短期氣候預測基礎：第7章 短期氣候預測的物理統(tǒng)計方法

1、 東北10站有效積溫距平（71-00）東北10站有效積溫距平（71-00） -2000-2000 -1000-1000 0 0 10001000 20002000 30003000 40004000 19611961196619661971197119761976198119811986198619911991199619962001200120062006 東北東北10站有效積溫距平歷年變化站有效積溫距平歷年變化 目前編號臺風數(shù)目前編號臺風數(shù) 處于偏少的階段處于偏少的階段 ，登陸臺風在平，登陸臺風在平 均值附近波動。均值附近波動。 夏（前期）季、冬（后期）亞洲區(qū)域極渦面積指數(shù)夏（前期）季、冬

2、（后期）亞洲區(qū)域極渦面積指數(shù) 的年際變化曲線的年際變化曲線 夏季降水與前冬環(huán)流場的夏季降水與前冬環(huán)流場的SVD_1向量（向量（0.7） PNA 譚桂容，孫照渤，趙振國譚桂容，孫照渤，趙振國.我國東部夏季降水與北半球大氣環(huán)流和北太平洋海溫的關系我國東部夏季降水與北半球大氣環(huán)流和北太平洋海溫的關系 南京氣象學院學報南京氣象學院學報,1998,21(1)：1-7 8% 16% 在預測中考慮的主要物理因子：在預測中考慮的主要物理因子： u海溫（海溫（ENSO ENSO 現(xiàn)象）、冰雪覆蓋、地溫等下墊現(xiàn)象）、冰雪覆蓋、地溫等下墊 面熱力因素；面熱力因素； u亞洲季風、熱帶對流活動、赤道輻合帶、越赤亞洲季風

3、、熱帶對流活動、赤道輻合帶、越赤 道氣流、青藏高壓、西太平洋副熱帶高壓、中緯道氣流、青藏高壓、西太平洋副熱帶高壓、中緯 度阻塞高壓、極渦、遙相關型、準兩年振蕩度阻塞高壓、極渦、遙相關型、準兩年振蕩 （QBOQBO）、三大濤動等大氣活動中心或大氣環(huán)流）、三大濤動等大氣活動中心或大氣環(huán)流 系統(tǒng)；系統(tǒng)； u太陽活動、天文因素、地球物理因素等。太陽活動、天文因素、地球物理因素等。 海 溫 海 冰 積 雪 地 溫 其他 阻高 副高 季 風 冷空氣 副高 梅雨鋒梅雨鋒 高緯系統(tǒng)高緯系統(tǒng) 冷空氣 極渦 季風季風 前期秋季前期秋季前期冬季前期冬季 前期春季前期春季同期夏季同期夏季 ENSOENSO預測模型預測

4、模型 El Nio 發(fā)展階段發(fā)展階段 El Nio 衰亡階段衰亡階段 La Nia 發(fā)展階段發(fā)展階段 La Nia衰亡階段衰亡階段 20 20世紀世紀80 80 年代后期開始，氣象系統(tǒng)各級業(yè)務部年代后期開始，氣象系統(tǒng)各級業(yè)務部 門都先后建立了門都先后建立了第一代以物理統(tǒng)計方法為主的短期氣第一代以物理統(tǒng)計方法為主的短期氣 候預測自動化業(yè)務系統(tǒng)候預測自動化業(yè)務系統(tǒng)，形成了一個完整的客觀化、，形成了一個完整的客觀化、 自動化的業(yè)務流程，這使短期氣候預測向現(xiàn)代化又邁自動化的業(yè)務流程，這使短期氣候預測向現(xiàn)代化又邁 進了一大步，基本結束了資料處理和預測制作的手工進了一大步，基本結束了資料處理和預測制作的手

5、工 和半手工操作局面。和半手工操作局面。 從數(shù)理統(tǒng)計預測到物理統(tǒng)計預測從數(shù)理統(tǒng)計預測到物理統(tǒng)計預測, , 這是短期氣候這是短期氣候 變化和預測理論發(fā)展在業(yè)務方法上進步的體現(xiàn)變化和預測理論發(fā)展在業(yè)務方法上進步的體現(xiàn), , 它不它不 僅有助于直接提高預測水平僅有助于直接提高預測水平, , 同時對提高統(tǒng)計因子的同時對提高統(tǒng)計因子的 質(zhì)量和改進動力學方法的物理過程都起到促進作用。質(zhì)量和改進動力學方法的物理過程都起到促進作用。 u方法有多種，主要包括方法有多種，主要包括線性方法線性方法（多元線性回歸（多元線性回歸 方法、逐步回歸方法、主分量分析（方法、逐步回歸方法、主分量分析（PCAPCA）與多元）與多

6、元 線性回歸相結合的方法，線性回歸相結合的方法，PCAPCA與與CCACCA、SVDSVD相結合的相結合的 方法等）和方法等）和非線性方法非線性方法（人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法等）；（人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法等）； 預測模型預測模型 后報試驗后報試驗獨立試報試驗獨立試報試驗 一類雨型一類雨型( (北方型北方型) ) 二類雨型二類雨型( (中間型中間型) ) 三類雨型三類雨型( (南方型南方型) ) 冬季高度場與后夏季降水奇異值分解的第一對向量冬季高度場與后夏季降水奇異值分解的第一對向量 冬季高度場與后夏季降水奇異值分解的第三對向量冬季高度場與后夏季降水奇異值分解的第三對向量 一類雨型一類雨型 二類雨型二類雨型

7、三類雨型三類雨型 前冬海溫場合成前冬海溫場合成 u動力方法是確定論的，它基于物理定律的 初值（邊值）問題，認為未來狀態(tài)是現(xiàn)在 狀態(tài)和制約起變化的物理規(guī)律所確定的必 然結果 ； u但沒有利用或沒有充分利用已有的實況歷 史資料。 u統(tǒng)計方法是隨機的觀點，它則利用了實況 資料，承認未來狀態(tài)有不確定性，期望依 據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)和近期的演變對未來做出概率 的推斷； u但沒有利用或充分利用已掌握的物理知識。 )( 00 xfy pp 0 y 0 x )( tppt xfy t x t y )( 00 xfy mos 0 y 0 x )( tmost xfy t x t y )( XFY Y 動力延伸預報產(chǎn)品釋用

8、方法動力延伸預報產(chǎn)品釋用方法 及其在月季降水預報中的應用及其在月季降水預報中的應用 陳麗娟陳麗娟 李維京李維京 可見局地降水距平與：可見局地降水距平與： 第二項：形勢場距平的拉普拉斯有關，反映了第二項：形勢場距平的拉普拉斯有關，反映了 大氣的輻合、輻散情況，體現(xiàn)了與降水有關的大氣的輻合、輻散情況，體現(xiàn)了與降水有關的 大氣垂直運動；大氣垂直運動； 第三項：形勢場距平的緯向切變有關，反映了第三項：形勢場距平的緯向切變有關，反映了 東西氣流交匯的影響；東西氣流交匯的影響； 第四項：形勢場距平的經(jīng)向切變有關，體現(xiàn)了第四項：形勢場距平的經(jīng)向切變有關，體現(xiàn)了 冷暖空氣交匯對降水的影響；冷暖空氣交匯對降水的

9、影響； 第五項：形勢場距平有關；第五項：形勢場距平有關； 有清晰的天氣學意義。有清晰的天氣學意義。 443322110 XAXAXAXAARa XB 1 2 X x B 2 X y B 3 XB 4 試驗設計試驗設計: 試驗一試驗一(PP(PP法法):NCEP/NCAR):NCEP/NCAR再分析資料和站點降水觀測資料再分析資料和站點降水觀測資料 進行應用試驗進行應用試驗 , ,檢驗解釋能力。檢驗解釋能力。 u利用利用NCEP/NCARNCEP/NCAR再分析資料再分析資料1951-19911951-1991年的年的500hPa500hPa高度場高度場 和國家氣候中心和國家氣候中心160160

10、站降水資料站降水資料確定站點降水距平百分率預確定站點降水距平百分率預 報方程報方程； u用用1992-20011992-2001年的資料進行年的資料進行實況解釋預報檢驗實況解釋預報檢驗； u然后利用該方程和模式結果進行然后利用該方程和模式結果進行20022002年以后的降水年以后的降水預報預報 試驗試驗。 解釋應用方法預報月降水試驗評估 （1992-2001,10年） 2002年預測實例 2002 T63業(yè)務預報 PcSS1SS2ACCTsPcACC 174.4117.0929.960.3626.966.670.13 245.45-22.45-3.450.123.0767.480.05 362

11、.640.5115.950.257.9457.58-0.1 472.7329.8540.730.431.75600.14 571.0824.7436.420.334.7267.50.01 667.4711.9925.650.125.0854.39-0.06 755.56-9.697.330.091.5670.830.29 858.395.6120.26-0.060.7471.690.35 961.459.4423.490.34.2678.490.13 1053.05-0.7714.87-0.263.0356.97-0.09 11646.8921.340.036.5269.280.13 1273

12、.0832.442.890.1620.9248.590.29 63.288.8022.950.167.2164.120.11 20022002年年5 5月預報月預報 T63T63解釋結果解釋結果實況實況 20022002年年6 6月預報月預報 T63T63解釋結果解釋結果實況實況 各省建立的解釋應用業(yè)務系統(tǒng)各省建立的解釋應用業(yè)務系統(tǒng) 模式預報誤差分別模式預報誤差分別來源于資料和模式誤差來源于資料和模式誤差，誤差的存在導致初，誤差的存在導致初 值和模式存在不確定性，由它們所引起的預報誤差增長分別稱為值和模式存在不確定性，由它們所引起的預報誤差增長分別稱為內(nèi)內(nèi) 部和外部部和外部誤差增長。誤差增長。

13、 u由于模式誤差的存在，模式長期積分會趨向于模式內(nèi)在的統(tǒng)計平由于模式誤差的存在，模式長期積分會趨向于模式內(nèi)在的統(tǒng)計平 衡狀態(tài)（即模式氣候），這種與實際氣候的偏差被稱為衡狀態(tài)（即模式氣候），這種與實際氣候的偏差被稱為系統(tǒng)性誤差系統(tǒng)性誤差 或氣候漂移或氣候漂移。 u模式誤差還包含依賴于時間變化的部分（可稱為模式誤差還包含依賴于時間變化的部分（可稱為時變誤差時變誤差）, ,這這 種誤差隨環(huán)流型而變化。種誤差隨環(huán)流型而變化。 模式系統(tǒng)性誤差的訂正模式系統(tǒng)性誤差的訂正，主要有兩種：，主要有兩種： （1 1）后驗（或事后）訂正后驗（或事后）訂正：只在整個積分完成后對預報結果進行：只在整個積分完成后對預報結

14、果進行 訂正處理，訂正處理，MOSMOS技術也屬此類；技術也屬此類； （2 2）過程訂正過程訂正：在積分過程中固定間隔反復訂正。：在積分過程中固定間隔反復訂正。 時變誤差的訂正：時變誤差的訂正： （1 1）使用近期資料和模式預報來估計，并對當前初值的預報進行）使用近期資料和模式預報來估計，并對當前初值的預報進行 訂正，缺點是僅用到最近數(shù)據(jù)，信息量太少，估計的訂正量可能不訂正，缺點是僅用到最近數(shù)據(jù)，信息量太少，估計的訂正量可能不 夠穩(wěn)定；夠穩(wěn)定； （2 2）建立由預報變量計算誤差訂正量的統(tǒng)計關系，該方法并沒有）建立由預報變量計算誤差訂正量的統(tǒng)計關系，該方法并沒有 先驗地增加可用信息量，統(tǒng)計關系的

15、樣本穩(wěn)定性也難以保證。先驗地增加可用信息量，統(tǒng)計關系的樣本穩(wěn)定性也難以保證。 距平百分率訂正方法（CM-old） 基于ENSO分類的訂正方法（CM-ENSO） ii aa 訂正后第i 年的量 訂正前第i 年的量 訂正量 h ba 模式模擬的量 觀測的量 總體平均 訂正思路 CMENSO訂正方案是在降水距平百分率（CM-AP） 訂正方案上，對于不同ENSO類而進行的 年 年 年 L3 N2 E1 i i i dc i ki CM-ENSO訂正量 ii cc 相似相似- -動力模式動力模式 一般意義上，一般意義上， 數(shù)值預報模式可以表示成下面數(shù)值預報模式可以表示成下面Cauchy Cauchy 問

16、題的解問題的解: : 其中，其中，x x是空間坐標向量，是空間坐標向量，y y是預報的狀態(tài)向量，是預報的狀態(tài)向量，L L是是y y的微的微 分算子（通常是非線性），分算子（通常是非線性）， F F是模式中忽略的誤差算子。是模式中忽略的誤差算子。 )()( FL t 0),()0 ,(txGx 相似相似- -動力模式動力模式 在相似在相似- -動力模式中，動力模式中， 被分成參考態(tài)和擾動態(tài)，即：被分成參考態(tài)和擾動態(tài)，即： ， 是從歷史觀測資料中選出相似的狀態(tài)向量。參考態(tài)按是從歷史觀測資料中選出相似的狀態(tài)向量。參考態(tài)按 照下面方程表示：照下面方程表示： 可以得到擾動態(tài)的方程：可以得到擾動態(tài)的方程：

17、 % % )()( % 1 % % FL t )()()()( % 1 % FFLL t )()( FL t )( ) ()( ) ( % 1 % FFLL t )()( ) ( % 1 % FFF 0)()( % LL t 0)( L t 實際工作中：實際工作中： 說明由于考慮環(huán)流異常相似演變的作用，相似說明由于考慮環(huán)流異常相似演變的作用，相似- -動力模式動力模式 將會比動力模式或相似預報方法的精度更高。將會比動力模式或相似預報方法的精度更高。 圖圖8.2.1 全球全球500hPa高度逐日預報與實況的高度逐日預報與實況的ACC (a) 緯向平均部分；緯向平均部分；(b)超長波部分；超長波部

18、分；(c)天氣尺度部分。天氣尺度部分。 實線：相似動力集合預報；虛線：動力預報（實線：相似動力集合預報；虛線：動力預報（12例平均，預報時間例平均，預報時間/d） 相似動力相似動力動力動力 由于使用由于使用不同的預測方法不同的預測方法，預測的結果會，預測的結果會 不同；來自不同；來自不同單位不同單位的預測結果也會有差異，的預測結果也會有差異， 然而發(fā)布的預測結果必須是然而發(fā)布的預測結果必須是唯一唯一的。因此，我的。因此，我 們可以通過們可以通過集成預報集成預報方法，來綜合分析各種不方法，來綜合分析各種不 同方法以及不同來源的預測結果，最后給出一同方法以及不同來源的預測結果，最后給出一 個統(tǒng)一的

19、預測結果。個統(tǒng)一的預測結果。 副高副高海溫綜合海溫綜合AO活動活動 年代際背景年代際背景統(tǒng)計客觀預測統(tǒng)計客觀預測 動力統(tǒng)計相結合客觀預測動力統(tǒng)計相結合客觀預測 副高副高海溫綜合海溫綜合AO活動活動 年代際背景年代際背景統(tǒng)計客觀預測統(tǒng)計客觀預測動力統(tǒng)計相結合客觀預測動力統(tǒng)計相結合客觀預測 Ntxt, 2 , 1, Lljx lN , 2 , 1),( Jj, 2 , 1 J j lNjlN jxwx 1 )( Jjw j , 2 , 1, 1 1 J j j w N j jktjktjkt PPW 1 2 , 2 , / N j jktjktkt FWF 1 , jkt F , jkt W ,

20、jkt P , N 汛期降水預測回顧-1998 實 況NCC預報 預 測 評 分 20%20%20%-20% 氣候業(yè)務系統(tǒng)氣候業(yè)務系統(tǒng) 理論研究理論研究 氣候預測業(yè)務氣候預測業(yè)務 觀測資料觀測資料 影響因子及其機理影響因子及其機理 氣候監(jiān)測、診斷氣候監(jiān)測、診斷 氣候動力模式預測氣候動力模式預測 觀測資料分析觀測資料分析 應用氣候研究應用氣候研究 影響評估影響評估 預評估預評估 公共服務公共服務 需求分析需求分析 國家氣候中心國家氣候中心 1 1、對氣候系統(tǒng)的多圈層監(jiān)測、對氣候系統(tǒng)的多圈層監(jiān)測 北半球積雪 冰雪圈監(jiān)測冰雪圈監(jiān)測 北半球海冰密集度 區(qū)域積雪指數(shù) 亞洲 中國 全球 全球與中國逐日全球

21、與中國逐日旱澇監(jiān)測旱澇監(jiān)測 季風監(jiān)測 爆發(fā)/結束 逐日指數(shù) 夏季風強度 水汽輸送 極端事件監(jiān)測極端事件監(jiān)測 2006年夏季 重慶高溫 2008年初南方 低溫雨雪冰凍 2 2、動力氣候模式預測業(yè)務、動力氣候模式預測業(yè)務 化系統(tǒng)的建立化系統(tǒng)的建立 結構與流程 產(chǎn)品平臺產(chǎn)品平臺 http:/ http:/ 海洋資料同化產(chǎn)品 1.時間尺度：逐月 2.變量:海洋溫度和鹽度 3.時段： 1982年1月至今， 每月更新 4.空間分辨率： 194lon92lat30lev 動力延伸預報： 1.變量：500hPa 高度場、降水距平百分率、 2m氣溫、700hPa風場、SLP 2.區(qū)域：亞洲（15S-65N, 40E-175E）、 東北半球、北半球、全球 3.時效：未來40天，每5天滾動更新 海氣耦合模式預報： 1.要素：海溫距平、地面溫度距平、 500hPa 高度場、850hPa 溫度場、降水 距平百