当前的服务重点,又是预报技术难点。近年来,根据大气低频振荡的特征,我国延伸期预报的研究和应用取得了一定的成果。为此,介绍了大气低频振荡与延伸期预报的一些进展。主要内容包括:(1)大气低频振荡与延伸期预报的可行性分析;(2)大气低频环流场的延伸期预报;(3)大气低频振荡的延伸期降水趋势预报;(4)大气低频振荡的延伸期天气过程预报。最后阐述了未来大气低频振荡研究前景的展望,并提出了低频天气学和低频动力学问题。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,特别介绍了一种新的预报方法——低频天气图,及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)以及它们的活动特征可以被用来定性地确定低频偏南(暖空气)和低频偏北(冷空气)气流的汇合,引起降水过程。2008,2009和2010年夏季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15～45d,可以在延伸期业务预报中应用。

10~30d延伸期预报及其策略思考

在当前的气象预报业务中，10-30 d的延伸期预报是“无缝隙预报”中的难点。由于理论基础尚不完备，致使延伸期的准确预报还存在诸多困难。但对10-30 d延伸期预报业务迫切的社会需求，使其成为众多气象专家关注的研究热点。本文对10-30 d延伸期预报的概念、意义进行了阐述，在此基础上对其物理过程性质和预报困难的原因进行了分析。讨论了延伸期预报的预报对象，并在借鉴前人成果的基础上，总结归纳出了低频振荡方法、经验波传播方法、相似预报方法、物理统计方法、动力学方法（集合预报方法）、大气环流模式和中期模式集合方法、动力统计方法、综合集成方法等8种做延伸期预报的方法。

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。

延伸期预报的思考及其应用研究进展

10～30d延伸期预报是介于常规天气预报和短期气候预测之间的预报"缝隙",既是国际学术界关注的热点问题,又是当前预报决策服务的重要发展方向。近年来,我国诸多科研业务单位相继开展了延伸期预报研究及预报应用,并在业务实践中取得了一定效果。针对延伸期预报的可行性,本文就延伸期预报是什么,能否做,如何做,怎么评价,未来前景如何等方面的问题进行了思考和讨论。特别重点介绍了国内在进行延伸期预报业务试验方面的实际进展。在讨论如何为延伸期预报评分时,提出了预报时效应与预报精度相对应匹配的观点。

长江三角洲梅汛期降水与大气环流季节内演变的关系及延伸期预报

基于1981—2020年长江三角洲(简称长三角)地区62个国家基本气象站的逐日降水量资料及NCEP/NCAR全球大气逐日再分析资料,分析了长三角地区梅汛期降水与前期大气环流季节内协同演变的关系,在此基础上利用改进的时空投影方法(STPM)构建了针对该地区梅汛期降水的延伸期预报模型。结果表明:(1)长三角地区梅汛期降水存在显著的10—80 d季节内振荡,且振荡强度有明显的空间差异和年际变化,降水量越大对应的季节内振荡越强。(2)梅汛期降水发生前15—10天大气环流发生季节内调整,热带低频对流活跃并出现经向传播,在西北太平洋、长江流域至黄淮—日本海的对流层低层(高层)激发反气旋(气旋)—气旋(反气旋)—反气旋(气旋)的低频波列,建立起低层辐合、高层辐散的环流配置,长三角地区对流增强;大气低频响应导致南亚高压季节内南北振荡和东西进退明显,西太平洋副热带高压在长三角东南侧稳定维持,上述低、中和高纬度环流的季节内动态协同演变共同促进了该地区梅汛期低频降水的发生。(3)将影响梅汛期降水的前期大气环流季节内动态演变过程作为预报因子,基于STPM方法训练得到长三角梅汛期降水的延伸期逐候预报模型,近10年的独立回报评估显示该模型对梅汛期未来10—25 d降水有较高的预报技巧。

基于卷积神经网络的长江流域夏季日最高温度延伸期预报方法研究

长江流域是我国夏季高温热浪灾害的多发区之一,该地区日最高温度(T_(max))具有显著的低频(10~30 d和30~60 d周期)变化特征,超前-滞后相关分析和气温方程诊断的结果显示,影响长江流域T_(max)低频变化的大尺度环流/对流信号包含:自欧亚大陆东移南下的低频波列,自东北亚向西南方向传播的异常环流,以及由西太平洋向东亚传播的低频对流;这些低频对流/环流活动通过改变辐射加热过程及绝热过程,导致长江流域T_(max)的低频变化。为了客观且有效地辨识和捕捉这些先兆信号,并考虑长江流域T_(max)与大尺度因子间的非线性作用,本文采用机器学习方法中的卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)对大量历史数据进行训练,并构建了长江流域T_(max)的延伸期预报模型。在独立预报阶段,CNN预报模型对长江流域区域平均T_(max)的预报时效达30 d,提前5~30 d预报的T_(max)与观测T_(max)的时间相关系数介于0.63~0.70(通过99%置信度的显著性检验),量级偏差(均方根误差)小于1个标准差,显示出CNN在延伸期灾害天气预报的应用潜力。

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。

基于偏最小二乘回归方法的西北区寒潮延伸期预报

利用2000—2013年西北地区376个国家站逐日最低气温及NCEP FNL再分析资料,基于西北区站点降温幅度和欧亚大陆500 hPa低频高度场,使用偏最小二乘回归方法建立西北区站点寒潮延伸期预测模型,分别以2017年1月的一个寒潮日和非寒潮日为例进行预测试验,并对2014—2017年冬半年(共728 d)西北地区的寒潮进行回报试验。结果表明,该模型能够提前10~30 d较好预测寒潮日与非寒潮日,对寒潮日提前10~30 d预测的降温幅度≥8℃的站数平均为32.9个,命中率最高可达67%,而对非寒潮日提前10~30 d预测的降温幅度≥8℃的站数平均为2.7个。对2014—2017年冬半年西北地区延伸期寒潮日的预测结果显示,该模型提前10~30 d预测的平均站点命中率为11.5%,空报率为70.3%。规定降温幅度≥8℃的站数超过15个时为一个寒潮日,则平均CS评分为0.1,预测的寒潮日与实际寒潮日对应最好。该模型可用于西北区地区延伸期寒潮的预测,具有一定的参考价值。

大气季节内振荡的研究进展及其在延伸期预报中的应用

回顾和总结了大气季节内振荡(ISO)的主要研究成果,尤其是新近的研究成果,主要包括大气ISO的基本特征和活动规律、与ENSO的相互作用、动力学机制及其对我国天气和气候的影响;重点讨论了季节内振荡在延伸期预报中的可能应用,并从季节内振荡的角度提出了制作延伸期预报的思路和流程。