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气候预测是当今科学界研究的热点问题,世界气候研究计划的一个核心科学目标就是气候预测,其中降水预测尤其困难。目前,我国汛期降水的短期气候预测业务水平,仅是60%-70%左右(系指PS评分),而预测的汛期降水和实测的汛期降水的空间相关系数实际上只在零上下或者比零大一点点(赵振国等,2003;陈桂英和赵振国,1998)。所以,我国的汛期降水预测还是一个相当困难、目前预测水平极其有限的领域。通常,因为气候模式除了在热带地区具有较好的预测性能外,对中高纬环流及东亚降水几乎没有预测能力。因此,有效的利用气候模式可预测的信息,提高气候模式对东亚降水的预测能力非常重要。统计降尺度的预测方法是改进局地降水预测技巧的一个有效方法。Wang和Fan(2009)提出了热带相似方法,他们利用气候模式对热带降水可预测性,以及热带降水与热带外降水的联系,通过比较气候模式预测热带降水的空问分布与历史期间观测降水空间分布的相似性,改进了欧洲多耦合模式对东亚夏季降水的预测技巧。
本论文在评估了欧洲多耦合模式与我国降水密切相关的同期大尺度环流预测性能的基础上,结合前期观测信息,同时考虑气候模式对热带环流场和东亚环流的可预测信息,针对中国站点季节(夏季、春季、秋季)降水展开统计降尺度研究。此外,基于国外气候实时预测系统CFS,利用场信息耦合预测方法发展我国160站的实时统计降尺度预测系统,并对2012年夏季降水开展实时预测。同时,成功地将年际增量的预测方法应用于我国南方站点夏季降水中。
主要结论如下:
1.DEMETER(Development of a European Multimodel Ensemble system forseasonal to in TERannual prediction)中3个模式对各季节的降水回报较差,只在热带地区有预测技巧,其它地区尤其东亚地区的预测技巧极低,而对各季节东亚地区的500hPa高度场(GH5)回报较好。总体来讲,各模式都能较好的再现各大气环流变量的气候平均态和均方差的空间分布型,但在量值上有所偏差,尤其对年际变化的回报较观测普遍偏小。
2.利用年际增量方法研制了1960-2001年夏季江南降水的降尺度预测模型。结果显示,在独立样本检验和交叉检验中,降尺度模型结果的多年平均距平相关系数都较模式原始结果显著提高46%以上。空间、时间均方根误差在江南地区都有显著的减小。同时,我们还证明了来自于前期观测资料的预测因子在此回归统计降尺度模型中的重要作用。
3.基于欧洲多耦合模式,利用场信息的耦合预测,研制了中国160站夏季降水进行统计降尺度预测模型。4个场预测因子为GH5,850hPa比湿场(q85),700hPa高度场(GH7)和海平面气压场(SLP)。无论是单预测因子场模型还是多预测因子场模型,通过降尺度之后的预测能力都较模式原始结果有较大提高。其中,包含了前期观测信息的降尺度预测模型(4P预测模型),其预测性能要好于单纯气候模式降尺度模型(2P预测模型)。4P统计降尺度模型,具有较2P预测模型更高的距平相关系数更低的均方根误差。4P模型能够更好的回报出1998年夏季降水距平空间分布型,且修正了2P模型中西南地区的虚假降水大值区。
4.研制建立了中国地区春季降水的统计降尺度预测模型,结果表明,独立样本检验和交叉检验中的降尺度模型对中国降水的预测较模式原始结果有较大提高。独立样本检验中,降尺度多年平均的空间相关系数较模式原始结果提高了30%以上,另外,RMSE也减小了至少35%。交叉检验中,降尺度模型的空间相关系数在多数年份都达到了0.9,而时间相关系数在中国大部分地区都超过了0.3,而模式原始结果在大多数地区都小于0.25。而且,在加入前期因子北极涛动之后,降尺度模型显著降低了1963年春季降水降尺度结果的:RMSE,同时改进了1963年春季降水距平空间分布型。
5.研制建立了中国地区秋季降水统计降尺度预测模型,利用了来源于模式资料的GH5和观测资料的变量海表面温度场(Sea Surface Temperature,SST)。我们对GH5降尺度方案与GH5+SST降尺度方案的结果进行了比较。一方面,此两方案的降尺度结果都优于模式原始结果,另一方面,GH5+SST方案的降尺度结果显示出了优于GH5方案的降尺度结果。GH5+SST方案较GH5方案更好的回报了1997、1998年中国秋季降水距平空间分布型。
6.研制建立了基于CFS(Climate Forecast System)实时预测资料GH5及观测资料SST的我国夏季台站降水预测模型,并针对1982-2011年中国夏季降水进行了统计降尺度回报试验。模式与观测降水之间的空间距平相关系数由0.03提高到0.31。同时,此模型较好的回报出了2011年汛期降水的距平百分率的空间分布型。最后,我们又利用2012年夏季GH5的模式资料和2011秋冬的SST资料,对2012年夏季降水距平百分率做出了预测。