陳官軍 魏鳳英

1 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081

2 中國科學院研究生院，北京 100049

3 中國人民解放軍96164部隊58分隊，浙江 321021

基于低頻振蕩特征的夏季江淮持續(xù)性降水延伸期預報方法

陳官軍1，2，3魏鳳英1

1 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081

2 中國科學院研究生院，北京 100049

3 中國人民解放軍96164部隊58分隊，浙江 321021

本文利用1981～2008年我國南方地區(qū)200站逐日降水量、NCEP再分析資料和NCEP氣候預報系統(tǒng)（CFS）的模式回算數(shù)據(jù)，針對降水低頻信號，分析了江淮地區(qū)夏季降水的延伸期可預報性，并選取對江淮持續(xù)性強降水有顯著影響的東亞環(huán)流指數(shù)作為預報因子，以降水20～50天低頻分量作為預報量，進行了針對江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程的延伸期預報試驗。結果表明，江淮地區(qū)夏季降水具有明顯的20～50天周期的低頻振蕩特征。降水的20～50天低頻振蕩，尤其是峰谷值位相的變化與實際降水集中期和中斷期的交替有較好的關系，研究20～50天降水低頻分量的延伸預報，對于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程的延伸預報有一定的指示意義。本文嘗試提出一種基于大氣環(huán)流低頻信號和數(shù)值模式預報產(chǎn)品的動力與統(tǒng)計相結合的預報方法，以期為江淮地區(qū)夏季持續(xù)性降水過程的延伸期預報提供參考。

持續(xù)性強降水過程延伸預報 低頻振蕩 氣候預報系統(tǒng) 預報方法

1 引言

夏季風爆發(fā)和盛行的時期，是我國暴雨的季節(jié)，其中最顯著的降雨是江淮地區(qū)的梅雨。梅雨期降雨，尤其是造成洪澇災害的持續(xù)性強降水過程的研究和預報，一直都是我國氣象工作者最關心的問題之一。大范圍降雨天氣系統(tǒng)的準靜止性和再生性是持續(xù)性強降水產(chǎn)生的重要條件，而這種有利的降水形勢主要是持續(xù)性的大尺度環(huán)流異常造成的。研究表明 （陶詩言等，1980；丁一匯，2005），我國暴雨的發(fā)生主要受三個大尺度環(huán)流因子的影響：第一，東亞夏季風的爆發(fā)和撤退決定了我國東部雨季的開始和結束，而降水的強度和變化與夏季風脈動密切相關；第二，西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓的位置決定了主雨帶的位置；第三，東亞中高緯度大氣環(huán)流的異常是決定暴雨是否有利的關鍵因素。因此，把握上述大尺度環(huán)流系統(tǒng)的未來變化趨勢是做好持續(xù)性強降水預報的關鍵。進一步，可以理解為這些具有準定常性質(zhì)的大氣流型出現(xiàn)，或者某些異常環(huán)流的信號明顯且持續(xù)時，較長時間尺度的天氣過程往往具有較好的可預報性，因為這些強的異常環(huán)流一般會引發(fā)后期的極端持續(xù)性天氣氣候異常（金榮花等，2010）。

當前，數(shù)值天氣預報能夠比較準確地預報未來5～10天的天氣形勢，但是隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和科學技術的進步，對未來天氣的變化，特別是對未來10～30天的天氣變化的預報需求愈來愈高。但由于前兆信號監(jiān)測條件和科學基礎的制約，10～30天延伸期天氣過程物理機制中還有許多問題沒有解決，延伸數(shù)值預報模式尚未達到業(yè)務運行的要求（楊秋明，2008）。因此，延伸期預報 （10～30天）的方法和機理成為國內(nèi)外研究的熱點問題。我國目前處于延伸預報的探索研究階段，就預報方法而言，主要有動力學方法和統(tǒng)計學方法。對于動力方法來說，目前的研究主要集中在對動力延伸預報的可預報性研究上，如模式延伸預報效果的評估、誤差來源和誤差增長機制以及如何減小模式預報誤差等等 （陳伯民等，2003；鄭志海等，2010），其中對于數(shù)值模式對大氣季節(jié)內(nèi)振蕩特征模擬效果的研究與延伸預報有更加密切的關系 （Boer，1993；李崇銀等，2006；蔣國榮等，2007；倪文琪和蔣國榮，2010），但是延伸期天氣過程既有初始場的影響，又受到外強迫的制約，單純地采用天氣或者氣候數(shù)值模式來完成延伸預報還存在很大困難。針對延伸期統(tǒng)計預報方法的研究主要是圍繞大氣季節(jié)內(nèi)振蕩特征來開展的 （Jones et al.，2000，2003；Xavier and Goswami，2007；信飛等，2008；孫國武等，2008）?？深A報性研究證實 （Van den Dool and Saha，1990；李崇銀，2000），不同空間尺度的大氣運動的可預報的時間長度是存在差異的，導致持續(xù)性強降水過程的原因是大尺度系統(tǒng)異常的長時間穩(wěn)定和維持。如阻塞高壓、副熱帶高壓、南亞高壓和越赤道低空急流等系統(tǒng)異常的穩(wěn)定和維持，對于持續(xù)性降水過程有重要影響 （陳于湘，1980；陳菊英等，2006；楊秋明，2009；趙亮和丁一匯，2009）。對于我國南方夏季強降水過程的研究表明，出現(xiàn)持續(xù)性強降水過程不僅與大氣環(huán)流異常穩(wěn)定有關，還與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩相聯(lián)系 （何金海，1988；繆錦海和劉家銘，1991；琚建華等，2005；張瑛等，2008）。一些研究結果表明 （Waliser et al.，1999；Lo and Hendon，2000；Hendon et al.，2000），基于季節(jié)內(nèi)振蕩的降水潛在可預報性時效為15天，環(huán)流場可達30天。國外一些氣象部門將季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù)作為實時監(jiān)測與診斷的工具，并在此基礎上采用統(tǒng)計模型進行熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的實時預測 （Wheeler and Hendon，2004；Saha et al.，2006）。我國近幾年開展了延伸期預報的探索 （Zhang et al，2009；梁萍，2010），主要根據(jù)大氣低頻振蕩的特性預報未來降水過程，具有一定的預報效果 （丁一匯和梁萍，2010），但目前還缺少可以用于業(yè)務的延伸期客觀預報方法。

前期作者曾對美國國家環(huán)境預測中心氣候預報系統(tǒng) （NCPE Climate Forecast System，NCEP／CFS）對東亞大氣環(huán)流場的預報技巧進行了評估（陳官軍等，2010），發(fā)現(xiàn)該模式準雙周 （10～20天）和30～50天低頻振蕩分量的延伸期的預報技巧高于對整體環(huán)流的預報技巧，尤其是對持續(xù)性強降水產(chǎn)生直接影響的關鍵系統(tǒng)演變趨勢的預報技巧具有較強的參考價值。這就提示我們，可以利用數(shù)值模式對未來環(huán)流場的預報產(chǎn)品，以大氣低頻振蕩特征為物理基礎，以動力與統(tǒng)計學相結合為手段，建立延伸期降水的客觀預報模型。本文在分析江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程延伸期可預報性的基礎上，利用降水20～50天低頻分量與持續(xù)性強降水過程的對應關系，結合NCEP／CFS模式延伸期預報產(chǎn)品，建立針對江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程的客觀預報模型，同時進行了試預報和試驗結果檢驗。

2 資料

本文使用的資料有：

（1）國家氣象信息中心提供的1981～2008年我國南方地區(qū) （105°E以東，34°N以南）200站逐日降水量。

（2）美國國家環(huán)境預測中心 （NCEP）提供的1949～2008年2.5°×2.5°網(wǎng)格點逐日再分析II資料 ［NCEP／DOE Atmospheric Model Intercomparison Project（AMIP）II Reanalysis（R2）data］，作為環(huán)流場觀測數(shù)據(jù)。

（3）NCEP／CFS（NCPE Climate Forecast System）所提供的1981～2008年的逐日歷史回報試驗結果作為數(shù)值預報資料，水平網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°，預報時效從24小時到6480小時，間隔12小時。

3 江淮地區(qū)夏季持續(xù)性降水過程的可預報性

與副熱帶季風密切相關的梅雨現(xiàn)象對長江中下游—淮河流域的夏季旱澇有著重要的影響。從以往的研究發(fā)現(xiàn)，梅雨降水的強度和變化與夏季風系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)活動密切相關，那么，在這種季節(jié)內(nèi)脈動的影響下，江淮地區(qū)梅雨降水呈現(xiàn)出顯著的低頻振蕩特征 （陸爾和丁一匯，1996；李桂龍和李崇銀，1999；Yang and Li，2003；毛江玉和吳國雄，2005；夏蕓等，2008）。我們運用功率譜方法分析了1981～2008年江淮地區(qū)4～9月逐日降水序列的頻譜特征。如圖1，將相應周期的譜密度除以α＝0.05的紅噪音標準譜，繪制成28年江淮地區(qū)夏季降水的譜比值分布，當譜比值大于1.0代表該周期超過0.05顯著性水平，比值越大表明周期越顯著。從圖1可以看出，江淮地區(qū)4～9月逐日降水變化通過顯著性檢驗的周期為20～50天、10～20天和6～7天。其中20～50天振蕩在整個28年中均顯著，10～20天周期振蕩除了在1991～1994年和2000～2001年期間不明顯外，在其他年份都顯著存在。降水量7天左右的周期變化反映了天氣尺度過程的影響，而將10天以上90天以內(nèi)的周期變化視為低頻變化，因此，20世紀80年代至今，4～9月江淮地區(qū)逐日降水量具有顯著的周期為20～50天的低頻振蕩特征。

進一步利用Butterworth帶通濾波方法提取1981～2008年平均的江淮地區(qū)4～9月逐日降水的20～50天低頻分量，如圖2所示，20～50天低頻分量分別在4月上旬至5月上旬、6月中旬至7月上旬和8月中旬至9月上旬處于正位相，與實際降水的三個主要降水時間段分布一致。進一步計算20～50天低頻分量的方差，并除以實際降水量的方差得到相對方差，即低頻分量對實際降水量的方差貢獻，發(fā)現(xiàn)在整個4～9月20～50天低頻分量對實際降水的方差貢獻率為20.8%，而在梅雨發(fā)展最旺盛的6月中旬到7月上旬，20～50天低頻分量的方差貢獻增加到34%。因此，在氣候平均狀況下，20～50天低頻變化，尤其是其正負位相變化能夠反映持續(xù)性的強、弱降水過程的交替演變。

圖1 1981～2008年江淮地區(qū)4～9月逐日降水量功率譜比值分布Fig.1 Power spectrum ratio distribution of daily rainfall during Apr to Sep from 1981to 2008over the Yangtze－Huaihe River Valley（YHRV）

圖2 江淮地區(qū)4～9月多年平均實際日降水量 （實線）和20～50天低頻分量 （虛線）Fig.2 The 1981－2008average daily rainfall over the YHRV （solid line）and the 20－50－day low－frequency component（dashed line）

那么，上述變化特征與實際的持續(xù)性強降水過程有怎樣的關系？下面分析各年的情況，同樣以Butterworth帶通濾波方法提取1981～2008年各年的江淮地區(qū)4～9月逐日降水的20～50天低頻分量，并計算其方差貢獻。分析發(fā)現(xiàn)，20～50天低頻分量對于實際降水的貢獻有明顯的年際差異，上下限分別為6%和28.5%，平均近15%。這種變化還體現(xiàn)在，江淮地區(qū)強降水出現(xiàn)頻數(shù)相對較大的年份，如1983年、1991年、1996年、1998年、1999年和2003年，20～50天低頻分量的方差貢獻大于平均值。進一步計算4～9月江淮地區(qū)強降水頻數(shù)（日降水量大于20mm的日數(shù)）與低頻分量方差貢獻率的相關系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，20～50天低頻分量與江淮地區(qū)4～9月強降水頻數(shù)有顯著的正相關 （相關系數(shù)為0.66，超過0.001的顯著性水平）。同時，如圖3所示，以1983年、1991年、1998年、2003年為例，在出現(xiàn)持續(xù)性強降水過程的年份，20～50天的準周期振蕩與實際強降水過程的演變有一定關系，特別是其峰谷值位相與降水集中期和中斷期非常吻合。因此，就江淮地區(qū)夏季降水而言，20～50天低頻振蕩能夠反映持續(xù)性強降水過程的發(fā)生、發(fā)展和終結，江淮地區(qū)夏季降水20～50天低頻分量的延伸預報，對于實際持續(xù)性強降水過程的延伸預報具有一定的指示意義。

圖3 1983年、1991年、1998年和2003年4～9月份逐日降水量 （柱狀）及其20～50天低頻分量 （實線）演變Fig.3 The evolution of original precipitation and the 20－50－day component during Apr to Sep in 1983，1991，1998，and 2003

4 預報因子的選取及其對實際降水的擬合

副熱帶高壓、阻塞高壓、青藏高壓和西南季風氣流等大尺度天氣系統(tǒng)的低頻振蕩過程及低頻波列的傳播與直接影響江淮地區(qū)降水過程的低頻環(huán)流系統(tǒng)演變有密切聯(lián)系。同時，如果希望采用數(shù)值預報的產(chǎn)品來結合統(tǒng)計規(guī)律建立延伸期預報模型，則需要同時兼顧數(shù)值模式的預報精度和統(tǒng)計模型的顯著性。NCEP／CFS對于夏季東亞地區(qū)大尺度環(huán)流系統(tǒng)的低頻變化過程的延伸期預報有很強的利用價值，因此，結合前人的研究 （陶詩言等，2001），將與江淮地區(qū)低頻降水過程相關的大尺度天氣系統(tǒng)客觀、定量化，就能夠為江淮地區(qū)延伸期降水客觀預報提供合適的預報因子。

4.1 東亞關鍵環(huán)流系統(tǒng)指數(shù)的定義

傳統(tǒng)的數(shù)值模式產(chǎn)品釋用中預報因子處理方法，通常是將數(shù)值預報產(chǎn)品的格點預報值直接內(nèi)插到站點上作為站點的預報因子，再與站點的預報對象建立預報方程，而位勢高度場、風場等常規(guī)要素場往往可以反映大氣運動中天氣系統(tǒng)的變化情況，但必須以“形勢場”的形式出現(xiàn)時才能體現(xiàn)天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景的特征。持續(xù)性強降水總是與特定的天氣系統(tǒng)異常相聯(lián)系，如將模式預報值直接插值到預報站點上，則無法體現(xiàn)天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景的特征。我們嘗試將影響持續(xù)性降水的東亞大尺度關鍵環(huán)流系統(tǒng)指數(shù)作為預報因子引入預報模型，改善MOS法或PPM法等傳統(tǒng)釋用方法在天氣和動力學意義上的缺陷。參考其他人的工作 （趙振國，1999；劉平等，2000；王會軍和薛峰，2003；王瀛等，2007；彭麗霞等，2009），定義10個環(huán)流指數(shù)如下：

（1）西太平洋副熱帶高壓強度指數(shù) （Subtropical High Intensity，簡稱SubHI）：10°N以北，110°E～150°E范圍，大于5880gpm的編碼之和 （5880＝1，5890＝2，5900＝3...）；

（2）西太平洋副熱帶高壓脊線位置 （Subtropical High Ridge，簡稱SubHR）：110°E～150°E范圍內(nèi)，以赤道500hPa位勢高度值為基準，求北半球各個緯度與它的位勢高度偏差，位勢高度偏差最大值格點的緯度平均值；

（3）西太平洋副熱帶高壓西伸脊點 （Western end of the Subtropical High ridge，簡稱SubHW）：90°E～179°E范圍內(nèi)5880gpm等值線最西位置所在的經(jīng)度；

（4）鄂霍次克海阻塞高壓指數(shù) （Okhotsk Block High，簡稱Okhotsk BH）：（60°N～70°N，125°E～150°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（5）貝加爾湖阻塞高壓指數(shù) （Baikal Lake Block High，簡稱BKL BH）：（45°N～55°N，80°E～110°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（6）烏拉爾山阻塞高壓指數(shù) （Ural Block High，簡稱 Ural BH）：（55°N～65°N，40°E～70°E）范圍內(nèi)500hPa位勢高度場的范圍平均值；

（7）極渦強度指數(shù) （Polar Vortex，簡稱PLV）：60°E～150°E范圍內(nèi)逐日500hPa位勢高度的最低值；

（8）索馬里越赤道急流指數(shù) （Somali Jet，簡稱SMJ）：（15°S～10°N，37.5°E～62.5°E）緯度范圍850hPa經(jīng)向風平均風速；

（9）南亞高壓東伸指數(shù) （Eastern end of the South Asia High，簡稱SAHE）：200hPa高度場上10°N以北12500gpm等值線最東端點所在位置的經(jīng)度；

（10）南亞高壓風場脊線位置 （South Asia High Ridge，簡稱SAHR）：30°E～160°E范圍內(nèi)200hPa水平風場上緯向風為零 （u＝0）的點的緯度平均值。

4.2 關鍵系統(tǒng)的低頻振蕩特征及其與江淮低頻降水的關系

同分析江淮地區(qū)4～9月降水的方法類似，對消除季節(jié)變化的10個環(huán)流指數(shù)4～9月逐日值做功率譜分析。表1所示為各周期對應譜比值的多年平均。顯而易見，最主要的顯著周期在20～50天范圍內(nèi)，即上述將作為預報因子的環(huán)流指數(shù)與江淮地區(qū)降水同樣具有顯著的20～50天低頻振蕩特征。

為了進一步明確所選取的預報因子能夠在多大程度上反映江淮地區(qū)低頻降水的強度和變化，首先參考鮑名 （2007）對江淮地區(qū)區(qū)域性暴雨的定義，并且，鑒于20～50天低頻降水分量對實際降水的多年平均貢獻為15%，將連續(xù)三日以上20～50天低頻降水分量大于5mm，過程總低頻降水量大于30mm的情況作為挑選持續(xù)性低頻降水過程的標準，結果共獲得江淮地區(qū)持續(xù)性低頻降水過程12次，它們分布在10個個例年，分別是：1981年6月26～30日、1982年6月19日～6月21日、1983年6月27日～7月8日、1984年6月8～14日、1991年6月30日～7月10日、1995年6月20～25日、1996年6月30日～7月3日和7月13～17日、1999年6月22日～7月1日、2002年7月21～25日、2003年6月24～28日和7月5～10日。然后，利用上述環(huán)流指數(shù)的20～50天低頻分量對這10個個例年份6～8月降水20～50天低頻分量做回歸分析。結果如表2所示，回歸方程的復相關系數(shù)全部通過0.01顯著性水平，除1991年和1996年外，絕對誤差均小于2mm，10年平均絕對誤差0.94mm，同時，從10個個例年的6～8月逐日降水時間序列的擬合曲線 （圖略）來看，通過綜合10個低頻環(huán)流因子的低頻變化特征，能夠較好地把握江淮地區(qū)6～8月出現(xiàn)的持續(xù)性強降水過程。

表1 1981～2008年平均的4～9月份逐日環(huán)流指數(shù)功率譜比值分布Table 1 The power spectrum ratio distribution of 10indexes for 1981－2008daily circulation

表2 10個個例年6～8月20～50天低頻降水分量與環(huán)流指數(shù)的回歸分析結果Table 2 Regression analysis for the 20－50－day components of precipitation and the 10indexes

5 江淮地區(qū)夏季降水延伸期回報試驗

基于第3、4節(jié)的分析，得到關于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程延伸期預報的幾點重要信息：

（1）江淮地區(qū)夏季降水存在顯著的周期為20～50天的低頻振蕩特征，并且20～50天低頻分量與實際降強降水過程的演變有一定的聯(lián)系，尤其是峰谷值位相的變化與持續(xù)性強降水過程的起止和發(fā)展有很好的對應關系，20～50天降水低頻分量的延伸預報，能夠為江淮地區(qū)持續(xù)性強降水過程的延伸預報提供參考。

（2）通過綜合10個環(huán)流關鍵系統(tǒng)指數(shù)的20～50天低頻變化特征，能夠較好地把握江淮地區(qū)6～8月出現(xiàn)的持續(xù)性強降水過程。

（3）在延伸期時間尺度內(nèi)，NCEP／CFS模式能夠較好地模擬關鍵環(huán)流系統(tǒng)的低頻振蕩特征，并且通過提取20～50天低頻分量能夠有效地提高該模式對東亞大氣環(huán)流的延伸期預報效果。

因此，我們嘗試結合NCEP／CFS提供的大氣環(huán)流預報產(chǎn)品與江淮地區(qū)夏季降水及大氣環(huán)流低頻振蕩特征，采用多元線性回歸方法建立預報模型，并針對前述10個個例年的6～8月降水開展延伸預報試驗及效果檢驗。

圖4 預報流程示意圖Fig.4 The flow diagram of forecast experiment

5.1 預報方法簡述

預報因子：將能夠反映大尺度環(huán)流背景和江淮持續(xù)性強降水低頻特征的10個東亞環(huán)流關鍵系統(tǒng)指數(shù)作為預報因子引入預報模型。

預報量：模型的直接輸出預報量是江淮地區(qū)逐日降水的20～50天低頻分量，然后按照一定的統(tǒng)計特征來確定持續(xù)性強降水過程的發(fā)生時段。

預報試驗方案：鑒于所選個例中江淮地區(qū)的持續(xù)性降水過程多發(fā)生在6月中下旬至8月上旬，因此將6月10日～8月8日 （共60天）作為預報區(qū)間，取預報期之前4月11日～6月9日 （共61天）作為建模區(qū)間。預報區(qū)間的預報因子取自NCEP／CFS以6月9～13日5個初始場各自1～60天預報值的平均，采用多元線性回歸方法進行江淮地區(qū)夏季降水延伸期預報試驗，之后依據(jù)一定的客觀標準利用得到的預報區(qū)間低頻降水時間序列，預測未來10～50天內(nèi)的主要持續(xù)性強降水出現(xiàn)的時間段。具體預報流程如圖4。

5.2 預報效果分析

首先，檢查上述試驗對江淮地區(qū)降水20～50天低頻分量變化趨勢的預報效果。表3第二列為預報時間11～60天 （6月20日～8月6日）的低頻降水預報結果與觀測降水低頻分量的相關系數(shù)，黑體加粗數(shù)值表示相關性超過0.05的顯著性水平?？傮w而言，有6個個例年對10天到60天范圍內(nèi)的低頻降水變化趨勢的預報效果較好，特別是1982、1991和1996年，相關系數(shù)都超過了0.01顯著性水平，說明采用的方法對江淮地區(qū)延伸期低頻降水趨勢有一定的預報效果。但是也有年份預報效果很不理想，如1995年和2002年，低頻降水變化趨勢與觀測情況幾乎相反。

上述試驗主要針對持續(xù)性降水過程的延伸期預報，因此，更加重要的是了解由預報量所確定的持續(xù)性降水過程出現(xiàn)的時間段與實際情況的相符程度。這里，首先根據(jù)前面分析的江淮地區(qū)夏季降水低頻振蕩特征，給定判斷持續(xù)性降水過程的客觀標準。第一，針對江淮地區(qū)原始逐日降水量，我們定義出現(xiàn)連續(xù)三天日降水量大于10mm，或者日降水量大于10mm超過三天但間斷不大于一天的情況下，記為一次持續(xù)性降水過程；第二，對于預報實驗得到的降水低頻分量，取連續(xù)三天以上降水量大于 （10×當年20～50天低頻降水方差貢獻率）的時間段作為一次持續(xù)性降水過程。當預報的持續(xù)性降水時段包括或者與實際持續(xù)性降水時段至少有三天重合部分時，則判斷為一次正確預報，其余為漏報或空報。表3第三到六列為實際持續(xù)性降水時段與預報的降水時段的對比以及正確預報的預報時效。按照上述定義，10個個例中總共出現(xiàn)33次持續(xù)性降水過程，我們總共進行了10次預報試驗，在預報時效大于10天的范圍內(nèi)，預報出了33次持續(xù)性降水過程中的21次，占總的實際過程的63%，漏報了7次，空報兩次。

表3 對持續(xù)性降水過程的預報試驗結果檢驗Table 3 The evaluation result of forecast experiment

6 小結

本文將CFS的延伸期數(shù)值預報產(chǎn)品與低頻振蕩相結合，在分析江淮地區(qū)夏季降水低頻振蕩特征及其延伸期可預報性的基礎上，將具有物理意義的多個環(huán)流指數(shù)低頻信號作為預報因子，以降水20～50天低頻分量作為預報量，采用多元線性回歸方法對江淮地區(qū)汛期 （6～8月）的持續(xù)性降水過程的發(fā)生時段進行了預報試驗，結果表明：

（1）江淮地區(qū)夏季降水20～50天振蕩與江淮地區(qū)持續(xù)性強降水過程的演變有密切的聯(lián)系，把握好降水20～50天低頻分量的延伸預報對于江淮地區(qū)夏季持續(xù)性強降水過程的延伸期預報具有一定的指示意義，但是20～50天低頻分量只能解釋實際降水五分之一左右的方差。因此，在采用該方法進行延伸預報時還僅限于對明顯的持續(xù)性強降水過程的發(fā)生和結束時間的粗略預報，如何將其他在延伸期范圍內(nèi)具有可預報性的分量考慮進預報量當中去，提高預報量對實際降水的解釋程度，需要深入的研究。

（2）東亞大氣環(huán)流的低頻信號與江淮地區(qū)夏季降水的低頻變化過程有密切的關系，結合降水的物理成因提取的低頻環(huán)流指數(shù)能夠在一定程度上體現(xiàn)環(huán)流背景，對低頻降水的擬合效果較好，具有一定的利用價值。

（3）江淮夏季降水過程的延伸預報試驗表明，基于影響因子低頻信號和數(shù)值模式預報產(chǎn)品的動力與統(tǒng)計相結合的預報方法，可為持續(xù)性降水過程的延伸期預報提供參考。但該方法在不同年份的預報效果有差異，預報效果不好的原因可能與該年份低頻信號的影響不顯著有關，并且與所使用的數(shù)值預報產(chǎn)品的隨機誤差有關。同時，由于所使用的資料完整度的限制，該方法對數(shù)值預報的歷史資料的利用還很不充分，需要在這個方面加以改進。另外，對于延伸期預報效果的評估還沒有較為統(tǒng)一、完善的方法，本文所采用的方法主要是針對持續(xù)性強降水時段的確定，對于短期的、間斷性的和強度較小的降水過程我們暫無法考慮在預報和檢驗范圍內(nèi)。

（References）

鮑名.2007.近50年我國持續(xù)性暴雨的統(tǒng)計分析及其大尺度環(huán)流背景 ［J］.大氣科學，31（5）：779－792.Bao Ming.2007.The statistical analysis of the persistent heavy rain in the last 50years over China and their backgrounds on the large scale circulation［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），31 （5）：779－792.

Boer G J.1993.Systematic and random error in an extended－range forecasting experiment［J］.Mon.Wea.Rev.，121：173－188.

陳伯民，紀立人，楊培才，等.2003.改善月動力延伸預報水平的一種新途徑 ［J］.科學通報，48（5）：513－520.Chen Bomin，Ji Liren，Yang Peicai，et al.2003.A new approach to improve the dynamical extended－range forecast for month ［J］.Chinese Science Bulletin（in Chinese），48（5）：513－520.

陳官軍，魏鳳英，鞏遠發(fā).2010.NCEP／CFS模式對東亞夏季延伸預報的檢驗評估 ［J］.應用氣象學報，21（6）：659－669. Chen Guanjun，Wei Fengying，Gong Yuanfa.2010.Assessing the extended range forecast error of NCEP／CFS in the summer of East Asia［J］.Journal of Applied Meteorological Science（in Chinese），21（6）：659－669.

陳菊英，冷春香，程華瓊.2006.江淮流域強暴雨過程對阻高和副高逐日變化的響應關系 ［J］.地球物理學進展，21（3）：1012－1020.Chen Juying，Leng Chunxiang，Cheng Huaqiong.2006.The Ural blocking high anomalous daily variation impact on the heavy rainfall in the Yangtze River basin and Huai River basin［J］.Progress in Geophysics（in Chinese），21（3）：1012－1020.

陳于湘.1980.夏季西太平洋越赤道氣流的譜分析 ［J］.大氣科學，4（4）：363－368. Chen Yuxiang.1980.The spectral analysis of the low－level cross－equator air flow over the western Pacific during the northern summer［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），4（4）：363－368.

丁一匯.2005.高等天氣學 （第二版）［M］.北京：氣象出版社，585pp. Ding Yihui.2005.Advanced Synoptic Meteorology（2nd ed）（in Chinese）［M］.Beijing：China Meteorological Press，585pp.

丁一匯，梁萍.2010.基于 MJO的延伸預報 ［J］.氣象，36（7）：111－122.Ding Yihui，Liang Ping.2010.Extended range forecast basing on MJO［J］.Meteorological Monthly（in Chinese），36（7）：111－122.

何金海.1988.亞洲季風區(qū)緯圈剖面內(nèi)準40天周期振蕩的環(huán)流結構及其演變 ［J］.熱帶氣象學報，4（2）：116－125. He Jinhai.1988.The structure and evolution of the circulation with quasi－40 day periodic oscillation in zonal cross－sections over Asian monsoon region［J］.Journal of Tropical Meteorology（in Chinese），4（2）：116－125.

Hendon H H，Liebmann B，Newman M，et al.2000.Mediumrange forecast errors associated with active episodes of the Madden－Julian oscillation［J］.Mon.Wea.Rev.，128：69－86.

蔣國榮，俞永強，何金海.2007.季節(jié)內(nèi)振蕩的數(shù)值模擬I.模擬的自然變率 ［J］.大氣科學，31（3）：536－546.Jiang Guorong，Yu Yongqiang，He Jinhai.2007.Numerical simulation of the intraseasonal oscillation.Part I：Simulative natural variability［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），31 （3）：536－546.

金榮花，馬杰，畢寶貴.2010.10－30d延伸期預報研究進展和業(yè)務現(xiàn)狀 ［J］.沙漠與綠洲氣象，4（2）：1－5.Jin Ronghua，Ma Jie，Bi Baogui.2010.Research advancement and operation status about the extended range forecast from 10to 30days［J］.Desert and Oasis Meteorology（in Chinese），4（2）：1－5.

Jones C，Leila M V，Wayne R，et al.2003.A statistical forecast model of tropical intraseasonal convective anomalies［J］.J.Climate，17：2078－2095.

Jones C，Waliser D E，Schemm J K E，et al.2000.Prediction skill of the Madden and Julian oscillation in dynamical extended range forecasts［J］.Climate Dyn，16：273－289.

琚建華，錢誠，曹杰.2005.東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)振蕩研究 ［J］.大氣科學，29（2）：187－194.Ju Jianhua，Qian Cheng，Cao Jie.2005.The intraseasonal oscillation of East Asian summer monsoon［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），29（2）：187－194.

李崇銀.2000.氣候動力學引論 ［M］.北京：氣象出版社，449pp.Li Chongyin.2000.Climate Dynamics（in Chinese）［M］.Beijing：China Meteorological Press，449pp.

李崇銀，賈小龍，董敏.2006.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的數(shù)值模擬比較研究 ［J］.氣象學報，64（4）：412－419.Li Chongyin，Jia Xiao－long，Dong Min.2006.Numerical simulation and comparison study of the atmospheric intraseasonal oscillation［J］.Acta Meteorologica Sinica（in Chinese），64（4）：412－419.

李桂龍，李崇銀.1999.江淮流域夏季旱澇與不同時間尺度大氣擾動的關 系 ［J］.大 氣 科 學，23 （1）：39－50. Li Guilong，Li Chongyin.1999.Drought and flood in the Changjiang－Huaihe River basin associated with the multi－time－scale oscillation ［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），23 （1）：39－50.

梁萍.2010.中國梅雨的季節(jié)內(nèi)振蕩分析和延伸預報 ［D］.南京信息工程大學博士學位論文，192pp.Liang Ping.2010.Intraseasonal oscillation analysis and extend range forecast of Meiyu over China［D］.Ph.D.dissertation（in Chinese）.Nanjing University of Information Science ＆ Technology，192pp.

劉平，吳國雄，李偉平，等.2000.副熱帶高壓帶的三維結構特征［J］.大氣科學，24（5）：578－579. Liu Ping，Wu Guoxiong，Li Weiping，et al.2000.The three－dimensional structure of subtropical high belt［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），24（5）：578－579.

Lo F，Hendon H H.2000.Empirical extended－range prediction of the Madden－Julian oscillation［J］.Mon.Wea.Rev.，128：2528－2543.

陸爾，丁一匯.1996.1991年江淮特大暴雨與東亞大氣低頻振蕩［J］.氣象學報，54 （6）：730－736. Lu Er，Ding Yihui.1996.Low frequency oscillation in East Asia during the 1991excessively heavy rain over Changjiang－Huaihe River basin［J］.Acta Meteorologica Sinica（in Chinese），54（6）：730－736.

毛江玉，吳國雄.2005.1991年江淮梅雨與副熱帶高壓的低頻振蕩［J］.氣象學報，63（5）：762－770. Mao Jiangyu，Wu Guo－xiong.2005.Intraseasonal variability in the Yangtze－Huaihe River rainfall and subtropical high during the 1991Meiyu period［J］.Acta Meteorologica Sinica（in Chinese），63（5）：762－770.

繆錦海，劉家銘.1991.東亞夏季風降水中30－60天低頻振蕩 ［J］.大氣科學，15（5）：65－71. Miao Jinhai，Lau K M.1991.Low frequency oscillation（30－60day）of summer monsoon rainfall over East Asia［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），15（5）：65－71.

倪文琪，蔣國榮.2010.東亞夏季風過程大氣低頻振蕩的數(shù)值模擬研究 ［J］.熱帶氣象學報，26 （1）：93－97. Ni Wenqi，Jiang Guorong.2010.A numerical study of atmospheric low frequency oscillation during the East Asia monsoon process［J］.Journal of Tropical Meteorology（in Chinese），26（1）：93－97.

彭麗霞，孫照渤，倪東鴻，等.2009.夏季南亞高壓年際變化及其與ENSO的關系 ［J］.大氣科學，33 （4）：783－795. Peng Lixia，Sun Zhaobo，Ni Donghong，et al.2009.Interannual variation of summer South Asia high and its association with ENSO［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），33（4）：783－795.

Saha S，Nadiga S，Thiaw C，et al.2006.The NCEP climate forecast system ［J］.J.Climate，19：3483－3517.

孫國武，信飛，陳伯民，等.2008.低頻天氣圖預報方法 ［J］.高原氣象，27（增刊）：65－68.Sun Guowu，Xin Fei，Chen Bomin，et al.2008.A predicting method on the low－frequency synoptic weather map［J］.Plateau Meteorology（in Chinese），27（Suppl）：65－68.

陶詩言，等.1980.中國之暴雨 ［M］.北京：科學出版社，225pp.Tao Shiyan，et al.1980.The Torrential Rain in China（in Chinese）［M］.Beijing：Science Press，225pp.

陶詩言，倪允琪，趙思雄，等.2001.1998年夏季中國暴雨形成的機理與預報研究 ［M］.北京：氣象出版社，255pp.Tao Shiyan，Ni Yunqi，Zhao Sixiong，et al.2001.The Forming Mechanism and Forecast of the China's Heavy Rain in Summer（in Chinese）［M］.Beijing：China Meteorological Press，255pp.

Van den Dool H M，Saha S.1990.Frequency dependence in forecast skill［J］.Mon.Wea.Rev.，118：128－137.

Waliser D E，Jones C，Schemm J K E，et al.1999.A statistical extended range tropical forecast model based on the slow evolution of the Madden－Julian oscillation［J］.J.Climate，12：1918－1939.

王會軍，薛峰.2003.索馬里急流的年際變化及其對半球間水汽輸送和東亞夏季降水的影響 ［J］.地球物理學報，46（1）：18－25.Wang Huijun，Xue Feng.2003.Interannual variability of Somali Jet and its influences on the inter－h(huán)emispheric water vapor transport and on the East Asian summer rainfall［J］.Chinese Journal of Geophysics（in Chinese），46（1）：18－25.

王瀛，王茜，陳宇，等.2007.ECMWF模式副熱帶高壓指數(shù)釋用產(chǎn)品的應用 ［J］.氣象與環(huán)境學報，23（5）：26－31. Wang Ying，Wang Qian，Chen Yu，et al.2007.Application of subtropical high index from ECMWF model［J］.Journal of Meteorology and Environment（in Chinese），23（5）：26－31.

Wheeler M C，Hendon H H.2004.An all－season real－time multivariate MJO index：Development of an index for monitoring and prediction［J］.Mon.Wea.Rev.，132：1917－1932.

Xavier P K，Goswami B N.2007.An analog method for real－time forecasting of summer monsoon subseasonal variability［J］.Mon.Wea.Rev.，135（12）：4149－4160.

夏蕓，管兆勇，王黎娟.2008.2003年江淮流域強降水過程與30～70天低頻振蕩的聯(lián)系 ［J］.南京氣象學院學報，31（1）：33－41.Xia Yun，Guan Zhaoyong，Wang Lijuan.2008.Association of 30－70doscillations with the heavy rainfall over Changjiang－Huaihe River valley in summer 2003［J］.Journal of Nanjing Institute of Meteorology（in Chinese），31（1）：33－41.

信飛，孫國武，陳伯民.2008.自回歸統(tǒng)計模型在延伸期預報中的應用 ［J］.高原氣象，27（增刊）：69－74. Xin Fei，Sun Guowu，Chen Bomin.2008.An autoregressive statistical model for extended－range prediction ［J］.Plateau Meteorology （in Chinese），27（Suppl）：69－74.

Yang Hui，Li Chongyin.2003.The relation between atmospheric intraseasonal oscillation and summer severe flood and drought in the Changjiang－Huaihe River basin［J］.Advances in Atmospheric Sciences，20（4）：540－553.

楊秋明.2008.10－30天延伸期天氣預報及發(fā)展趨勢 ［J］.中國新技術新產(chǎn)品，（7）：96－97. Yang Qiuming.2008.10－30days extended－range forecast and trends ［J］.China New Technologies and Products（in Chinese），（7）：96－97.

楊秋明.2009.全球環(huán)流20～30d振蕩與長江下游強降水 ［J］.中國科學D輯：地球科學，39（11）：1515－1529. Yang Qiuming.2009.Association of 20－30doscillations with heavy rainfall over Yangtze River［J］.Science in China Series D：Earth Sciences（in Chinese），39（11）：1515－1529.

Zhang L N，Wang B Z，Zeng Q C.2009.Impact of the Madden－Julian oscillation on summer rainfall in southeast China ［J］.J.C1imate，22：201－216.

張瑛，陳隆勛，何金海，等.2008.1998年夏季亞洲地區(qū)低頻大氣環(huán)流的特征及其與長江中下游降水的關系 ［J］.氣象學報，66（4）：577－591. Zhang Ying，Chen Longxun，He Jinhai，et al.2008.A study of the characteristics of the low－frequency circulation on Tibetan plateau and its association with precipitation over the Yangtze valley in 1998［J］.Acta Meteorologica Sinica（in Chinese），66（4）：577－591.

趙亮，丁一匯.2009.東亞夏季風時期冷空氣活動的位渦分析 ［J］.大氣科學，33（2）：359－374.Zhao Liang，Ding Yihui.2009.Potential vorticity analysis of cold air activities during the East Asian summer monsoon［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），33（2）：359－374.

趙振國.1999.中國夏季旱澇及環(huán)境場 ［M］.北京：氣象出版社，297pp.Zhao Zhenguo.1999.Drought and Flood in Summer of China and the Circulation Back Ground（in Chinese）［M］.Beijing：China Meteorological Press，297pp.

鄭志海，封國林，丑紀范，等.2010.數(shù)值預報中自由度的壓縮及誤差相似性規(guī)律 ［J］.應用氣象學報，21（2）：139－148. Zheng Zhihai，F(xiàn)eng Guolin，Chou Jifan，et al.2010.Compression for freedom degree in numerical weather prediction and the error analogy［J］.Journal of Applied Meteorological Science（in Chinese），21（2）：139－148.

An Extended－Range Forecast Method for the Persistent Heavy Rainfall over the Yangtze－Huaihe River Valley in Summer Based on the Low－frequency Oscillation Characteristics

CHEN Guanjun1，2，3and WEI Fengying1

1StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081
2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049
3ChinesePeople'sLiberationArmyUnit96164，Zhejiang321021

Based on the daily precipitation datasets at 200stations in the south of China and the corresponding NCEP／NCAR daily reanalysis data from 1981to 2008，Analysis By Synthesis（ABS）and Butterworth band－pass fil－ter are adopted to diagnose the Low－Frequency Oscillation （LFO）characteristics of the summer rainfall over the Yangtze－Huaihe River Valley（YHRV）.And then an experiment for the Extended－Range Forecast（ERF）of persistent heavy rainfall over YHRV is made.The major conclusions are as follows：summer precipitation over YHRV has an obvious characteristic of LFO with 20－50days period，and for climate average，the 20－50－day low－frequency components account for nearly 20%，and there are significant annual variations for the intensity of LFO signal.There is a good relationship between the 20－50－day components and actual precipitation，especially the phase changes in peak values correspond to alternation of precipitation concentrated period and break period.Therefore the 20－50－day low－frequency components of precipitation which is taken as the predictand for the ERF experiment and the persistent heavy rainfall process over YHRV are closely linked.Meanwhile based on the links between LFO of large scale circulation in East Asia and summer persistent heavy rainfall over YHRV，10indexes of circulation critical systems are built，which can correctly reflect the intensity and tendency of the 20－50－day low－frequency components of precipitation，and are used as predictors for the ERF experiment.Combining with the NCEP Climate Forecast System （NCEP／CFS）output the forecast model based on the LFO signal has some reference value for ERF of persistent heavy rainfall over YHRV.

persistent heavy rain，extended－range forecast，low－frequency oscillation，climate forecast system，forecast method

1006－9895（2012）03－0633－12

P426

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.1111

陳官軍，魏鳳英.2012.基于低頻振蕩特征的夏季江淮持續(xù)性降水延伸期預報方法 ［J］.大氣科學，36（3）：633－644，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11111. Chen Guanjun，Wei Fengying.2012.An extended－range forecast method for the persistent heavy rainfall over the Yangtze－Huaihe River valley in summer based on the low－frequency oscillation characteristics［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（3）：633－644.

2011－06－09，2011－12－18收修定稿

國家科技支撐計劃項目2009BAC51B04，災害天氣國家重點實驗室自主研究課題2009LASWZF01，中國氣象科學研究院基本科研業(yè)務費項目2010Z001

陳官軍，男，1984年出生，博士研究生，主要從事異常天氣氣候診斷與預報研究。E－mail：aiolya＿gj＠163.com

魏鳳英，E－mail：weify＠cams.cma.gov.cn