三個(gè)氣候系統(tǒng)模式對(duì)500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)對(duì)比分析

鄭嘉雯,蔡宏珂,吳 捷,衡志煒,曾 琳

（1.廣州市氣象臺(tái)，廣州 511430；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；3.中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/CMA-NJU氣候預(yù)測(cè)研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072）

引言

全球變暖引起氣候異常事件頻發(fā)，給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失，因此，短期氣候預(yù)測(cè)日益成為科研人員和社會(huì)大眾關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)迅速發(fā)展，不少?lài)?guó)家都建立了自己的季節(jié)預(yù)報(bào)模式，并逐漸成為季節(jié)預(yù)報(bào)的主要工具[1-2]。目前的研究表明，水氣耦合動(dòng)力模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展使得季節(jié)可預(yù)測(cè)性研究取得了重要的進(jìn)展[1,3-4]。由于單模式預(yù)報(bào)能力的諸多局限，多模式集合（Multimodel ensemble,MME）在氣候預(yù)測(cè)上扮演了越來(lái)越重要的角色[5-13]。MME能通過(guò)集合不同模式的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)降低模式誤差和隨機(jī)誤差，從而提供比單模式更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。據(jù)此，北京氣候中心（Beijing Climate Center,BCC）發(fā)展了一個(gè)多模式降尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Multi-model Downscaling Ensemble Prediction System,MODES）。基于MME和統(tǒng)計(jì)降尺度技術(shù)，MODES收集和處理了一些領(lǐng)先的氣候模式，提供月季尺度的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

500hPa是對(duì)流層中層的代表層，該層的模擬結(jié)果能夠代表對(duì)對(duì)流層一些重要天氣氣候系統(tǒng)（如東亞大槽和西太平洋熱帶輻合帶高壓）的模擬能力。因此，該層的評(píng)估結(jié)果是模式能否用于氣候研究的一個(gè)重要指標(biāo)。而在季節(jié)預(yù)測(cè)中，選擇或定義合適的、高度可預(yù)測(cè)的、直接影響短期氣候預(yù)測(cè)水平的指數(shù)尤為重要。西太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱(chēng)西太副高）是影響東亞天氣氣候最重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，其范圍一般采用500hPa高度場(chǎng)上日界線以西5880gpm等值線所包圍的區(qū)域來(lái)衡量，其西部的高壓脊在夏季可伸入東亞陸地區(qū)域，對(duì)我國(guó)夏季降水和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有重要影響[14-20]。西太副高具有很強(qiáng)的年循環(huán)特征，西太副高的季節(jié)內(nèi)變化決定著我國(guó)東部雨帶的幾次北推，其年際變化決定我國(guó)東部旱澇的出現(xiàn)[21-22]，西太副高從冬到夏的兩次北跳與中國(guó)夏季雨帶的位置密切相關(guān)[23-24]。

鑒于西太副高與南亞高壓兩大環(huán)流系統(tǒng)對(duì)我國(guó)天氣氣候的顯著影響，對(duì)其強(qiáng)度和位置進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)就顯得尤其重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)副高的預(yù)測(cè)已有大量研究，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。西太副高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)主要有統(tǒng)計(jì)方法和動(dòng)力方法。在夏季西太副高的氣候預(yù)測(cè)方面，一是通過(guò)發(fā)展物理統(tǒng)計(jì)模型，即主要基于前期海溫和環(huán)流指數(shù)等因子的多元回歸預(yù)測(cè)模型，所選預(yù)報(bào)因子建立在科學(xué)分析基礎(chǔ)上，具有相對(duì)明確的物理含義[25]。二是采用動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)方法，基于動(dòng)力學(xué)模型重構(gòu)的概念和改進(jìn)的自記憶原理，開(kāi)發(fā)了一種新的西太副高脊線指數(shù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，該改進(jìn)模型取得了令人滿(mǎn)意的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)效果[26]。而且該預(yù)報(bào)西太副高脊線和夏季風(fēng)的非線性動(dòng)力模型表明，馬斯克林冷高壓的增強(qiáng)和崩潰將導(dǎo)致西太副高北跳，從而導(dǎo)致“空梅”的現(xiàn)象[27]。Li 等[28-30]的評(píng)估研究指出，副高季節(jié)預(yù)測(cè)水平呈現(xiàn)年代際變化，目前海氣耦合模式可以相當(dāng)好地預(yù)測(cè)副高異常，即使是在沒(méi)有明顯ENSO信號(hào)時(shí)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率依然比較高。Liu等[31]對(duì)CMIP5的26個(gè)氣候耦合模式進(jìn)行西太副高的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，結(jié)果表明，大多數(shù)模式能夠捕獲西亞熱帶太平洋500hPa位勢(shì)高度和緯向風(fēng)場(chǎng)的空間分布和變異性，但是低估了西太副高的平均強(qiáng)度。Zhou等[32]評(píng)估了現(xiàn)今業(yè)務(wù)上運(yùn)行的模式，即BCC_CSM1.1(m)，NCEP_CFSv2和ECMWF_System5對(duì)東亞主要環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)尺度可預(yù)報(bào)性，指出ENSO是可預(yù)報(bào)性的重要來(lái)源。

基于三個(gè)季節(jié)模式數(shù)據(jù)，本文將著重于對(duì)500hPa高度場(chǎng)和西太副高指數(shù)季節(jié)尺度預(yù)報(bào)效果進(jìn)行對(duì)比分析，為季節(jié)模式的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 模式資料和西太副高指數(shù)介紹

本文所用的季節(jié)預(yù)測(cè)的后報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)自于BCC的MODES，包括三種海氣動(dòng)力耦合模式：北京氣候中心第一代季節(jié)氣候預(yù)測(cè)模式系統(tǒng)BCC_CSM1.1(m)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心第二代氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)NCEP CFSv2、歐洲中心天氣預(yù)報(bào)中心季節(jié)預(yù)報(bào)系統(tǒng)ECMWF_System5。三個(gè)模式的水平分辨率均為1°×1°，而預(yù)報(bào)時(shí)效分別為12個(gè)月、9個(gè)月和6個(gè)月，本文采用了1992年1月～2018年12月全球逐月預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)采用中國(guó)第一代全球大氣/陸面再分析系統(tǒng)產(chǎn)品（CRA），水平分辨率為34km，為了方便分析，將其通過(guò)雙線性插值處理成和模式相同的水平網(wǎng)格。

本文利用模式500hPa高度場(chǎng)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)西太副高進(jìn)行了位置和強(qiáng)度的全面評(píng)估，所用到的指數(shù)分別是：副高強(qiáng)度、面積、脊線位置和西伸脊點(diǎn)指數(shù)，其計(jì)算方法參照劉蕓蕓等[33]的研究：

（1）副高面積指數(shù)：10°N以北，110°～180°E范圍內(nèi)，500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上所有位勢(shì)高度不小于588dagpm的格點(diǎn)圍成的面積，稱(chēng)為副高面積指數(shù)；

（2）副高強(qiáng)度指數(shù)：10°N以北，110°～180°E范圍內(nèi)，500hPa高度場(chǎng)上每格點(diǎn)高度值減去587dagpm差值與面積指數(shù)的乘積的總和，稱(chēng)為副高強(qiáng)度指數(shù)；

（3）副高脊線指數(shù)：10°N以北，110°～150°E范圍內(nèi)，588dagpm等值線所包圍的副熱帶高壓體內(nèi)緯向風(fēng)u=0且的特征線所在緯度的平均值。如果不存在588線，則可以降低標(biāo)準(zhǔn)至584dagpm。如果不存在584線，則以當(dāng)月歷史最小值代替；

（4）副高西伸脊點(diǎn)指數(shù)：90°～180°E范圍內(nèi)，最西格點(diǎn)所在的經(jīng)度。若在90°E以西則統(tǒng)一計(jì)為90°E。

1.2 評(píng)估方法

本文主要考察的是BCC的MODES下三個(gè)海氣動(dòng)力耦合模式月季尺度預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對(duì)對(duì)流層中層的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行對(duì)比分析，所以首先將對(duì)此三個(gè)模式500hPa高度場(chǎng)集合平均的確定性預(yù)報(bào)性能進(jìn)行評(píng)估。

令xi,j代表觀測(cè)值，fi,j代表預(yù)測(cè)值，其中i=1,2,3,...,M代表評(píng)價(jià)區(qū)域的格點(diǎn)數(shù)，j=1,2,3,...,N代表時(shí)間序列。

空間距平相關(guān)系數(shù)（Anomaly Correlation Coefficient，簡(jiǎn)稱(chēng)ACC），主要反映出預(yù)報(bào)與觀測(cè)異常場(chǎng)空間型的相似程度，也可稱(chēng)為空間相似系數(shù)，計(jì)算公式如下：

與ACC不同，時(shí)間距平相關(guān)系數(shù)（Temporal Correlation Coefficient，簡(jiǎn)稱(chēng)TCC）能夠表征模式在每個(gè)格點(diǎn)的預(yù)報(bào)能力，得到預(yù)報(bào)技巧的空間分布。其計(jì)算公式如下：

ACC和TCC的取值范圍均在[-1，1]，越接近于1代表預(yù)報(bào)技巧越高。

2 500hPa位勢(shì)高度月尺度預(yù)報(bào)評(píng)估

對(duì)于月尺度預(yù)報(bào)模式的使用，預(yù)報(bào)員通常通過(guò)其對(duì)整個(gè)環(huán)流形勢(shì)的把握，特別是對(duì)西太副高的預(yù)報(bào)技巧，來(lái)判斷該模式對(duì)未來(lái)降水、氣溫、風(fēng)等要素的可預(yù)報(bào)性，因此，本文將對(duì)三個(gè)月尺度預(yù)報(bào)模式500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，定量地給出模式對(duì)環(huán)流形勢(shì)的預(yù)報(bào)能力。

2.1 500hPa位勢(shì)高度時(shí)間距平相關(guān)系數(shù)

首先對(duì)模式預(yù)報(bào)技巧的空間分布進(jìn)行對(duì)比分析。圖1給出BCC模式在不同提前預(yù)報(bào)月份下，對(duì)500hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)的時(shí)間距平相關(guān)系數(shù)的空間分布。可以看出，在大部分地區(qū)，BCC模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)技巧都超過(guò)0.5，其中對(duì)熱帶地區(qū)的預(yù)報(bào)技巧遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，且具有很好的持續(xù)性，這主要是由于熱帶的自然內(nèi)部變率較低且大氣能直接對(duì)SST的變化產(chǎn)生合理的響應(yīng)[34]。而對(duì)于熱帶外地區(qū)，BCC模式對(duì)初值很敏感，隨著提前預(yù)報(bào)月份的延長(zhǎng)，模式的預(yù)報(bào)性能顯著下降，但對(duì)北半球預(yù)報(bào)的相關(guān)要高于南半球。具體來(lái)看，在中緯度地區(qū)，模式預(yù)報(bào)技巧較高的區(qū)域呈現(xiàn)出波列狀分布，其分布特征與歐亞-太平洋（EU）型和太平洋-北美（PNA）型等遙相關(guān)型類(lèi)似。對(duì)我們更為關(guān)注的東亞地區(qū)而言，BCC模式預(yù)報(bào)的位勢(shì)高度異常在東亞大陸和西北太平洋副熱帶高壓地區(qū)也有較高的相關(guān)，說(shuō)明BCC模式對(duì)副高的把握能力較高，但是對(duì)我國(guó)東北部地區(qū)的位勢(shì)高度場(chǎng)預(yù)報(bào)技巧較低。

圖1 BCC模式500hPa位勢(shì)高度時(shí)間距平相關(guān)系數(shù)

EC月尺度預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)時(shí)效較短，僅有6個(gè)月。從整體上看，其預(yù)報(bào)效果和BCC模式相比略差，但對(duì)大部分地區(qū)的預(yù)報(bào)技巧也都超過(guò)0.5，對(duì)熱帶地區(qū)的預(yù)報(bào)技巧也要高于其他地區(qū)（圖2）。值得注意的是，EC模式雖然預(yù)報(bào)時(shí)效較短，但可以看出其模式穩(wěn)定性較好，即其預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)隨提前預(yù)報(bào)月份的延長(zhǎng)無(wú)明顯的下降趨勢(shì)。另外，具體來(lái)看，EC模式對(duì)海洋性大陸區(qū)域（Maritime Continent，簡(jiǎn)稱(chēng)MC）500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)要高于其他模式，其持續(xù)性在三個(gè)模式里面表現(xiàn)也是最突出的。作為驅(qū)動(dòng)全球大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)能量的關(guān)鍵區(qū)，MC區(qū)域是各種天氣、氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)，EC模式對(duì)MC區(qū)域中層環(huán)流預(yù)報(bào)技巧的突出表現(xiàn)，從側(cè)面反映出該模式對(duì)全球環(huán)流及氣候系統(tǒng)預(yù)報(bào)可信度高的特點(diǎn)。

圖2 同圖1，但為EC模式

跟EC和BCC模式類(lèi)似，NCEP模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)也在熱帶地區(qū)呈現(xiàn)較高的預(yù)報(bào)技巧，但是其預(yù)報(bào)技巧整體在三個(gè)模式里面最低，模式對(duì)中高緯的預(yù)報(bào)穩(wěn)定性也比較差（圖3）。具體來(lái)看，NCEP模式即便是對(duì)預(yù)報(bào)技巧最高的熱帶地區(qū)，其預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)和預(yù)報(bào)持續(xù)性也遠(yuǎn)比BCC和EC模式差。

圖3 同圖1，但為NCEP模式

2.2 500hPa位勢(shì)高度空間距平相關(guān)系數(shù)

TCC是比較模式預(yù)測(cè)在同一格點(diǎn)歷史序列與觀測(cè)結(jié)果，體現(xiàn)的是時(shí)間序列的位相相似性，而空間距平相關(guān)系數(shù)（ACC）則是體現(xiàn)模式預(yù)測(cè)在同一空間下的空間型和觀測(cè)的相似程度，也是短期氣候預(yù)測(cè)中最常用的檢驗(yàn)方法之一，更著重表現(xiàn)模式是否能預(yù)測(cè)要素場(chǎng)空間分布的特征，從而反映模式的總體預(yù)測(cè)性能。本文分別計(jì)算了不同季節(jié)，不同提前預(yù)報(bào)月份的空間距平相關(guān)系數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間序列，討論三個(gè)模式對(duì)不同季節(jié)500hPa位勢(shì)高度距平預(yù)報(bào)空間模態(tài)的把握能力和對(duì)初值的敏感性。

從不同提前預(yù)報(bào)月份BCC模式對(duì)不同季節(jié)500hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)的ACC時(shí)間序列（圖4）來(lái)看，BCC模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度空間分布特征的把握能力較好，但預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)的年際變化較大。整體來(lái)看，不同提前預(yù)報(bào)月份下相關(guān)系數(shù)多年平均都為正，但隨著預(yù)提前預(yù)報(bào)月份的減小，預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)增加的不明顯。仔細(xì)來(lái)看，BCC模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度空間分布特征預(yù)測(cè)的相關(guān)系數(shù)在1992年1月、1997年11月和2009年12月較高，其中春夏冬季對(duì)1992年中等強(qiáng)度中部型厄爾尼諾較敏感，春夏季對(duì)2010年中等強(qiáng)度東部型厄爾尼諾較為敏感，而對(duì)于1997年的超強(qiáng)厄爾尼諾，四個(gè)季節(jié)均對(duì)其較為敏感，在此三個(gè)厄爾尼諾年間，BCC模式對(duì)500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的ACC均達(dá)到0.3左右，隨后相關(guān)系數(shù)高值持續(xù)約半年。可看出BCC模式對(duì)500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)與中等強(qiáng)度以上厄爾尼諾事件峰值發(fā)生的時(shí)間有較好的相關(guān)性，即在中等強(qiáng)度以上厄爾尼諾事件達(dá)到峰值之后，BCC模式對(duì)500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的空間分布把握能力有所提升，但也從側(cè)面反映出，BCC月尺度模式利用厄爾尼諾事件進(jìn)行自我調(diào)整的能力較高。

圖4 各季BCC模式500hPa位勢(shì)高度空間距平相關(guān)系數(shù)（a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季）

整體而言，EC的月尺度模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度空間分布的把握能力和BCC月尺度模式類(lèi)似，不同提前預(yù)報(bào)月份下的相關(guān)系數(shù)多年平均都為正，并且EC模式的預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)年際變化較小，年際間預(yù)報(bào)穩(wěn)定性較高（圖5）。同樣，在1992年和2010年中等強(qiáng)度中部型厄爾尼諾事件峰值前后，EC模式對(duì)春夏冬三季500hPa位勢(shì)高度空間分布的把握能力較高；在1997年超強(qiáng)東部型厄爾尼諾事件峰值前后，EC模式對(duì)四個(gè)季節(jié)500hPa位勢(shì)高度空間分布的把握能力都比較高，其預(yù)報(bào)技巧在這兩個(gè)時(shí)段甚至高于BCC模式，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3以上。仔細(xì)來(lái)看，與BCC模式不同的是，對(duì)于較為敏感的季節(jié)里，EC模式在1992年、1997年和2010年厄爾尼諾事件發(fā)生期間，對(duì)500hPa高度場(chǎng)預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)有上升的變化趨勢(shì)，也就是說(shuō)，EC模式對(duì)中等強(qiáng)度以上的東部型厄爾尼諾事件的響應(yīng)時(shí)間和BCC模式相比較短，模式對(duì)厄爾尼諾事件的自我調(diào)節(jié)能力較高。

圖5 同圖4，但為EC模式

和BCC模式類(lèi)似，NCEP模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度的可預(yù)報(bào)性較高，整體來(lái)看ACC多年平均在0以上，不過(guò)預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)的年際變化較大（圖6）。另外，在不同預(yù)報(bào)時(shí)效下，預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)差別不大，也就是隨預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)效果沒(méi)有明顯的下降。具體來(lái)看，NCEP模式除了春冬季對(duì)1997～1998年超強(qiáng)厄爾尼諾事件有所響應(yīng)外，對(duì)其他厄爾尼諾事件的敏感度較低，即模式根據(jù)厄爾尼諾氣候事件變化的自我調(diào)節(jié)能力較差。

圖6 同圖4，但為NCEP模式

3 西太副高指數(shù)的月尺度預(yù)報(bào)評(píng)估

在南北半球的副熱帶地區(qū)，存在著副熱帶高壓帶，由于海陸的影響，常斷裂成若干個(gè)高壓?jiǎn)误w，這些單體統(tǒng)稱(chēng)為副熱帶高壓。在北半球，它主要出現(xiàn)在太平洋、印度洋、大西洋和北非大陸上。出現(xiàn)在西北太平洋上的副熱帶高壓稱(chēng)為西太副高（Western Pacific Subtropical High,WPSH），是一個(gè)在太平洋上空的永久性高壓環(huán)流系統(tǒng)，范圍一般采用500hPa高度圖上西太平洋地區(qū)（180°E以西）5880gpm線包圍的區(qū)域?yàn)榇怼Ｆ湮鞑康母邏杭乖缦募究缮烊胛覈?guó)大陸，對(duì)我國(guó)夏季降水和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有重要影響。西太副高具有很強(qiáng)的年循環(huán)特征，從西太副高的季節(jié)變化來(lái)看，從冬到夏副高存在兩次北跳，與中國(guó)夏季雨帶位置密切相關(guān)[14,18-20,22,35-37]。西 太 副 高 與 我 國(guó) 天 氣 關(guān) 系 密 切，影響我國(guó)大部分地區(qū)的溫度與降水[38-39]，當(dāng)熱帶西太平洋變暖時(shí)，西太副高異常向北移動(dòng)，中國(guó)長(zhǎng)江和淮河流域夏季季風(fēng)降水減少。可見(jiàn)西太副高對(duì)我國(guó)部分地區(qū)的溫度和降水都有顯著的調(diào)節(jié)作用，所以精確預(yù)報(bào)西太副高的位置、強(qiáng)度對(duì)我國(guó)地區(qū)的降水、溫度以及極端天氣預(yù)報(bào)有重要的指示意義。接下來(lái)本文將利用各月季節(jié)模式預(yù)報(bào)的和CRA再分析的500hPa位勢(shì)高度資料，參照劉蕓蕓等[33]對(duì)副高指數(shù)的定義，對(duì)西太副高強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)、脊線指數(shù)和脊點(diǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而檢驗(yàn)各模式對(duì)我國(guó)高影響環(huán)流系統(tǒng)-西太副高的預(yù)報(bào)情況。

3.1 西太副高指數(shù)年際變化對(duì)比分析

西太副高指數(shù)中最明顯的特征為圖7a中副高脊線的季節(jié)循環(huán)，即夏季副高北進(jìn)，冬季副高南撤。三個(gè)模式均能較好地預(yù)報(bào)這種季節(jié)循環(huán)特征。除了季節(jié)循環(huán)之外，副高活動(dòng)也有明顯的年際變化，這種年際變化在三個(gè)模式中也得到了較好地預(yù)報(bào)。但是，三個(gè)模式對(duì)副高脊線指數(shù)的預(yù)報(bào)也表現(xiàn)出顯著的差異。具體而言，BCC模式預(yù)報(bào)的脊線指數(shù)與CRA的量級(jí)最接近，表明該模式能較好的還原副高的南-北移動(dòng)。而ECMWF模式預(yù)報(bào)的副高脊線指數(shù)略小于CRA的量級(jí)，這一系統(tǒng)性預(yù)報(bào)偏差表明該模式預(yù)報(bào)的副高位置較觀測(cè)略偏南。NCEP對(duì)副高脊線指數(shù)的預(yù)報(bào)偏差在三個(gè)模式中最大，表明該模式預(yù)報(bào)的副高位置較觀測(cè)嚴(yán)重偏南。

如圖7b所示，相對(duì)副高脊線而言，副高脊點(diǎn)指數(shù)的季節(jié)循環(huán)特征不明顯，表明副高的東-西向移動(dòng)受冬夏季之間氣候差異的影響較小。而副高脊點(diǎn)的年際變率更顯著，其可能受到ENSO等年際信號(hào)的調(diào)控。除了年際變率之外，副高脊點(diǎn)指數(shù)也有較強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)變率，這個(gè)時(shí)間尺度的變率可能受到季節(jié)內(nèi)振蕩如MJO的影響。與副高脊線相比，三個(gè)模式對(duì)于副高脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)都比較差。其中，BCC預(yù)報(bào)的變率較大，ECMWF和NCEP的預(yù)報(bào)變率均較小。但總體上來(lái)說(shuō)，BCC模式預(yù)報(bào)的脊點(diǎn)較好，而ECMWF和NCEP模式對(duì)副高脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)都存在系統(tǒng)偏差，即預(yù)報(bào)的副高位置較觀測(cè)偏東。

如圖7c所示，與副高脊線指數(shù)一樣，副高面積指數(shù)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)循環(huán)特征，即夏季副高偏強(qiáng)，冬季副高較弱。除了季節(jié)循環(huán)特征之外，副高面積也表現(xiàn)出較強(qiáng)的年際變率和季節(jié)內(nèi)變率。三個(gè)模式均能較好地預(yù)報(bào)副高面積指數(shù)的演變，但均存在一定的系統(tǒng)偏差。具體表現(xiàn)為三個(gè)模式均過(guò)低估計(jì)了副高的面積，其中BCC模式預(yù)報(bào)的副高面積與觀測(cè)最接近，ECMWF模式次之，NCEP模式預(yù)報(bào)的副高面積最小。

圖7 觀測(cè)數(shù)據(jù)和模式模擬的西太副高指數(shù)時(shí)間序列（a.脊線指數(shù)，b.脊點(diǎn)指數(shù)，c.面積指數(shù)，d.強(qiáng)度指數(shù)）

從副高指數(shù)的定義上可知，副高強(qiáng)度指數(shù)與面積指數(shù)都是衡量副高強(qiáng)度的指標(biāo)，因而二者的演變規(guī)律大體一致。如圖7d所示，副高強(qiáng)度也有顯著的季節(jié)循環(huán)，年際變率和季節(jié)內(nèi)變率。NCEP模式對(duì)副高強(qiáng)度的預(yù)報(bào)仍然是三個(gè)模式中最差的。

3.2 西太副高指數(shù)的空間距平相關(guān)系數(shù)

從定義上來(lái)看，空間距平相關(guān)系數(shù)反映的是兩個(gè)變量之間的演變趨勢(shì)的一致性評(píng)分。相關(guān)系數(shù)越高代表模式越能抓住某一要素的演變規(guī)律。從結(jié)果（圖8）來(lái)看，BCC模式對(duì)副高脊線的預(yù)報(bào)明顯優(yōu)于其他兩個(gè)模式。ACC評(píng)分僅在預(yù)報(bào)時(shí)效為1～2個(gè)月時(shí)與CRA數(shù)據(jù)反映的實(shí)況有較大地降低，隨后預(yù)報(bào)評(píng)分始終維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，這可能是由脊線指數(shù)較強(qiáng)的季節(jié)循環(huán)導(dǎo)致。ECMWF模式對(duì)副高脊線的預(yù)報(bào)性能在預(yù)報(bào)時(shí)效為1～2個(gè)月時(shí)要優(yōu)于NCEP模式，但NCEP在隨后預(yù)報(bào)時(shí)效中表現(xiàn)較好，并維持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間。這說(shuō)明副高脊線指數(shù)的預(yù)報(bào)技巧主要由季節(jié)循環(huán)貢獻(xiàn)，預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)對(duì)脊線的預(yù)報(bào)技巧影響不大。

圖8 西太副高指數(shù)的空間距平相關(guān)系數(shù)（a.脊線指數(shù)，b.脊點(diǎn)指數(shù)，c.面積指數(shù)，d.強(qiáng)度指數(shù)）

三個(gè)模式對(duì)副高脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)都較差，與上述一致。表現(xiàn)為ACC評(píng)分較副高脊線的評(píng)分有明顯下降。盡管在個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效NCEP模式的評(píng)分較高，但整體上而言，BCC模式對(duì)副高脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)性能優(yōu)于其他兩個(gè)模式。ECMWF模式在較短的預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)性能優(yōu)于NCEP模式，但隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，NCEP模式在個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的預(yù)報(bào)技巧高于ECMWF模式，模式預(yù)報(bào)技巧表現(xiàn)較不穩(wěn)定。

另外，ECMWF模式對(duì)副高面積的預(yù)報(bào)明顯好于其他兩個(gè)模式，盡管該模式對(duì)副高面積的量級(jí)有較弱估計(jì)，表明該模式更能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)副高面積的演變趨勢(shì)。BCC模式在預(yù)報(bào)時(shí)效較短（預(yù)報(bào)時(shí)效＜5個(gè)月）時(shí)，對(duì)副高面積的預(yù)報(bào)優(yōu)于NCEP模式。但NCEP模式的預(yù)報(bào)技巧隨預(yù)報(bào)時(shí)效的遞減速度較慢，當(dāng)預(yù)報(bào)時(shí)效＞5個(gè)月時(shí)，該模式的預(yù)報(bào)技巧高于BCC模式。

與副高面積指數(shù)較為一致，ECMWF模式對(duì)副高強(qiáng)度的預(yù)報(bào)性能最佳，盡管該模式對(duì)副高強(qiáng)度的預(yù)報(bào)存在系統(tǒng)性偏差，但卻更能抓住副高強(qiáng)度的演變。在預(yù)報(bào)時(shí)效＜5個(gè)月時(shí)，BCC模式對(duì)副高強(qiáng)度的預(yù)報(bào)明顯優(yōu)于NCEP模式，但隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，NCEP模式在個(gè)別預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)技巧要高于BCC模式，表現(xiàn)出較慢的遞減速率。

4 結(jié)論

本研究使用了來(lái)自BCC的MODES的三個(gè)海氣耦合模式回報(bào)數(shù)據(jù)，評(píng)估并對(duì)比了三個(gè)模式對(duì)500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)性能，并進(jìn)而檢驗(yàn)了三個(gè)模式對(duì)西北太平洋副高的預(yù)報(bào)能力。首先通過(guò)兩種評(píng)分，即時(shí)間距平相關(guān)系數(shù)（TCC）和空間距平相關(guān)系數(shù)（ACC），評(píng)估了模式對(duì)于全球500hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)性能。隨后，本研究評(píng)估了三個(gè)模式對(duì)西北太平洋副高的預(yù)報(bào)性能。通過(guò)副高的四個(gè)指數(shù)，即脊線，西伸脊點(diǎn)，面積和強(qiáng)度指數(shù)，分別表征副高的南-北向移動(dòng)，東-西向移動(dòng)以及副高的強(qiáng)度。結(jié)果表明：

（1）無(wú)論采用哪一種評(píng)分，三個(gè)模式均在熱帶地區(qū)顯示出高預(yù)報(bào)技巧，這可能與熱帶地區(qū)的自然內(nèi)部變率較低且大氣能直接對(duì)SST的變化產(chǎn)生響應(yīng)有關(guān)。

（2）從預(yù)報(bào)性能的空間分布來(lái)看，BCC模式對(duì)北半球的預(yù)報(bào)好于南半球，對(duì)中緯度地區(qū)的預(yù)報(bào)呈現(xiàn)出波列狀分布，其分布特征與歐亞-太平洋（EU）型和太平洋-北美（PNA）型等遙相關(guān)型相似。BCC模式在東亞大陸和西北太平洋地區(qū)表現(xiàn)出較高預(yù)報(bào)技巧，表明其對(duì)西北太平洋副高有較高預(yù)報(bào)能力。在天氣氣候系統(tǒng)較敏感的關(guān)鍵區(qū)MC區(qū)域，EC模式TCC評(píng)分最高。且其穩(wěn)定性也優(yōu)于BCC和NCEP模式。NCEP模式的預(yù)報(bào)技巧在三個(gè)模式中最低，預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性較差，尤其對(duì)亞洲地區(qū)的環(huán)流預(yù)報(bào)明顯差于其他兩個(gè)模式。

（3）從預(yù)報(bào)性能的時(shí)間變化來(lái)看，EC模式的預(yù)報(bào)技巧略高于BCC模式，NCEP模式是三者之中最差。模式預(yù)報(bào)技巧均表現(xiàn)出明顯的年際變化，并且在中等強(qiáng)度以上厄爾尼諾事件發(fā)生之后預(yù)報(bào)技巧較高，意味著ENSO事件是季節(jié)尺度500hPa高度場(chǎng)的可預(yù)報(bào)性來(lái)源。

（4）從西太副高時(shí)空變化來(lái)看，副高脊線、面積和強(qiáng)度的季節(jié)性變化在三個(gè)模式中均得到較好的預(yù)報(bào)；副高脊點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品年際變率較顯著，可能受年際信號(hào)如ENSO的調(diào)制；副高強(qiáng)度預(yù)報(bào)產(chǎn)品的年際變化和季節(jié)內(nèi)變化，意味著副高強(qiáng)度可能受到ENSO、MJO等多種因子的調(diào)節(jié)作用。BCC模式預(yù)報(bào)性能明顯優(yōu)于其他兩個(gè)模式，其預(yù)報(bào)的副高位置和強(qiáng)度均與觀測(cè)最接近，而其他兩個(gè)模式預(yù)報(bào)的副高都偏南偏東且偏弱。從預(yù)報(bào)演變趨勢(shì)上來(lái)看，模式對(duì)于副高脊線的預(yù)報(bào)技巧最高，其次是副高強(qiáng)度，然后是副高面積，而副高脊點(diǎn)的預(yù)報(bào)技巧最差。