平流層信號在冬季短期氣候預(yù)測中的應(yīng)用

賈 喆聞新宇胡永云＊郭艷君

1）（北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系氣候與海－氣相互作用實驗室，北京100871）

2）（國家氣候中心，北京100081）

平流層信號在冬季短期氣候預(yù)測中的應(yīng)用

賈 喆1）聞新宇1）胡永云1）＊郭艷君2）

1）（北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系氣候與海－氣相互作用實驗室，北京100871）

2）（國家氣候中心，北京100081）

平流層大氣環(huán)流異常信號被認(rèn)為對冬季對流層短期氣候預(yù)測或中長期天氣預(yù)報具有先兆性指示意義，但到目前為止，仍未真正用于短期氣候預(yù)測。為了獲取更多運用平流層環(huán)流異常信號預(yù)測對流層及地面短期氣候的經(jīng)驗，該文利用北半球環(huán)狀模（NAM）信號對2011—2012年冬季我國北方短期氣候進(jìn)行4次預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實況進(jìn)行對比。在4次短期氣候預(yù)測中，第2次和第3次預(yù)測結(jié)果與實況吻合很好：第2次成功預(yù)測了1月中旬到2月中旬我國東北和華北地區(qū)偏冷，第3次則成功預(yù)測了這種偏冷狀態(tài)的持續(xù)。成功的主要原因是2011年12月—2012年2月平流層信號周期確定，且對流層和平流層之間動力耦合關(guān)系已經(jīng)建立完全，平流層異常信號在該時段對流層和地面短期氣候具有較強指示意義。

短期氣候預(yù)測；平流層；北半球環(huán)狀模（NAM）；中長期天氣預(yù)報

引 言

近年來大量研究表明，平流層環(huán)流異常對對流層天氣和氣候系統(tǒng)有重要影響，尤其在北半球冬季，這種影響更加明顯［1－4］。Quiroz［5］最早發(fā)現(xiàn)平流層北極極渦的崩潰可以造成對流層極地反氣旋性異常。關(guān)于北極濤動（AO）或北半球環(huán)狀模（NAM）的研究大大促進(jìn)了對這一問題的認(rèn)識［6］。AO可以有效反映中高緯度地區(qū)環(huán)流形勢的變化及其特征，在北半球NAM可以分別解釋對流層和平流層方差的25%～30%和50%。Baldwin等［7］、Thompson等［8］發(fā)現(xiàn)NAM的異常信號最早在平流層上層出現(xiàn)，較強的NAM異常信號可以向下傳播，并且在大部分情況下，對流層和平流層NAM異常有相同的符號，說明對流層環(huán)流對平流層環(huán)流異常響應(yīng)明顯。研究還發(fā)現(xiàn)，平流層NAM正異常下傳有利于歐洲大陸中南部地區(qū)維持高壓控制，因此，溫暖晴朗；反之，當(dāng)平流層NAM負(fù)異常下傳時，西風(fēng)氣流減弱，槽脊系統(tǒng)頻繁，冷空氣活動強烈，歐洲大陸中北部區(qū)域多寒冷風(fēng)暴天氣［8－9］。此外，對流層和平流層NAM異常還與中高緯度地區(qū)阻塞形勢具有一定關(guān)系，Thompson等［10］指出，當(dāng)NAM處于負(fù)位相時，阻塞高壓崩潰使極地冷空氣影響到歐亞大陸中緯度地區(qū)，造成這些地區(qū)偏冷。近年來，我國學(xué)者對平流層異常與對流層天氣和氣候系統(tǒng)之間關(guān)系的研究也有重要進(jìn)展［1116］。Wei等［17］發(fā)現(xiàn)近地面 NAM 指數(shù)與我國北方地面溫度異常存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

盡管這些合成分析研究均表明，平流層異常信號有可能被利用于冬季短期氣候預(yù)測［18－20］，但到目前為止，還未見業(yè)務(wù)預(yù)報中成功使用平流層異常信號的報道。北京大學(xué)與國家氣候中心合作建立了業(yè)務(wù)化的平流層異常信號的監(jiān)測平臺，并使用平流層NAM異常和下傳信號在2011—2012年冬季進(jìn)行了4次短期氣候預(yù)測。本文對這4次預(yù)測結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，為將來更好地利用平流層異常信號預(yù)測冬季對流層天氣和氣候提供參考。

1 資料與方法

本文所用資料為1981年1月1日—2010年12月31日NCEP／NCAR逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向分為17層：1000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20，10hPa，所用要素主要包括高度場、經(jīng)向和緯向風(fēng)場、溫度場以及2m高度溫度場。氣候平均值（氣候態(tài)）定義為1981—2010年平均。利用1981—2010年30個擴展冬季（9月—次年4月）的高度場，對每一個氣壓層，求出20°N以北的高度異常場EOF第1模態(tài)（EOF1）和每日的EOF1時間系數(shù)，再利用每一層每日的EOF1時間系數(shù)，得到每日標(biāo)準(zhǔn)等氣壓面上的北半球環(huán)狀模（NAM）指數(shù)。

平流層天氣過程的時間尺度約為1～2個月。NAM正、負(fù)異常事件通常從平流層伴隨極渦異常開始，可在1～3周時間內(nèi)下傳到地面，引起對流層天氣異常并維持1～2個月的時間。

2 預(yù)測結(jié)果

2.1 第1次預(yù)測

2011年11月11日進(jìn)行第1次預(yù)報。從2011年11月初更新的NAM指數(shù)隨時間演變（4次預(yù)報均為預(yù)報發(fā)布日前幾日的NAM指數(shù)）（圖1a）可以看到，當(dāng)時平流層仍處于弱的正位相，已經(jīng)出現(xiàn)下傳信號。所以預(yù)計對流層還將受到NAM正位相的控制，大氣波動相對較弱，不利于極地冷空氣南下，亞歐大陸北部地區(qū)（包括我國華北和東北）在2011年11月上旬到中下旬地面氣溫仍將維持正常偏暖。根據(jù)平流層環(huán)流的振蕩周期的特點和演化規(guī)律預(yù)測，至11月中旬，平流層弱的正位相周期有可能結(jié)束并轉(zhuǎn)負(fù)。平流層NAM轉(zhuǎn)負(fù)之后，很可能下傳至對流層，造成亞歐大陸北部地區(qū)偏冷，開始出現(xiàn)冷空氣活動頻繁，地表氣溫轉(zhuǎn)冷。另外，還對2011—2012冬季的后期進(jìn)行了預(yù)測（圖1a）。氣候?qū)崨r演變表明（圖2，圖3a），第1次預(yù)測與實況有一定差距。因此在明確看到平流層NAM有位相轉(zhuǎn)換的跡象后再進(jìn)行預(yù)測更為有利。

圖1 2011—2012年冬季4次預(yù)測發(fā)布當(dāng)日NAM指數(shù)時間－高度剖面圖和近地面AO指數(shù)時間序列（a）2011年11月7日，（b）2012年1月11日，（c）2012年2月1日，（d）2012年2月27日Fig.1 Height－time cross－section of NAM indices and time series of the surface indices（a）7Nov 2011，（b）11Jan 2012，（c）1Feb 2012，（d）27Feb 2012

圖2 2011年9月1日—2012年4月1日NAM指數(shù)時間－高度剖面圖及近地面AO指數(shù)時間序列Fig.2 Height－time cross－section of NAM indices and time series of the surface AO indices from 1Sep 2011to 1Apr 2012

圖3 2011—2012年冬季4個預(yù)測時間段北半球地表氣溫度距平（a）2011年11月11日—12月31日，（b）2012年1月20日—2月20日，（c）2012年2月4日—3月4日，（d）2012年3月1日—4月1日Fig.3 Temperature anomalies during the period of 11Nov—31Dec in 2011（a），20Jan—20Feb in 2012（b），4Feb—4Mar in 2012（c）and 1Mar—1Apr in 2012（d）

2.2 第2次預(yù)測

2012年1月14日進(jìn)行第2次預(yù)測。2012年1月11日平流層NAM在經(jīng)歷了近2個月的正位相之后，在10hPa已開始出現(xiàn)負(fù)異常（圖1b），據(jù)此認(rèn)為平流層NAM將向負(fù)位相轉(zhuǎn)變。由此，預(yù)測該平流層NAM負(fù)位相將下傳到地面，并將在地面維持超過1個月的負(fù)位相，華北和東北地區(qū)地面氣溫將在1月中下旬轉(zhuǎn)為偏冷，并一直延伸至2月中旬，華中和華南偏暖。與實況對比表明（圖2、圖3b），這次預(yù)測為4次預(yù)測中最成功。這次準(zhǔn)確預(yù)測了平流層NAM負(fù)位相及其向下傳播，說明很好地利用平流層NAM異常信號，對提高對流層冬季短期氣候預(yù)測有幫助。

2.3 第3次預(yù)測

2012年2月4日進(jìn)行第3次預(yù)測。2月初，平流層NAM負(fù)異常在短暫減弱之后有重新增強的趨勢（圖1c），所以預(yù)計平流層負(fù)NAM信號還會持續(xù)到2月下旬才開始轉(zhuǎn)為正位相，地面NAM負(fù)異常將持續(xù)到3月初才開始全面轉(zhuǎn)正。因此，地面冷空氣活動也將一直持續(xù)到3月初，但2月下旬冷空氣活動有可能較前期冷空氣活動弱一些，且地面溫度將自3月中旬開始回暖。與實況對比（圖2、圖3c），這次對NAM的預(yù)測基本正確。圖3c給出該時段平均溫度異?？梢钥闯?，歐亞大陸中高緯度地區(qū)地表溫度基本均為負(fù)異常，華北和東北地區(qū)地表溫度也維持負(fù)異常。

2.4 第4次預(yù)測

2012年3月1日進(jìn)行第4次預(yù)測。到2012年2月下旬，平流層NAM開始轉(zhuǎn)正位相（圖1d）。根據(jù)這一情況，預(yù)測對流層和近地面NAM在零附近振蕩的狀態(tài)很可能在3月上旬結(jié)束，完全轉(zhuǎn)為正位相，屆時歐亞大陸高緯度地區(qū)氣溫將出現(xiàn)正異常。預(yù)測同時也指出，在4月之后，平流層風(fēng)向?qū)⑥D(zhuǎn)為東風(fēng)，行星波動無法上傳到平流層，平流層與對流層之間的動力耦合將消失，因此，平流層信號無法再用來預(yù)測對流層環(huán)流和氣候變化。與實況對比（圖2，圖3d），這次預(yù)測與實際情況有一定偏差。

3 小 結(jié)

通過2011—2012年冬季進(jìn)行的4次短期氣候預(yù)測，得到以下結(jié)論：

1）將冬季平流層環(huán)流異常信號運用到對流層短期氣候預(yù)測或中長期天氣預(yù)報中是可行的。在2011—2012年冬季兩次比較成功的預(yù)測中（第2次和第3次），均利用了平流層NAM異常過程持續(xù)時間較長、出現(xiàn)時間較對流層偏早的特點。

2）造成兩次預(yù)測不成功的主要原因是平流層周期變化的不確定性以及對流層和平流層之間動力耦合關(guān)系建立的不確定性。平流層異常信號用于預(yù)測12月—次年2月對流層和地面短期氣候更具指示意義。

在2011—2012年冬季的4次預(yù)測中，沒有考慮其他氣候模態(tài)的可能影響，如厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）以及季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）、赤道平流層準(zhǔn)兩年振蕩（QBO）等，在將來的預(yù)測實踐中，需考慮上述影響，以提高預(yù)測水平。

致 謝：感謝國家氣候中心李清泉研究員對建設(shè)NAM監(jiān)測平臺的指導(dǎo)以及顏京輝博士在平臺建設(shè)中提供的技術(shù)支持。

［1］ 胡永云.關(guān)于平流層異常影響對流層天氣系統(tǒng)的研究進(jìn)展.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（7）：8－16.

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Application of Stratospheric NAM Signal to Wintertime Climate Prediction

Jia Zhe1）Wen Xinyu1）Hu Yongyun1）Guo Yanjun2）

1）（Laboratory for Climate and Atmosphere－Ocean Studies，Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，School of Physics，Peking University，Beijing100871）
2）（National Climate Center，Beijing100081）

Stratospheric circulations are of planetary scales and long periods.It is considered that signals of stratospheric circulation anomalies could be used to predict tropospheric weather and climate systems in wintertime，but few practice is reported so far.To evaluate whether stratospheric signals can be used in long－term weather prediction or short－term climate prediction in wintertime，four intra－seasonal climate prediction experiments are carried out in winters of 2011and 2012，using the index of stratospheric northern annular mode（NAM）.Among the four predictions，the second and the third predictions successfully captured the polarity of NAM and surface temperature tendency in North China，which are well verified by observations in following weeks.The second prediction is particularly successful.The results suggest that stratospheric NAM signals are indeed useful for improving prediction skills for long－range weather or short－term climate variability in winter.

short－term climate prediction；stratosphere；NAM；long－range weather forecast

賈喆，聞新宇，胡永云，等.平流層信號在冬季短期氣候預(yù)測中的應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（1）：107－111.

2013－02－04收到，2013－06－08收到再改稿。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2010CB428606），國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項目（41025018）

＊通信作者，email：yyhu＠pku.edu.cn