FODAS在新疆夏季降水預(yù)測中的應(yīng)用與檢驗(yàn)

段均澤,陳鵬翔,周雪英

(1.新疆氣候中心,烏魯木齊 830002;2.巴音郭楞自治州氣象局,新疆庫爾勒 841000)

FODAS在新疆夏季降水預(yù)測中的應(yīng)用與檢驗(yàn)

段均澤1,陳鵬翔1,周雪英2

(1.新疆氣候中心,烏魯木齊 830002;2.巴音郭楞自治州氣象局,新疆庫爾勒 841000)

利用國家氣候中心海氣耦合模式(BCC_CGCM)季節(jié)預(yù)測結(jié)果資料(2008—2012年)、降水實(shí)況資料CMAP(1983—2012年),采用PS評分對近5年動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)氣候預(yù)測系統(tǒng)(FODAS1.0)不同方法的夏季預(yù)測產(chǎn)品進(jìn)行回報(bào)檢驗(yàn),并與業(yè)務(wù)評分進(jìn)行對比,從而檢驗(yàn)FODAS1.0對于新疆夏季降水的預(yù)測效果。結(jié)果表明:熊開國-固定因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、熊開國-異常因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、系統(tǒng)誤差訂正、熊開國-固定因子和異常因子的集成方法得分較高,高于新疆夏季降水預(yù)測業(yè)務(wù)評分。總體來看,熊開國方法 (方法I)的預(yù)測效果比楊杰方法(方法II)的預(yù)測效果穩(wěn)定。

FODAS;季節(jié)氣候預(yù)測;應(yīng)用檢驗(yàn);新疆

在短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中,預(yù)報(bào)方法一般有動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)兩種方法。由于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法無法解釋物理機(jī)制的缺陷,所建立的預(yù)報(bào)對象和預(yù)報(bào)因子之間多是統(tǒng)計(jì)關(guān)系,動(dòng)力學(xué)意義不足,歷史擬合率可能較高,但預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有限且不穩(wěn)定;而傳統(tǒng)動(dòng)力模式預(yù)報(bào)方法,僅考慮了大氣的初始狀態(tài),沒有考慮大氣的歷史演變狀況[1-3]。丑紀(jì)范[4]曾明確指出,要提高短期氣候預(yù)測準(zhǔn)確率,需要走統(tǒng)計(jì)與動(dòng)力相結(jié)合之路,這同時(shí)也是我國近代氣候業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的要求。動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)氣候預(yù)測系統(tǒng)1.0版本(Forecast SystemonDynamicalandAnalogySkills1.0,以下簡稱FODAS1.0),是以氣候模式作為動(dòng)力核心,分析模式誤差的特征,將其作為預(yù)報(bào)對象;以歷史相似作為統(tǒng)計(jì)核心,進(jìn)行有針對性的預(yù)報(bào),并將動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合。即在對國家氣候中心海氣耦合模式 (BCC CGCM)的季節(jié)降水預(yù)報(bào)誤差分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合126項(xiàng)海氣系統(tǒng)的氣候因子,診斷模式存在誤差的主要原因,確定既有一定物理意義,同時(shí)與模式預(yù)報(bào)誤差又有一定聯(lián)系的關(guān)鍵因子;基于關(guān)鍵因子選取歷史相似年的模式預(yù)報(bào)誤差,并與當(dāng)前模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行疊加以得到新的預(yù)報(bào)結(jié)果。

FODAS的功能結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、歷史實(shí)況和模式結(jié)果檢索、全國降水和溫度的動(dòng)力統(tǒng)計(jì)客觀化預(yù)測、區(qū)域降水和溫度的動(dòng)力統(tǒng)計(jì)客觀化預(yù)測、檢驗(yàn)評分等。

氣候模式產(chǎn)品的解釋應(yīng)用是氣候預(yù)測的主要方法,也是未來氣候預(yù)測的主要發(fā)展方向。實(shí)際業(yè)務(wù)中,由于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品本身存在的誤差,以及它對于地形和局地性氣候考慮不全面等因素,需要做好模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)和分析工作,這對數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的釋用,提高預(yù)報(bào)質(zhì)量,都是十分重要的[5-6]。本文通過介紹FODAS1.0的新疆本地化應(yīng)用以及對近5年的汛期降水回報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn),為預(yù)報(bào)員提供更多的參考依據(jù),從而促進(jìn)該方法的推廣應(yīng)用,提高短期氣候預(yù)測水平,為政府防災(zāi)減災(zāi)決策提供更好的服務(wù)。

1 資料和方法

1.1 資料

國家氣候中心季節(jié)降水預(yù)測結(jié)果(2008—2012年),126項(xiàng)因子指數(shù)文件(1951—2012年),逐月降水實(shí)況資料(CMAP)(1983—2012年)等,資料均取自國家氣候中心。2008—2012年夏季降水業(yè)務(wù)評分資料來自新疆區(qū)域氣候中心。

1.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

通過系統(tǒng)自帶的評分模塊,計(jì)算FODAS1.0系統(tǒng)不同方法2008—2012年歷年夏季降水預(yù)測結(jié)果的預(yù)報(bào)評分,并將其與相應(yīng)年份新疆夏季降水的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)評分進(jìn)行對比,從而檢驗(yàn)FODAS1.0系統(tǒng)各方法對于新疆區(qū)域夏季降水的歷年預(yù)測效果。根據(jù)中國氣象局預(yù)測減災(zāi)司頒布的 《重要天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評定辦法》,六級(jí)評分制降水趨勢預(yù)測用語及各等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)分別為特少 (ΔR≤-50%)、偏少(-50%<ΔR≤-20%)、略少(-20%<ΔR<0)、略多(0≤ΔR<20%)、偏多(20%≤ΔR<50%)和特多(ΔR≥50%), ΔR為降水距平百分率,由此來計(jì)算定性評分P[7]。s預(yù)報(bào)評分Ps是由原國家氣象中心長期科一直使用的評分方法修改而成。在距平符號(hào)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上,加上異常級(jí)加權(quán)得分構(gòu)成,它表示在預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)預(yù)報(bào)的總得分。可表示為N0為距平符號(hào)報(bào)對的以及預(yù)報(bào)和實(shí)況雖距平符號(hào)不同但都屬正常級(jí)的站數(shù);N為參加評分范圍內(nèi)的總站數(shù);n1、f1和n2、f2分別為一級(jí)異常和二級(jí)異常預(yù)報(bào)正確的站數(shù)和權(quán)重系數(shù)[8],季節(jié)預(yù)報(bào)權(quán)重系數(shù)取f1=5,f2=2。

2 FODAS在新疆的本地化應(yīng)用

2.1 利用Surfer軟件建立本地繪圖模板FODAS1.0目前還不支持區(qū)域繪圖,在業(yè)務(wù)使用中迫切需要將本區(qū)域的預(yù)測結(jié)果繪制出來,由于FODAS1.0預(yù)測結(jié)果文件包含格點(diǎn)的經(jīng)緯度及要素值 (如降水量距平百分率),因此可以利用Surfer軟件對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行繪圖,生成新疆邊界底圖xinjiang.bln文件,并結(jié)合新疆的氣候特點(diǎn),建立適合新疆氣溫、降水量距平預(yù)測和實(shí)況的色標(biāo)模板(見圖1、圖2,實(shí)際業(yè)務(wù)系統(tǒng)中為彩色圖,文中用灰度圖表示)。

2.2 自選預(yù)測因子試驗(yàn)

2.2.1 預(yù)測因子 在季度氣候預(yù)測中,預(yù)測因子是指由制作預(yù)報(bào)前1個(gè)月的環(huán)流特征組成的環(huán)流特征序列。然后將環(huán)流特征序列分別與對應(yīng)的目標(biāo)輸出序列求相關(guān)系數(shù),最后取相關(guān)系數(shù)絕對值最大的N個(gè)環(huán)流特征序列作為各種算法的輸入數(shù)據(jù)[9]。

圖1 2013年6—8月降水距平百分率預(yù)報(bào)圖

圖2 2013年6—8月平均溫度距平預(yù)報(bào)圖

2.2.2 自選預(yù)測因子回報(bào)夏季降水試驗(yàn) 由于FODAS1.0系統(tǒng)不但可以在各種方法中自動(dòng)計(jì)算選取預(yù)測因子進(jìn)行預(yù)測,還可以手動(dòng)選取預(yù)測因子進(jìn)行計(jì)算。因此,通過相關(guān)分析實(shí)驗(yàn),并結(jié)合以往的預(yù)測經(jīng)驗(yàn),找出影響新疆區(qū)域夏季降水相關(guān)較好的預(yù)測因子,這些因子分別是:西藏高原(30°N～40°N,75°E～105°E)、亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度(1區(qū),60°E～150°E)、Nino1+2區(qū)海溫(0°～10°S,80°W～90°W)、印度副高脊線(65° E～95°E)、西半球暖池(WHWP)、西太平洋副高西伸脊點(diǎn)、東大西洋-西俄羅斯型(EA/ WR)。在FODAS1.0系統(tǒng)里選取這些因子回報(bào)2008—2012年新疆夏季降水,再用FODAS1.0系統(tǒng)的評分功能得到近五年的Ps平均得分是68分(表略),與表1中FODAS1.0各方法自動(dòng)選取因子預(yù)測得分相比,雖高于各方法的平均得分(61.9分),但要低于熊開國-固定因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、熊開國-異常因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、系統(tǒng)誤差訂正方法、熊開國-固定因子和異常因子的集成方法的平均得分 (表1),說明這四種方法的預(yù)測效果要優(yōu)于自選預(yù)測因子,這可能與FODAS系統(tǒng)的預(yù)測是基于關(guān)鍵因子選取歷史相似年的模式并與當(dāng)前模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行疊加以得到新的預(yù)報(bào)結(jié)果有關(guān)。

表1 近5年夏季FODAS不同預(yù)測方法降水回報(bào)檢驗(yàn)Ps評分結(jié)果 %

3 回報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果與分析

業(yè)務(wù)評分是指業(yè)務(wù)管理部門對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的考核評分。新疆氣候中心2008—2012年夏季降水的業(yè)務(wù)評分與FODAS1.0的評分系統(tǒng)均采用Ps評分標(biāo)準(zhǔn),因此可以對FODAS1.0所有方法(共11種)的夏季降水預(yù)測結(jié)果給出定性Ps評分,并與業(yè)務(wù)評分進(jìn)行比較。從近5年的回報(bào)結(jié)果來看(表1),對于新疆區(qū)域,熊開國-固定因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、熊開國-異常因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、系統(tǒng)誤差訂正、熊開國-固定因子和異常因子的集成方法得分較高,這四種方法近5年夏季降水預(yù)測的Ps平均得分分別為73、70、71和69分。將這四種方法分別與2008—2012年的業(yè)務(wù)評分進(jìn)行比較,可以看到,除2010年,熊開國-異常因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、熊開國-固定因子和異常因子的集成方法Ps評分低于業(yè)務(wù)評分外,其余年份這四種方法均高于業(yè)務(wù)評分(平均62.7分)。

總體來看,熊開國方法(方法I)的預(yù)測結(jié)果得分較高,相比楊杰方法(方法II)的預(yù)測效果更為穩(wěn)定。

4 小結(jié)與討論

4.1 通過對2008—2012年FODAS1.0系統(tǒng)夏季降水不同預(yù)測方法的結(jié)果檢驗(yàn)表明:熊開國-固定因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、熊開國-異常因子-動(dòng)力統(tǒng)計(jì)訂正方法、系統(tǒng)誤差訂正方法、熊開國-固定因子和異常因子的集成方法預(yù)測效果較好,四種方法對于新疆夏季降水預(yù)測評分優(yōu)于自選預(yù)測因子評分,也優(yōu)于近年的業(yè)務(wù)評分。

4.2 由于FODAS1.0預(yù)測結(jié)果文件包含格點(diǎn)的經(jīng)緯度及要素值 (如降水量距平百分率),因此可以直接用Surfer軟件繪制出等值線圖,相比GrADS等其它繪圖軟件,Surfer軟件繪制等值線圖不但方便快捷且圖形更為美觀。

4.3 在地理環(huán)境多變、降水變率大的新疆,預(yù)報(bào)員應(yīng)該針對本區(qū)域的氣候特點(diǎn),篩選出適合本地區(qū)相關(guān)性較好的影響因子,從而更好地利用FODAS系統(tǒng)和其它模式產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測,對于相關(guān)性較好的預(yù)測因子,還需進(jìn)一步研究其影響機(jī)制。

4.4 FODAS季節(jié)氣候預(yù)測系統(tǒng)以氣候模式為動(dòng)力核心,以歷史相似作為統(tǒng)計(jì)核心,從而能將動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來,為提高新疆短期氣候預(yù)測水平提供了一種新的思路和方法,具有較高的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值,但在繪圖和使用中的細(xì)節(jié)方面仍然存在一些不足,尚待在業(yè)務(wù)工作中逐步完善。

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:A

1006-4354(2013)06-0005-04

2013-07-09

段均澤(1983—),男,漢族,學(xué)士,山東東明人,助理工程師,從事短期氣候預(yù)測和氣候研究。

中國氣象局小型基建項(xiàng)目 “動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)集成的季節(jié)氣候預(yù)測系統(tǒng)建設(shè) (2011—2012)”、新疆氣象局科研課題(201303)