西北太平洋热带气旋频次的延伸期动力-统计预报方法和评估

介绍了西北太平洋热带气旋(TC)频次的延伸期预报方法,比较了新构建的动力-统计和统计预报模型的预测技巧,并探讨了预报误差来源及改进方向。动力-统计预报模型是基于动力模式预测的热带季节内振荡(ISO)信号及ISO-TC生成的同期统计关系来进行预报;统计预报模型则是基于TC生成的前兆ISO信号建模预报。预报评估结果显示,动力-统计混合预报模型的预报技巧高于统计预报模型,原因在于影响TC次季节变化的前兆信号并不稳定,且随着预报超前时间迅速消散,无法提供有效且稳定的可预报源;相反地,TC生成与同期的ISO背景场显著相关,动力模式对ISO(预报因子)有较好的预报能力,因此动力-统计相结合的预报方法为TC延伸期预报提供了有效途径。虽然目前动力-统计预报模型的预报技巧可达5~6周,但仍有进一步改进和提高的空间。通过对不同类型TC预报技巧检验和误差分析,研究认为年际和年代际背景场对ISO调控TC活动的影响不可忽略,且热带外ISO信号(如罗斯贝波破碎和西风急流强度等)对TC频次和轨迹也有显著影响,这些因子为TC延伸期预报提供了潜在可预报源。

10—20d和30—60d低频振荡对华南前汛期持续性暴雨的影响差异及机制研究

利用中国气象局发布的《区域性重要过程检测和评价业务规定》中对省级区域性暴雨过程的统计数据,NOAA气候预测中心降水、向外长波辐射(OLR)资料以及ERA-Interim再分析资料,探讨了10—20 d和30—60 d两类低频振荡对华南前汛期持续性暴雨的相对重要性,并基于尺度分离的水汽方程和垂直速度方程诊断了相关物理机制。结果表明,10—20 d准双周振荡对暴雨强度的影响较为显著,而30—60 d季节内振荡与暴雨持续时间相关较高,表明持续性暴雨事件与低频降水的发生和演变关系密切。通过对低频降水的热力和动力过程诊断,发现10—20 d低频降水的水汽来源主要为水汽平流过程,而导致水汽平流正距平的主要原因是10—20 d风场和背景水汽场的相互作用;而对于30—60 d低频降水而言,水汽平流和水汽辐合均为扰动水汽的累积做正贡献,但其中水汽平流更加重要,其主要来源于平均风场和30—60 d水汽场的相互作用。有利于两类低频降水发生的动力条件,即垂直上升运动,其主要源于平均风场和扰动涡度场相互作用引发的垂直涡度平流梯度。以上结果显示,提高模式中低频振荡与季节平均状态尺度相互作用的刻画能力,是改进预报持续性暴雨的关键。

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合延伸期预报

延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节,如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料,通过奇异值分解方法,揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式(BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式)的回报数据,对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度,构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段(2014年12月—2019年8月)的结果表明,BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水;提前15—20 d以上预报时,动力-统计结合预报模型对冬季(夏季)华南沿海地区(长江以北地区)的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。

双低空急流对“21·7”河南极端暴雨的影响

利用全国自动气象站降水观测资料和欧洲中期预报中心(ECMWF)的ERA-5再分析资料,分析了2021年7月19~22日河南极端暴雨过程中双低空急流对降水的影响。结果表明,此次降水过程中,天气尺度低空急流(SLLJ)随低涡的发展自西南向东北移动,风向由东南风转为偏南风;边界层急流(BLJ)存在偏东向东南风的偏转,且其强度具有夜间强白天弱的日变化特征。降水过程存在两类耦合方式,第一阶段[19日20时(北京时,下同)至20日18时]为偏东风BLJ(E-BLJ)与东南风SLLJ(SE-SLLJ)的耦合形势,第二阶段(20日18时至22日08时)为东南风BLJ(SE-BLJ)与偏南风SLLJ(S-SLLJ)的耦合形势,降水均发生在BLJ的出口区和SLLJ的入口区。E-BLJ与SE-SLLJ耦合时,E-BLJ出口处的强辐合叠加山脉的动力抬升作用使降水区域对流层低层大气辐合,SLLJ入口区和天气尺度低涡系统使对流层中层大气辐散,为中尺度对流的发展提供了强有力的抬升触发机制。由于E-BLJ的范围较小、强度较弱,因此E-BLJ和SE-SLLJ的耦合作用相对较弱,降水主要受SLLJ的显著影响。SE-BLJ与S-SLLJ耦合时,SE-BLJ出口区的辐合与SLLJ入口区的辐散增强了对流层低层的上升运动,对流层中层的中尺度辐合与高空急流入口区右侧的辐散进一步增强了对流层中高层的上升运动。受双低空急流的共同影响,中尺度对流系统的强度和高度强烈发展,促进了强降水的发生。两种耦合方式下,双低空急流的水汽输送对强降水均具有重要作用,第一阶段SLLJ的水汽输送作用明显,而第二阶段BLJ的作用更加显著。

时空投影模型(STPM)的次季节至季节(S2S)预测应用进展

随着数值天气预报技术和季节动力预报系统的发展,短期天气预报及长期气候预测的能力持续提高,然而介于两者之间的次季节至季节(S2S,两周至三个月)预测技巧偏低,成为当今气象学界和业务服务的难题。南京信息工程大学国家特聘专家李天明教授团队于2012年研发了基于时空投影技术的统计预报模型(STPM),成功地对中国大陆降水和气温距平,以及区域极端降水、夏季高温、冬季低温和西太平洋台风群发事件等高影响天气进行提前10~30 d的预报,并在国家气候中心及多个省份开展了业务应用。STPM也成功应用于台湾春雨预报、南海季风爆发和ENSO预测等季节至年际变化的预测。本文对S2S预测的理论基础、STPM的发展和应用进行了完整的介绍,并讨论了S2S预测业务中所面临的挑战和未来展望。

中国东南部地区4-6月强降水的低频变化特征

利用全国2 400多台站逐日降水资料,分析了中国东南部地区4—6月10-30 d低频强降水的时空变化特征。结果表明：4—6月10-30 d低频强降水的方差大值区在中国的长江及其以南地区,中心位于江南的中东部,东南部地区4—6月10-30 d低频强降水距平的第一模态反映该区域呈一致变化。功率谱分析表明第一模态时间变化的周期以10-30 d低频分量为主。根据区域强降水及其10-30 d低频强降水、区域强降水正交经验函数（EOF）分析的第一模态时间系数（PC1）及PC1的10-30 d低频分量的年际方差,结合它们两两之间逐年的相关系数,确定了区域强降水10-30 d强振荡典型年份。对典型年降水异常分布的方差分析,表明强振荡年区域总降水量异常主要是由10-30 d强降水的低频变化引起的。

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。

中国南海夏季风强、弱年多尺度相互作用能量学特征

中国南海夏季风为东亚季风的主要系统之一,其具有多重尺度特征,除季节平均环流场外,低频(季节内振荡)和高频(天气尺度)扰动也十分活跃,各尺度系统存在明显的年际变化。该研究使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析资料,从季风平均动能(MKE)诊断的角度出发,探讨了1979—2010年中国南海夏季风环流年际变化的能量来源及其和扰动场的相互作用过程。结果表明:中国南海夏季风对流活跃年份,中国南海南部(12°N以南)及中南半岛一带为季风平均动能显著增强区,此与南亚季风区西风急流的增强并向东延伸有关;中国南海北部(12°N以北)及西太平洋为气旋性环流盘踞,季风槽加深。中国南海南部季风平均动能增强的能量源自于扰动动量通量与平均环流的相互作用,强季风年,平均环流失去较少的动能给扰动场(亦即平均环流保留较多的动能)。通过进一步探讨高频(<10d)及低频(10—90d)扰动场与平均环流不同分量的(散度、涡度、风垂直切变)相互作用过程,发现季风平均动能的增长主要来自于<10d扰动与季风平均散度和涡度的相互作用。中国南海北部季风槽区季风平均动能的维持来自于大气热源和平均上升运动的相互作用,但同时有较多的季风平均动能向扰动动能转换,有利于扰动的成长。因此,强季风年,中国南海北部热带气旋生成数目增多,夏季北传的季节内振荡也增强,导致中国南部沿海及华南地区出现较多的灾害天气。

BCC S2S模式对亚洲夏季风准双周振荡预报评估

利用1994-2013年ERA-Interim及NCEP/NCAR再分析数据,对国家气候中心(BCC)次季节到季节尺度模式(S2S)1994—2013年的回报试验数据进行亚洲季风区准双周振荡(QBWO)预报能力评估,并诊断模式预报误差来源。结果表明:BCC S2S模式对QBWO的预报能力随着预报提前时间的增长而降低,9d后预报技巧明显减弱,其周期、传播特征和强度出现误差;在提前9d预报中,印度洋地区QBWO对流-环流系统结构松散,信号偏弱,对流向东传播,这与印度洋平均态的预报误差有关,夏季对流平均态低层水汽场在西太平洋和阿拉伯海较强,而东印度洋、孟加拉湾一带偏弱;西北太平洋地区QBWO具有向西北传播的特征,但强度偏弱,可能原因是预报低估了QBWO对流西北侧低层涡度的超前信号,经涡度方程诊断发现,地转涡度平流正贡献微弱,相对涡度平流在对流西北侧引发负涡度,从而减弱了对流西北侧由低层正涡度引发的有利条件。

2015年西北太平洋台风季提早展开：2015/2016超级厄尔尼诺的影响

2015年1—5月西北太平洋上异常出现了7个热带风暴（Tropical Storms,TS）,其中有5个发展成台风（Typhoons,TY）,分别为气候平均态（1979—2015年）的2.5和3.6倍,亦即2015年的台风季提前展开。利用ERA-Interim再分析资料、JTWC热带气旋最佳化路径数据等资料,通过计算台风生成指数（Genesis Potential Index,GPI）和比较天气尺度和季节内振荡分量,探讨2015年台风季提前的原因。结果表明：1）2015年初异常活跃的台风活动与2015/2016年超级El Nino事件于西北太平洋上引发的海气状态异常有关。2）通过对大尺度环境场和台风潜在生成指数（GPI）的诊断分析发现,动力因子（低层涡度、垂直速度）和热力因子（与海表面温度、大气温度有关的潜在强度、中低层大气相对湿度）均对2015年1—5月台风的发生有正贡献。其中,涡度项的贡献最大,相对湿度的贡献次之。3）3-10 d天气尺度扰动和10-90 d季节内振荡在2015年1—5月也异常活跃,有利于TS和TY的生成与发展。

热带和中高纬季节内振荡的动力机理及延伸期预报方法研究

我国是世界上受气象灾害影响较严重的国家之一。据统计,每年因气象灾害造成的经济损失相当于我国生产总值的1 %~ 3 %。在影响我国的气象灾害中,8 0 %左右是由大范围、超过天气时间尺度(3 ~ 5 天)的持续性异常天气气候过程所引起,这些过程包括洪涝、干旱、高温热浪、低温冷害、雨雪冰冻等。例如1991年7 月上中旬,江淮地区发生持续性特大暴雨洪涝灾害,造成受灾人口 1 亿以上,受灾作物面积1 5 0 0多万公顷,绝收2 4 0 多万公顷,直接经济损失达7 0 0亿元左右。