彭京備 鄭飛 范方興 陳紅 郎咸梅 詹艷玲 林朝暉 張慶云林壬萍 李超凡 馬潔華 田寶強 包慶 穆松寧 宗海鋒王磊 段晚鎖 周天軍

中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

1 引言

在中國，夏季的主要氣象災害包括暴雨洪澇、高溫干旱等。在各種自然災害造成的經濟損失中，與氣象災害相關的占71%左右（孔鋒, 2019）。2013 年夏季，長江流域梅雨偏少，發(fā)生了1951 年以來的最強的持續(xù)性高溫干旱事件，南方部分地區(qū)高溫強度突破了歷史紀錄（彭京備等, 2016）。在2020 年夏季，長江流域和淮河流域出現超長梅雨，梅雨區(qū)平均雨量較常年偏多168.3%，顯著超過1996 年、1998 年和2016 年，為1961 年以來最多。強降水導致淮河發(fā)生流域性較大洪水。降水造成經濟 損 失 約1800 億 元（Clark et al., 2021; Li et al.,2021; Zhou et al., 2021）。2021 年夏，雨帶偏北。華北雨季開始早，結束晚，雨季長達59 d，為1961 年以來第二長。華北雨季監(jiān)測區(qū)的平均降雨量為276.4 mm，較常年偏多103.2%（https://mp.weixin.qq.com/s/-d7V57cQac3Av-PMgVaAmA[2021-09-12]）。期間，河南地區(qū)發(fā)生了“21·7”特大暴雨過程（冉令坤等, 2021; 布和朝魯等, 2022; 齊道日娜等, 2022），造成河南省1478.6 萬人受災，因災死亡失蹤398 人，直接經濟損失1200.6 億元（https://china.huanqiu.com/article/44BspR7MveW[2021-08-02]）。因此，如果能在季度尺度上提前預測氣候異常的分布，就可以及早采取措施，減輕氣候災害所帶來的損失（丁一匯等, 2013; 王會軍等, 2020）。

大氣所是最早開展短期氣候預測的研究機構之一。早在1988 年，中國科學院大氣物理研究所（大氣所）就利用氣候模式開展了跨季度汛期降水距平預測，獲得了初步成功（林朝暉等, 1998,2003）。1991 年大氣所的跨季度預測正式應用于中國夏季跨季度降水預測（曾慶存等, 2003）。近10 年，大氣所最新發(fā)展的El Ni?o—南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）預測系統(tǒng)、大氣模式、耦合模式、動力—統(tǒng)計方法、統(tǒng)計模型、資料同化方法和訂正方法等不斷地加入大氣所汛期預測中，形成包含ENSO 預測系統(tǒng)，大氣環(huán)流模式、?！獨怦詈夏Ｊ健⒔y(tǒng)計模型和動力—統(tǒng)計模型及海洋四維同化方法、海氣耦合積分方法、集合預測方法、可信度和概率預測方法以及訂正技術等的短期氣候預測系統(tǒng)（圖1）。

圖1 中國科學院大氣物理研究所短期氣候預測系統(tǒng)框圖Fig. 1 Diagram of the short-term climate prediction system developed by the Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences (CAS)

2 預測方法簡介

目前，有包括ENSO 預測系統(tǒng)、大氣環(huán)流模式、耦合模式等9 個大氣所自行研制的數值模式，以及2 個動力—統(tǒng)計方法和4 個統(tǒng)計模型參加到汛期預測中。首先，將模式和模型提供的夏季大氣環(huán)流異常預測結果進行集成，集成的同時綜合考慮外強迫因子的影響和前期大氣環(huán)流信號，得到有物理意義的夏季大氣環(huán)流異常預測結果。根據對夏季大氣環(huán)流形勢的估計，并結合數值模式和統(tǒng)計模型對夏季氣候異常的預測意見，經專家會商，最終給出對夏季氣候異常的預測意見，并提供給政府有關部門。這套多模式集成預測方法的優(yōu)勢在于綜合考慮各動力模式和統(tǒng)計模型中的有效信息，形成有物理意義的預測意見，從而提高最終綜合預測結果的準確性。經過多年的預測實踐，這套預測系統(tǒng)預報效果逐步提高，趨于成熟。2013～2019 年預測平均分為70 分。

目前有多個模式參加大氣所ENSO 短期氣候預測。大氣所ENSO 集合預測系統(tǒng)是在發(fā)展耦合初始化系統(tǒng)（Zheng and Zhu, 2010）和隨機模式誤差擾動的集合預測方法（Zheng and Zhu, 2016）的基礎上逐步建立和完善的，目前該系統(tǒng)的預測能力在實際預測檢驗中可達近一年的預測時效（Zheng et al., 2022）。今年又新增了兩個簡單ENSO 預測模式LASG NFSV-ICM 和FU-IAP ASCSM，為此次汛期氣候預測提供新的信息。LASG NFSV-ICM是Tao and Duan（2019）在一個中等復雜程度耦合模式基礎上考慮非線性強迫奇異向量方法建立的動力 預 測 模 型， FU-IAP ASCSM 是 Fang and Zheng（2021）通過春季海氣信號與冬季ENSO 峰值的統(tǒng)計關系建立的統(tǒng)計預測模型。

參加我國汛期降水等預測的大氣所數值模式分為大氣環(huán)流模式和耦合模式兩類。兩個大氣環(huán)流模式IAP AGCM-2L（張鳳等, 2004）和IAP AGCM-9L（郎咸梅等, 2004）以及陸氣耦合模式IAP-DCPv3預測系統(tǒng)（張賀等, 2011）均以大氣所ENSO 集合預測系統(tǒng)的預測海溫異常與觀測海溫異常的加權組合作為外強迫，采用兩步法進行預測?！昂！憽獨狻瘪詈夏Ｊ桨ɑ谕ㄓ玫厍蛳到y(tǒng)模式（CESM1.2.2）構建的短期氣候預測系統(tǒng)（以下簡稱NZC-PSM）、基于中科院地球系統(tǒng)模式發(fā)展的弱耦合同化預測系統(tǒng)（以下簡稱CAS-ESM-C；Lin et al., 2019）和基于氣候系統(tǒng)模式建立的季節(jié)內—季節(jié)氣候預測系統(tǒng)（以下簡稱FGOALS-f2；包慶等, 2019）。NZC-PSM 預測系統(tǒng)是在原有NZC-PCCSM4預測系統(tǒng)的基礎上構建和改進的新系統(tǒng)，在多方面具有良好的預測性能。CAS-ESM-C 預測系統(tǒng)可將實時的海洋觀測資料與耦合模式相結合，利用集合最優(yōu)插值（EnOI）同化方案為模式的“海—陸—氣—冰”4 個模塊提供協調一致的預測初始場，然后將耦合模式向前積分得到預測結果。無縫隙預測系統(tǒng)FGOALS-f2 核心為大氣所的氣候系統(tǒng)模式CAS FGOALS-f2，其大氣分量模式為大氣所自主研發(fā)的大氣環(huán)流模式FAMIL2，其動力內核采用立方球面網格上的有限體積方法（FV3），主要的物理過程包括自主研發(fā)的顯式對流降水方案（RCP）。所有數值模式的基本信息和預測方案見表1。

除了數值模式，動力模式與統(tǒng)計相結合的方法及統(tǒng)計模型也提供汛期預測意見，包括：基于IAP AGCM-9L 的 動 力—統(tǒng) 計 模 型（Lang and Zheng,2011），基于前期外強迫信號的統(tǒng)計模型，基于ENSO 演變（宗海鋒, 2017）和基于前期冬季歐亞大陸新增積雪面積（穆松寧和周廣慶, 2010），以及根據前期冬季高空緯向風的統(tǒng)計預測模型（張慶云等, 2003）。

3 氣候趨勢預測

3.1 外強迫因子的監(jiān)測和預測

ENSO 是全球氣候年際變化中最重要的因子。根據美國氣候預報中心的監(jiān)測，2021/2022 年冬季，海洋Ni?o 指數（the Oceanic Ni?o Index，即Ni?o 3.4 區(qū)海表溫度異常的3 個月滑動平均，以下簡稱ONI）已連續(xù)5 個月低于-0.5°C，峰值達到-1°C，即發(fā)生一次弱至中等強度的La Ni?a 事件。

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大氣所ENSO 預測系統(tǒng)預測2022 年春季，Ni?o 3.4 區(qū)冷海溫距 平（Sea Surface Temperature Anomaly，以下簡稱SSTA）將逐漸趨于正常，夏季的中東太平洋海溫將處于ENSO 正常位相（圖2a）。大氣所簡單的ENSO 預測模式、耦合模式NZCPSM 和FGOALS-f2 均預測未來Ni?o 3.4 區(qū)的負SSTA 將逐漸減弱（圖2b-2d）。綜合上述結果，預測La Ni?a 事件將在2022 年春季結束，2022 年夏季，ENSO 將處于中性狀態(tài)。這與國外大部分ENSO 預測結果一致。如歐洲中心預測2022 年夏季Ni?o3.4 區(qū)SSTA 在-0.5～0.5°C 之間。

除了海溫，積雪是另一個影響我國夏季氣候的重要的下墊面因子。研究表明，歐亞大陸前期冬季新增積雪面積關鍵區(qū)指數與江南降水指數之間的相關可以達到-0.57，即當冬季歐亞大陸北部新增雪蓋面積偏大時，我國江南至華南地區(qū)降水偏少（穆松寧和周廣慶, 2010）。監(jiān)測顯示，2021/2022 年冬，歐亞大陸北部新增雪蓋面積偏少，有利于我國江南地區(qū)夏季降水偏多。

3.2 大氣環(huán)流和降水的預測

西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）是影響中國夏季東部雨帶分布的最重要的環(huán)流系統(tǒng)之一。夏季，副高西北側為偏南氣流所控制，有利于水汽輸送，多有降水發(fā)生。而在副高控制地區(qū)，則易出現高溫晴熱天氣（陶詩言, 1980; 衛(wèi)捷等, 2004;彭京備等, 2007; Xue and Fan, 2016）。而且，對大部分的數值模式來說，熱帶和副熱帶地區(qū)的預測技巧較高。因此，首先來關注副高的預測。根據大氣所ENSO 預測系統(tǒng)提供的海溫演變，大氣所大氣模式（IAP-AGCM-2L、IAP-AGCM-9L 和 IAP-DCPv3預測系統(tǒng)）均預測，2022 年夏季副高較模式氣候態(tài)面積偏大、西伸脊點偏西（圖3 上行）。其中IAP-DCPv3 預測系統(tǒng)預測副高脊線正常略偏北。大氣所耦合模式NZC-PSM 給出了去掉與不去氣候趨勢的兩種預測。如果不去掉氣候趨勢，副高表現出西伸脊點偏西、面積偏大的特點。而去掉趨勢后，預測的副高特征線與模式氣候態(tài)基本接近，即副高接近正常（圖3 中紅色虛線）。兩種預測方案均預測副高脊線正常略偏北。CAS-ESM-C 預測副高較模式氣候態(tài)脊線偏北、西伸脊點偏東。綜合大氣所各模式結果，預測2022 年夏季，副高較氣候平均強度面積偏大、西伸脊點偏西、脊線正常略偏北。這與英國GloSea5 對副高的預測基本一致。這樣的副高形勢有利于中國東部雨帶偏北，華南地區(qū)易受臺風影響。

再來看數值模式對風場的預測。圖4 給出了大氣所各數值模式對850 hPa 風場異常的預測結果。在大氣模式中，IAP AGCM-2L 和IAP-DCPv3 預測系統(tǒng)的預測結果類似，均表現為中緯度地區(qū)有一反氣旋式距平，中國東部地區(qū)盛行偏南風距平，有利于夏季風偏強。3 個耦合模式（NZC-PSM、CASESM-C 和FGOALS-f2 預測系統(tǒng)）與上述兩個大氣模式的結果相似。綜合模式結果，預測我國長江以北的東部地區(qū)盛行偏南風距平，夏季風偏強，有利于水汽向北輸送，北方地區(qū)降水偏多。GloSea5 對低層風場的預測與大氣所的基本一致。

東亞夏季風是另一個影響我國夏季氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)，它的強弱與我國的雨帶位置密切相關。張慶云等（2003）分析了東亞夏季風環(huán)流與中國東部夏季降水的年際變化之間的關系，并定義了表征東亞夏季風環(huán)流強度的特征指數。這個指數主要考慮了夏季長江流域降水偏少和偏多的年份東亞熱帶季風槽區(qū)（10°N～20°N，100°E～150°E）和副熱帶梅雨鋒區(qū)（25°N～35°N，100°E～150°E）的對流強度呈現反向變化的特征，可清楚地反映夏季風環(huán)流的年際變化與中國東部汛期降水的關系。當該東亞夏季風指數為正時，東亞夏季風偏強，易出現南北兩條雨帶；反之，東亞夏季風偏弱，雨帶主要出現在長江流域。根據數值模式對低層風場的預測，大氣所數值模式提供了東亞夏季風指數預測（見表2）。IAP-AGCM-2L 和CAS-ESM-C 預 測2022年夏季東亞夏季風指數為正，夏季風偏強。NZCPSM 預測東亞夏季風偏強。IAP AGCM-9L 和IAPDCPv3 預測系統(tǒng)預測東亞夏季風指數為負，夏季風偏弱。

表2 大氣所各數值模式或統(tǒng)計模型對東亞夏季風的預測Table 2 Predictions of the East Asian summer monsoon by IAP numerical models or statistical methods

除了動力模式結果，大氣所預測系統(tǒng)也會考慮統(tǒng)計模型的預測。實際上，季風產生的直接原因是冬夏海陸熱力對比不同。夏季，大陸偏暖，海洋相對偏冷，亞洲季風區(qū)盛行偏南風；冬季，海洋偏暖，大陸相對較冷，亞洲季風區(qū)盛行偏北風。當海陸熱力對比強，季風就越強。反之，海陸熱力對比弱，季風就偏弱。張慶云等（2003）發(fā)現東亞夏季風強度與前冬和前春亞洲中緯度地區(qū)高層緯向風的變化緊密相關，并將亞洲中緯度區(qū)域（32.5°N～37.5°N,80°E～110°E）和東太平洋區(qū)域（22.5°N～27.5°N,150°W～120°W）的2 月高層緯向風距平之差定義為東亞夏季風強度變化的前兆指數。研究結果表明該前兆指數與后期東亞夏季風指數之間的相關系數達到了0.50。此前兆指數之所以對隨后的東亞夏季風強度有預測意義的原因是當前期冬季亞洲中緯度地區(qū)對流層上層出現西風距平時，則意味著南亞上空西風帶位置偏北和南支槽的西風擾動偏弱，從而導致南亞冬春季降水偏少和土壤濕度偏低。至晚春和初夏，南亞大陸升溫快，有利于夏季海陸熱力對比加強，因此亞洲夏季風偏強。由于南亞夏季風和東亞夏季風之間有同相變化的特征，東亞夏季風也偏強。2022 年冬季，東亞夏季風前兆指數為1.03，預示后期東亞夏季風偏強。綜合數值模式和統(tǒng)計模型的結果預測，2022 年東亞夏季風偏強，有利于北方地區(qū)降水偏多。

實際上，除了熱帶和副熱帶系統(tǒng)，中國夏季降水也受到中高緯度環(huán)流異常的影響。如在梅雨期，烏拉爾山和鄂霍次克海出現阻塞高壓時，長江流域易出現持續(xù)性強降水。而在華北雨季，當鄂霍次克海地區(qū)出現高壓，中緯度大氣環(huán)流呈現“西低東高”的形勢時，華北地區(qū)易發(fā)生暴雨（陶詩言, 1980）。大氣所大氣模式（IAP-AGCM-2L、IAP-AGCM-9L和IAP-DCPv3 預測系統(tǒng)）、耦合模式（NZC-PSM、CAS-ESM-C 及FGOALS-f2）的預測結果均顯示，2022 年夏季，東北亞至鄂霍次克海地區(qū)為500 hPa位勢高度正距平，有利于這里出現阻塞高壓及華北地區(qū)降水偏多（圖5）。這與GloSea5 的預測基本一致。

圖5 中國科學院大氣物理研究所數值模式（a）IAP AGCM-2L、（b）IAP AGCM-9L、（c）IAP-DCPv3、（d）NZC-PSM、（e）CAS-ESM-C、（f）FGOALS-f2 對2022 年夏季500 hPa 位勢高度異常的預測Fig. 5 Predictions of 500-hPa geopotential height anomalies for summer 2022 from IAP numerical models (a) IAP AGCM-2L, (b) IAP AGCM-9L,(c) IAP-DCPv3, (d) NZC-PSM, (e) CAS-ESM-C, and (f) FGOALS-f2

最后來看大氣所關于臺風的預測。2022 年大氣所共有3 種方法預測臺風：基于IAP AGCM-9L模式結果的西北太平洋臺風生成數預測模型，基于前期海溫、大氣環(huán)流異常和美國耦合預測系統(tǒng)（NCEP coupled forecast system model version 2，CFSv2）對大氣環(huán)流預測結果的夏季登陸臺風數的動力統(tǒng)計相結合的預測模型以及基于前冬Ni?o-3.4 指數的西北太平洋熱帶氣旋生成數和登陸中國的熱帶氣旋數的統(tǒng)計模型。研究顯示，前冬Ni?o-3.4 指數和后期夏季西北太平洋熱帶氣旋的生成數、登陸中國大陸的個數都有很好的負相關關系（Wang et al., 2020）。在2021/2022 年冬季，Ni?o3.4 指數為負，有利于2022 年夏季西北太平洋熱帶氣旋生成數和登陸中國的熱帶氣旋數均偏多。考慮到2022 年夏季，副高西伸脊點可能偏西，熱帶氣旋易向西移動，影響東南沿海地區(qū)，造成那里的降水偏多。

圖6給出了大氣所各數值模式或動力—統(tǒng)計方法對2022 年夏季中國降水距平百分率的預測?？梢钥闯觯械臄抵的Ｊ骄A測華北至東北南部地區(qū)降水偏多。另外，根據ENSO 演變位相建立的降水異常統(tǒng)計預測模型預測多雨中心位于華北地區(qū)。GloSea5 也預測我國北方地區(qū)降水偏多。這與我們上面根據環(huán)流預測結果的分析基本一致。大部分模式（IAP AGCM-2L、IAP AGCM-9L、CAS-ESMC 和FGOALS-f2）、基于IAP AGCM-9L 的動力-統(tǒng)計預測模型和基于前冬歐亞大陸新增積雪面積的統(tǒng)計模型預測東南沿海地區(qū)降水偏多。

圖6 中國科學院大氣物理研究所的數值模式或動力統(tǒng)計方法（a）IAP AGCM-2L、（b）IAP AGCM-9L、（c）IAP-DCPv3、（d）NZC-PSM、（e）CAS-ESM-C、（f）FGOALS-f2、（g）GloSea5、（h）9 層動力-統(tǒng)計、（i）積雪統(tǒng)計模型、（j）ENSO 位相對2022 年夏季中國降水距平百分率的預測Fig. 6 Predictions of percentage of precipitation anomalies in China for summer 2022 by IAP numerical models or dynamic statistical methods (a)IAP AGCM-2L, (b) IAP AGCM-9L, (c) IAP-DCPv3, (d) NZC-PSM, (e) CAS-ESM-C, (f) FGOALS-f2, (g) GloSea5, (h) 9 layer dynamic-statistical method, (i) statistical model of snow cover, and (j) ENSO phase change

綜合對環(huán)流的分析大氣所各數值模式和統(tǒng)計模型的預測，得到2022 年夏季全國降水趨勢預測意見：預計2022 年汛期（6～8 月），東北東部和中部、華北大部分地區(qū)、黃河中下游、東南沿海、西北地區(qū)中部、西藏大部分地區(qū)、西南地區(qū)東部和云南大部分地區(qū)降水正常略偏多，其中環(huán)渤海灣地區(qū)降水偏多2～5 成，可能發(fā)生局地洪澇災害。全國其他大部分地區(qū)降水正常略偏少，其中長江下游地區(qū)和新疆北部降水偏少2～5 成。預計今年登陸臺風數正常略偏多（圖7）。

4 結論和討論

根據大氣所各數值模式和統(tǒng)計模型對未來ENSO 演變、2022 年夏季大氣環(huán)流和降水異常的預測，預測了2022 年汛期中國降水異常趨勢。主要結論如下：

（1）預計2022 年汛期（6～8 月），東北東部和中部、華北大部分地區(qū)、黃河中下游、東南沿海、西北地區(qū)中部、西藏大部分地區(qū)、西南地區(qū)東部和云南大部分地區(qū)降水正常略偏多，其中環(huán)渤海灣地區(qū)降水偏多2～5 成，可能發(fā)生局地洪澇災害。全國其它大部分地區(qū)降水正常略偏少，其中長江下游地區(qū)和新疆北部降水偏少2～5 成。預計今年登陸臺風數正常略偏多。

（2）預計，長江中下游地區(qū)可能出現高溫伏旱，部分地區(qū)可能出現極端高溫。華北地區(qū)和川渝地區(qū)東部出現暴雨的概率較高，可能出現局地洪澇災害。東南沿海地區(qū)可能受到臺風影響。

對比2022 年的預測（圖7）和2021 年夏季降水距平百分率（圖略）發(fā)現，今年降水異常預測結果與去年的觀測比較相似。這可能有兩個原因。一是2021 和2022 年春夏季均處于La Ni?a 衰減位相，前冬歐亞大陸新增積雪面積均偏少，前冬亞洲上空西風急流偏北。外強迫信號和大氣前兆信號具有一致性。二是大氣所各模式預測2022 年夏季西太平洋面積偏大、西伸脊點偏西及北界偏北，我國東部地區(qū)盛行偏南風距平，東亞夏季風偏強、中高緯度地區(qū)易出現東阻。這與2021 年夏季的環(huán)流異常很相似（圖略）。

圖7 中國科學院大氣物理研究所對2022 年夏季中國降水距平百分率預測的綜合圖Fig. 7 A comprehensive map of the percentage of precipitation anomaly predicted for summer 2022 in China by the IAP, CAS

此外，值得注意的是，大氣所對ENSO 未來發(fā)展的預測尚存在一定的分歧。大氣所ENSO 預測系統(tǒng)和FGOALS-f2 預測2022/2023 年冬季，可能發(fā)生一次El Ni?o 事件。而NZC-PSM 則預測直到2022 年8 月，Ni?o3.4 區(qū)海溫依然為中性偏冷位相。不同的海溫演變可能導致未來夏季環(huán)流和降水異常分布的不同。這使得對2022 年夏季的預測具有不確定性。

臺風往往帶來充沛的降水，是影響中國夏季降水的重要因素。目前尚不能在季節(jié)尺度上預測臺風路徑，及其產生的降水分布。除此以外，臺風活動也影響副高的位置，進而對其它地區(qū)的降水產生間接影響。通常來說，當熱帶輻合帶活躍、位置偏北，臺風多發(fā)，副高易處于偏北的位置。如“21·7”河南大暴雨期間，副高異常偏北，南海和西太平洋分別有臺風“查帕卡”和“煙花”（冉令坤等,2021）。因此，臺風預測是季度預測中的重點，也是難點。大氣所基于IAP AGCM-9L 模式結果的西北太平洋臺風生成數預測模型，和基于前期信號和CFSv2 預測結果的夏季登陸臺風數的動力統(tǒng)計相結合的預測模型預測2022 年夏季西北太平洋生成臺風數和登陸臺風數偏少。這與基于前冬Ni?o3.4 指數的臺風生成數和登陸數的統(tǒng)計預測模型結果不一致。根據大氣所大部分數值模式預測夏季副高偏西、偏強，通常對應臺風偏多，我們預測2022 年夏季生成和登陸我國的臺風數正常略偏多。對臺風活動預測的意見不一致，也為夏季降水趨勢預測帶來不確定性。

夏季是暴雨多發(fā)季節(jié)。往往幾次暴雨過程就可決定雨帶分布。影響降水落區(qū)的重要因子包括東亞夏季風、西太平洋副熱帶高壓以及中高緯度冷空氣活動的季節(jié)內變化，而目前對季節(jié)內尺度大氣內部動力過程的異常變化特征還沒有較好的預測方法。因此我們將根據2022 年春末、夏初大氣環(huán)流和海洋等因子的演變趨勢，做進一步補充訂正預測。