基于DERF2.0產(chǎn)品的重慶月動力延伸期預測分析及應用

唐紅玉，董新寧，周秀華，覃志年

研究論文

基于DERF2.0產(chǎn)品的重慶月動力延伸期預測分析及應用

唐紅玉1，董新寧1，周秀華2，覃志年2

（1.重慶市氣候中心，重慶401147；2.廣西氣候中心，廣西南寧530022）

根據(jù)2015年國家氣候中心實時下發(fā)的第二代月動力延伸模式（DERF2.0）逐日資料和歷史回算資料，統(tǒng)計構(gòu)建不同時間起報的月500 hPa高度場格點數(shù)據(jù)序列，針對重慶2月氣溫和8月降水量方差和預測難度較大的事實，分別分析2010—2014年逐年1月和7月16日、21日、26日、31日起報的2月和8月500 hPa高度場預報場與同期NCEP資料實況場的分布型。結(jié)果表明：預測效果低緯好于中高緯，8月總體好于2月；基于上述滾動的500 hPa預報場，試驗了4個關(guān)鍵區(qū)和5種統(tǒng)計降尺度方法，對重慶2010—2015年2月氣溫和2010—2014 年8月降水量進行回報預測和檢驗。結(jié)果表明，16日起報的模式場對2月氣溫有較好的參考價值，配合最好的關(guān)鍵區(qū)為本區(qū)上空，而降尺度方案中Lamb方法效果最佳，二者結(jié)合的預測效果最好；雖然8月降水預測效果不如2月氣溫，但在預測關(guān)鍵區(qū)取自定義關(guān)鍵區(qū)時，車氏方法的降尺度方案預測效果相對較好。

DERF2.0；500 hPa高度場；檢驗；降尺度預測；重慶

唐紅玉，董新寧，周秀華，等.基于DERF2.0產(chǎn)品的重慶月動力延伸期預測分析及應用[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：1-8.

自2005年我國第一代短期氣候預測動力模式業(yè)務系統(tǒng)（DERF1.0）正式投入業(yè)務運行以來，從國家級到省級氣候預測業(yè)務人員，進行了大量解釋應用研究，取得顯著成果[1-10]，基于DERF1.0資料建立的統(tǒng)計預測方法和業(yè)務系統(tǒng)，目前仍是我國短期氣候預測的主要工具之一[11]，段均澤等[12]利用R評分和同號率對模式降水產(chǎn)品在新疆的預報進行分析，結(jié)果表明月降水趨勢預測Ps評分較高，而各月同號率差異較大；李海花等[13]對新疆阿勒泰地區(qū)的逐月和旬的降水和溫度進行檢驗，發(fā)現(xiàn)模式對溫度的預報能力高于降水。為了改進DERF1.0模式性能，2014年國家氣候中心推出了第二代月動力延伸預測模式業(yè)務系統(tǒng)（DERF2.0）。該系統(tǒng)在極大改進資料同化處理等方面的同時，也大大提高了產(chǎn)品的時空分辨率。何慧根等[14]對該模式的氣溫、降水進行了系統(tǒng)的檢驗，認為氣溫、降水的預測效果均比DERF1.0明顯提高。對于可逐日獲取的滾動預測未來52 d的環(huán)流資料（1°×1°）的效果檢驗，以及利用不同起報時間的DERF2.0資料，采用什么樣的統(tǒng)計降尺度方案預測效果等方面的研究目前并不多見。本文針對重慶2月氣溫和8月降水量方差和預測難度較大的情況，首先對2010—2014年逐年1月和7月的16日、21日、26日和31日（滾動）起報的2月和8月500 hPa高度場，分別與2月、8月NCEP的500 hPa實況場進行對比統(tǒng)計檢驗，再利用上述起報時間的500 hPa預報場，采用多種統(tǒng)計降尺度方案，對當年2月氣溫和8月降水量進行預測檢驗，從而進行DERF2.0解釋應用試驗，挖掘和獲取一些有價值的預測信號和經(jīng)驗。

1　資料和方法

本文所用的資料有三類：一是重慶1983—2014年逐年2月34站月平均氣溫，1983—2014年逐年8 月34站的月降水量；二是1983—2014年NCEP2月和8月500 hPa（2.5°×2.5°）高度場資料；三是國家氣候中心下發(fā)的DERF2.0模式的500 hPa（1°×1°）高度場資料。

分析2010—2014年1月、7月滾動下發(fā)的不同時間起報的DERF2.0的500 hPa預報場與NCEP實況場的環(huán)流和距平圖，通過計算和分析，給出DERF2.0模式500 hPa滾動預測技巧能力。

基于DERF2.0不同起報時間的滾動模式預報場，采用車比雪夫多項式、渦度、動態(tài)區(qū)域、lamb和EOF共5種降尺度方法[10]，分別對重慶2010—2015 年2月氣溫和2010—2014年8月降水量進行降尺度預測試驗，并對結(jié)果進行檢驗。

2　DERF2.0滾動預測的500 hPa高度場檢驗

作為短期氣候預測的一個重要標志是500 hPa月平均高度及距平場的預報[11]，而研究模式預報效果通常選取1月和7月來代表冬夏季節(jié)。本文根據(jù)以往實際預測業(yè)務的經(jīng)驗，考慮到重慶2月氣溫和8月降水量氣候變率和預測難度較大，為了檢驗DERF2在“難報月”降尺度預測效果，這里選取了2月和8月分別代表冬夏季檢驗其500 hPa高度場預報效果。

在高度場檢驗過程中，為保證與NCEP高空500 hPa格距一致，首先用雙曲線插值將格距為1°× 1°的DERF2.0高空500 hPa資料進行插值成2.5°× 2.5°格距，再計算得到2010—2014年1月和7月500 hPa各滾動時間預報場與NCEP實況場環(huán)流及距平（圖1、圖2）。

對比分析圖1和圖2主要距平中心可見：16、21日起報的環(huán)流形態(tài)一般差別較大，而26日和31日起報場與NCEP實況較為接近，并且夏季預測效果好于冬季。

為了準確地得到究竟哪個時間起報的模式場與NCEP更相似，這里采用文獻[11]中的“形值”相似指數(shù)計算方法進行分析。其具體算法為：

圖1　2010—2014年2月NCEP500hPa高度距平場和DERF2.0不同起報時間預測的同期高度距平場

圖2　2010—2014年8月NCEP500 hPa距平場和DERF2.0不同起報時間預測的同期高度場距平

相似指數(shù)R的值域為0≤R≤2。R=0表示相似的最好水平。R=2表示最不相似的情形。

圖3為分析計算亞歐（30°~120°E，20°~60°N）區(qū)“形值”相似的結(jié)果。圖中黃色為2月不同起報時間的預報場的指數(shù)值，藍色為8月指數(shù)值。顯而易見，8月所有預報場與實況場的相似程度都高于同期起報的2月。

圖3　2010—2014年2月和8月500 hPa各預報場亞歐R值對比

以上為亞歐總體的情況，為了客觀地給出DERF2.0模式500 hPa各不同時次預測場在不同緯度上的技巧能力，定義了高緯度地區(qū)（50°~70°N，50° ~120°E），中緯度地區(qū)（30°~50°N，50°~120°E）和低緯度地區(qū)（10°~30°N，50°~120°E），并計算上述3個緯度帶各滾動預報式場的絕對累積距平，結(jié)果見表1。

由表1可知，無論是2月或8月，低緯總好于中高緯。從不同季節(jié)對比看，低緯度地區(qū)一般冬季好于夏季，中緯度地區(qū)夏季總體好于冬季，而高緯度地區(qū)16、21日起報的模式場冬季好于夏季，而26、31日起報的模式場則是夏季好于冬季。

表1　2010—2014年2月和8月高中低緯區(qū)域各預報場絕對累積距平

3　DERF2.0滾動500 hPa預報產(chǎn)品在重慶氣候預測中的降尺度研究

用模式資料進行降尺度氣候預測，通常基于500 hPa環(huán)流預測資料，而降尺度的做法，一般應用模式場與預報量高相關(guān)中心窗口的格點衍生預測因子，再構(gòu)建預測模型。構(gòu)造衍生預測因子的方法很多，這里參考文獻[12]中的車比雪夫多項式（下稱車氏）、渦度、動態(tài)區(qū)域法（下稱動態(tài)）、lamb-Jenkinson環(huán)流分型（下稱Lamb）和EOF法等5種方法。其基本做法是：車比雪夫多項式計算是利用給定關(guān)鍵區(qū)中心點及其鄰近的5×7個格點（1°×1°間隔）進行車比雪夫多項式展開，取前5個多項式系數(shù)作為因子。渦度法：用關(guān)鍵區(qū)中心點周圍7×7個格點，根據(jù)相對渦度公式計算得到各格點的渦度作為預測因子。動態(tài)法：用中心點附近5×5個格點進行動態(tài)變化求其不同格點組合平均值作為預測因子。lamb環(huán)流分型：是用中心點附近的16個格點計算出7個物理量作為預測因子。EOF衍生因子法是對中心點周圍5× 5個格點EOF的時間系數(shù)作為預測因子。

在氣候預測中，預測關(guān)鍵區(qū)窗口的選取極為重要。為了研究不同關(guān)鍵區(qū)的預測能力，本文試驗了預報量與DERF2.0的500 hPa自動找出的最高正、反高相關(guān)中心，本區(qū)上空中心（預測站點經(jīng)緯度上空）和自定義關(guān)鍵區(qū)中心等4種關(guān)鍵區(qū)。其中的自定義關(guān)鍵區(qū)的確定方法是：對重慶1983—2014年34站2月氣溫和8月降水量進行EOF展開，分析表明，2月氣溫第1模態(tài)（一致多或一致少）的方差貢獻達到99%，8月降水的第1模態(tài)方差貢獻也達到88%；再用2月氣溫和8月降水第1時間系數(shù)與同期NCEP環(huán)流場計算相關(guān)（圖4、圖5）。由圖4可見，重慶2月氣溫與我國上空500 hPa高度場為顯著的正相關(guān)關(guān)系，特別是在河套一帶有個R=0.71的正相關(guān)中心，表明河套一帶的系統(tǒng)是2月氣溫的主導系統(tǒng)；從圖5可以看出重慶8月降水與500 hPa高度場的高相關(guān)區(qū)主要在我國中東部的河套——黃海一帶，負中心最大相關(guān)系統(tǒng)R=-0.54，顯而易見8月該區(qū)域高度場偏高重慶降水則少。因此，2月氣溫的自定義關(guān)鍵區(qū)中心為105°E，35°N，8月降水自定義關(guān)鍵區(qū)中心為120°E，35°N。

圖4　重慶2月氣溫與同期500 hPa相關(guān)

圖5　重慶8月降水量與同期500 hPa相關(guān)

通過應用上述4種預測關(guān)鍵區(qū)中心窗口，并用上文所述5種降尺度方案進行降尺度，再用逐步回歸建立預測模型。以此步驟，在逐年實際預測檢驗中，僅用預測年之前的資料計算相關(guān)及建模，制作完成了重慶34站2010—2015年2月的氣溫預測和2010—2014年8月降水預測，之后依據(jù)中國氣象局預報與網(wǎng)絡司2013年8月發(fā)布的《月、季氣候預測檢驗評分辦法》，計算Ps評分和同號率（為方便比較，將同率號擴大了100倍為百分制）。綜合統(tǒng)計2010—2015年共6 a的2月氣溫預測檢驗結(jié)果見表2、表3，2010—2014年共5 a的8月降水量預測檢驗結(jié)果見表4、表5。

表2　不同降尺度方法的2010—2015年重慶2月氣溫預測檢驗

表3　不同關(guān)鍵區(qū)2010—2015年重慶2月氣溫預測檢驗

表4　不同降尺度方法的2010—2014年重慶8月降水量預測檢驗

表5　不同關(guān)鍵區(qū)2010—2014年重慶8月降水量預測檢驗

表2~表3給出了2010—2014年不同起報時間的500 hPa配合不同降尺度方案、不同關(guān)鍵區(qū)的氣溫和降水預測評分。如果把月氣溫預測Ps評分和同號率都要求達到80%以上，其降尺度方案其及對應的關(guān)鍵區(qū)選取方法與模式起報時間見表6。

分析表6可見，基于4種關(guān)鍵區(qū)的降尺度方法都有可能取得較好的預測結(jié)果，而16日起報的模式場也有一定的預測參考價值。特別是31日起報的模式場與“正相關(guān)中心”的Lamb降尺度預測，該方法6 a的2月氣溫預測檢驗評分Ps及同號率分別達96.2和94.6；而基于1月16日起報模式場中“本區(qū)上空中心”的Lamb降尺度預測，6 a的氣溫預測檢驗Ps及同號率分別達到94.9分和92.2。圖6給出1月16日起報模式場（由于31日起報的模式場在發(fā)布月氣候產(chǎn)品中來不及參考）的6a氣溫逐年預測與實況結(jié)果，對比預測與實況結(jié)果可見，6 a的預測均較成功，特別是對2012和2014年重慶大部偏冷的特征能較準確地做出預測，效果令人欣喜。

表6　重慶2月氣溫預測中較好的降尺度方案及其對應的關(guān)鍵區(qū)中心選取與模式起報日

對于8月降水的降尺度預測，從表4~表5的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，降水量預測效果總體不如氣溫理想，這可能正是影響降水的因素更多更復雜所致，說明降水預測面對更多挑戰(zhàn)。在2010—2014年8月降水量的預測中，如果把5 a平均Ps評分達到70分以上，而同號率在65分以上作為成功預測的例子，其降尺度方案及其匹配較好的關(guān)鍵區(qū)中心取法與模式起報日見表7。

表7　重慶8月降水量預測中較好的降尺度方案及其對應的關(guān)鍵區(qū)中心選取與模式起報日

圖6　2010—2014年2月氣溫1月16日起報500 hPa的Lamb降尺度預測與實況對比

從表7看出，16日起報的500 hPa模式場都有較好的預測能力，而多種關(guān)鍵區(qū)的車氏法都表現(xiàn)出了相對較好的預測能力。特別是自定義關(guān)鍵區(qū)的車氏法，16日，26日及31日起報的降尺度預測中，平均Ps和同號率都較高，5 a預測中至少有2 a基本成功。圖7給出2010—2014年7月26日起報的車氏降尺度預測8月降水量的結(jié)果，可以看出，多數(shù)降尺度預測方案的預測結(jié)論都頗具參考價值。

圖7　2010—2014年8月降水7月26日起報500 hPa的車氏降尺度預測與實況對比

4　結(jié)論與討論

本文應用了兩種客觀計算方法，對國家氣候中心下發(fā)的DERF2.0最近5 a的2月和8月滾動500 hPa預測場與NCEP實況場進行了對比檢驗；并基于DERF2.0模式500 hPa高度場預測產(chǎn)品對重慶2010—2015年34個氣象臺站2月氣溫、8月降水量進行降尺度預報試驗，基于16日、21日、26日、31日等不同滾動500 hPa預報場，試驗了4種預測關(guān)鍵區(qū)和5種降尺度方案，并對預測結(jié)果進行檢驗，主要結(jié)論與討論如下：

（1）DERF2.0模式不同時間滾動預測的500 hPa月高度場的預報能力，在低緯度區(qū)域好于中高緯度區(qū)域；從起報時間來看，越接近預測月（即越靠近月末下發(fā)的預測產(chǎn)品），預測效果越好；對于亞歐地區(qū)的環(huán)流形勢，夏季8月預測效果總體好于冬季2月。

（2）DERF2.0模式不同時間滾動預測的500 hPa月高度場進行降尺度解釋應用后，對于重慶2月氣溫而言，16日起報的500 hPa預報場降尺度預測效果總體較好，特別是與本區(qū)上空關(guān)鍵區(qū)和lamb方法配合后效果尤佳，2010—2015年的預測評分Ps和同號率平均達96.2分和94.6，預測效果令人振奮。

（3）基于DERF2.0模式不同時間滾動預測的500 hPa月高度場對于重慶夏季8月降水的降尺度解釋應用預測效果雖不如2月氣溫，但自定義關(guān)鍵區(qū)的車氏法方案，從16日，26日及31日起報的結(jié)論均頗具參考價值，而反相關(guān)中心作為預測關(guān)鍵區(qū)時的降尺度預測效果則不理想。

（4）DERF2.0降尺度應用在重慶2月氣溫的預測的效果遠好于其對8月降水量的預測，但模式預報能力卻相反，原因何在，尚待進一步分析研究。

（5）本文只是針對重慶2月氣溫和8月降水量方差和預測難度較大的事實，分別對近年來不同時間起報的DERF2.0模式500 hPa預報場進行了檢驗和在重慶地區(qū)的降尺度解釋應用試驗，結(jié)果表明在選擇適當關(guān)鍵區(qū)和合適的因子構(gòu)建方案的情況下，其解釋應用預測效果較為顯著，近年來對于降水和氣溫的預測試驗評分均高于同期業(yè)務發(fā)布評分，對重慶的短期氣候預測業(yè)務提供了有價值的參考信息。對于其它月的相關(guān)降尺度解釋應用和預測試驗，在后期的工作中將進行大量的分析與試驗工作。

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Analysis and Application of Monthly Dynamic Extension Forecast in Chongqing Based on DERF2.0 Data

TANG Hongyu1，DONG Xinning1，ZHOU Xiuhua2，QIN Zhinian2
（1.Chongqing Climate Centre，Chongqing 401147，China；2.Guangxi Climate Centre，Nanning 530022，China）

Based on latest and historical daily data of National Climate Centre second-generation monthly Dynamic Extended Range Forecast operational system（DERF2.0），monthly 500 hPa geopolitical height sequences were built at different initial forecasting time.Focused on the facts that variances of temperature in February and precipitation in August are larger in Chongqing and they were hard to be forecasted correctly,we analyzed the differences between 500 hPa geopolitical height field forecasted on 16th,21th,26th and 31th in February and August seperated during 2010-2014 and NCEP data in the same term,It is concluded that the patterns foredcasted in the lower latitude are better than that in the higher latitude,while generally better in February than that in August.on basis of on the forecasted 500 hPa geopolitical height fields showed above,the forecasted temperature in Februray and the precipitation in Auguest during 2010-2015 in Chongqing are historically recalculated and reviewed in four key regions using five statistical downscaling methods.It indicated that the forecasted model fields initialized on Jane 16th is a preferable reference for predicting temperature in February with the best key region on the local upper air,while the lamb method was proved to be the best statistical downscaling method,and the most precise forecast value can thus be generated with the forecasted model fields initialized on 16th using Lamb.It is also showed that the forecasting effects of precipitation in August were worse than temperature in February,and Chebysev method is suprior to the other method in chosing userdefined region on August precipitation forecasting in Chongqing.

DERF2.0；500 hPa geopotential height field；testing；statistical downscaling forecast；Chongqing

P456.3

A

1002-0799（2016）03-0001-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.001

2016-01-11；

2016-03-20

國家自然基金（41175080）、科技部公益性行業(yè)專項（GYHY201306022）和重慶市氣象局業(yè)務技術(shù)攻關(guān)重點項目（ywgg-201508）資助。

唐紅玉（1967-），女，正研級高級工程師，主要從事氣候診斷預測業(yè)務及研究工作。E-mail：782378285@qq.com