短期氣候預(yù)測(cè)基礎(chǔ)：第7章 短期氣候預(yù)測(cè)的物理統(tǒng)計(jì)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(hào)臺(tái)風(fēng)數(shù)目前編號(hào)臺(tái)風(fēng)數(shù) 處于偏少的階段處于偏少的階段 ，登陸臺(tái)風(fēng)在平，登陸臺(tái)風(fēng)在平 均值附近波動(dòng)。均值附近波動(dòng)。 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(chǎng)的夏季降水與前冬環(huán)流場(chǎng)的SVD_1向量（向量（0.7） PNA 譚桂容，孫照渤，趙振國(guó)譚桂容，孫照渤，趙振國(guó).我國(guó)東部夏季降水與北半球大氣環(huán)流和北太平洋海溫的關(guān)系我國(guó)東部夏季降水與北半球大氣環(huán)流和北太平洋海溫的關(guān)系 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1998,21(1)：1-7 8% 16% 在預(yù)測(cè)中考慮的主要物理因子：在預(yù)測(cè)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(fēng)、熱帶對(duì)流活動(dòng)、赤道輻合帶、越赤亞洲季風(fēng)

3、、熱帶對(duì)流活動(dòng)、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(guān)型、準(zhǔn)兩年振蕩度阻塞高壓、極渦、遙相關(guān)型、準(zhǔn)兩年振蕩 （QBOQBO）、三大濤動(dòng)等大氣活動(dòng)中心或大氣環(huán)流）、三大濤動(dòng)等大氣活動(dòng)中心或大氣環(huán)流 系統(tǒng)；系統(tǒng)； u太陽(yáng)活動(dòng)、天文因素、地球物理因素等。太陽(yáng)活動(dòng)、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(fēng) 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(fēng)季風(fēng) 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(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)

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(jì)世紀(jì)80 80 年代后期開始，氣象系統(tǒng)各級(jí)業(yè)務(wù)部年代后期開始，氣象系統(tǒng)各級(jí)業(yè)務(wù)部 門都先后建立了門都先后建立了第一代以物理統(tǒng)計(jì)方法為主的短期氣第一代以物理統(tǒng)計(jì)方法為主的短期氣 候預(yù)測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)候預(yù)測(cè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成了一個(gè)完整的客觀化、，形成了一個(gè)完整的客觀化、 自動(dòng)化的業(yè)務(wù)流程，這使短期氣候預(yù)測(cè)向現(xiàn)代化又邁自動(dòng)化的業(yè)務(wù)流程，這使短期氣候預(yù)測(cè)向現(xiàn)代化又邁 進(jìn)了一大步，基本結(jié)束了資料處理和預(yù)測(cè)制作的手工進(jìn)了一大步，基本結(jié)束了資料處理和預(yù)測(cè)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(jì)預(yù)測(cè)到物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)從數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)到物理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè), , 這是短期氣候這是短期氣候 變化和預(yù)測(cè)理論發(fā)展在業(yè)務(wù)方法上進(jìn)步的體現(xiàn)變化和預(yù)測(cè)理論發(fā)展在業(yè)務(wù)方法上進(jìn)步的體現(xiàn), , 它不它不 僅有助于直接提高預(yù)測(cè)水平僅有助于直接提高預(yù)測(cè)水平, , 同時(shí)對(duì)提高統(tǒng)計(jì)因子的同時(shí)對(duì)提高統(tǒng)計(jì)因子的 質(zhì)量和改進(jìn)動(dòng)力學(xué)方法的物理過程都起到促進(jìn)作用。質(zhì)量和改進(jìn)動(dòng)力學(xué)方法的物理過程都起到促進(jìn)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(jié)合的方法，線性回歸相結(jié)合的方法，PCAPCA與與CCACCA、SVDSVD相結(jié)合的相結(jié)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(luò)方法等）；（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等）； 預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)模型 后報(bào)試驗(yàn)后報(bào)試驗(yàn)獨(dú)立試報(bào)試驗(yàn)獨(dú)立試報(bào)試驗(yàn) 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(chǎng)與后夏季降水奇異值分解的第一對(duì)向量冬季高度場(chǎng)與后夏季降水奇異值分解的第一對(duì)向量 冬季高度場(chǎng)與后夏季降水奇異值分解的第三對(duì)向量冬季高度場(chǎng)與后夏季降水奇異值分解的第三對(duì)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(chǎng)合成前冬海溫場(chǎng)合成 u動(dòng)力方法是確定論的，它基于物理定律的 初值（邊值）問題，認(rèn)為未來(lái)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(jié)果 ； u但沒有利用或沒有充分利用已有的實(shí)況歷 史資料。 u統(tǒng)計(jì)方法是隨機(jī)的觀點(diǎn)，它則利用了實(shí)況 資料，承認(rèn)未來(lái)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(duì)未來(lái)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(shí)。 )( 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(dòng)力延伸預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用

8、方法動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用方法 及其在月季降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及其在月季降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)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(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的拉普拉斯有關(guān)，反映了第二項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的拉普拉斯有關(guān)，反映了 大氣的輻合、輻散情況，體現(xiàn)了與降水有關(guān)的大氣的輻合、輻散情況，體現(xiàn)了與降水有關(guān)的 大氣垂直運(yùn)動(dòng)；大氣垂直運(yùn)動(dòng)； 第三項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的緯向切變有關(guān)，反映了第三項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的緯向切變有關(guān)，反映了 東西氣流交匯的影響；東西氣流交匯的影響； 第四項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的經(jīng)向切變有關(guān)，體現(xiàn)了第四項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平的經(jīng)向切變有關(guān)，體現(xiàn)了 冷暖空氣交匯對(duì)降水的影響；冷暖空氣交匯對(duì)降水的

9、影響； 第五項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平有關(guān)；第五項(xiàng)：形勢(shì)場(chǎng)距平有關(guān)； 有清晰的天氣學(xué)意義。有清晰的天氣學(xué)意義。 443322110 XAXAXAXAARa XB 1 2 X x B 2 X y B 3 XB 4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì): 試驗(yàn)一試驗(yàn)一(PP(PP法法):NCEP/NCAR):NCEP/NCAR再分析資料和站點(diǎn)降水觀測(cè)資料再分析資料和站點(diǎn)降水觀測(cè)資料 進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn) , ,檢驗(yàn)解釋能力。檢驗(yàn)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(chǎng)高度場(chǎng) 和國(guó)家氣候中心和國(guó)家氣候中心160160

10、站降水資料站降水資料確定站點(diǎn)降水距平百分率預(yù)確定站點(diǎn)降水距平百分率預(yù) 報(bào)方程報(bào)方程； u用用1992-20011992-2001年的資料進(jìn)行年的資料進(jìn)行實(shí)況解釋預(yù)報(bào)檢驗(yàn)實(shí)況解釋預(yù)報(bào)檢驗(yàn)； u然后利用該方程和模式結(jié)果進(jìn)行然后利用該方程和模式結(jié)果進(jìn)行20022002年以后的降水年以后的降水預(yù)報(bào)預(yù)報(bào) 試驗(yàn)試驗(yàn)。 解釋應(yīng)用方法預(yù)報(bào)月降水試驗(yàn)評(píng)估 （1992-2001,10年） 2002年預(yù)測(cè)實(shí)例 2002 T63業(yè)務(wù)預(yù)報(bào) 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(yù)報(bào)月預(yù)報(bào) T63T63解釋結(jié)果解釋結(jié)果實(shí)況實(shí)況 20022002年年6 6月預(yù)報(bào)月預(yù)報(bào) T63T63解釋結(jié)果解釋結(jié)果實(shí)況實(shí)況 各省建立的解釋應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)各省建立的解釋應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng) 模式預(yù)報(bào)誤差分別模式預(yù)報(bào)誤差分別來(lái)源于資料和模式誤差來(lái)源于資料和模式誤差，誤差的存在導(dǎo)致初，誤差的存在導(dǎo)致初 值和模式存在不確定性，由它們所引起的預(yù)報(bào)誤差增長(zhǎng)分別稱為值和模式存在不確定性，由它們所引起的預(yù)報(bào)誤差增長(zhǎng)分別稱為內(nèi)內(nèi) 部和外部部和外部誤差增長(zhǎng)。誤差增長(zhǎng)。

13、 u由于模式誤差的存在，模式長(zhǎng)期積分會(huì)趨向于模式內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)平由于模式誤差的存在，模式長(zhǎng)期積分會(huì)趨向于模式內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)平 衡狀態(tài)（即模式氣候），這種與實(shí)際氣候的偏差被稱為衡狀態(tài)（即模式氣候），這種與實(shí)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(shí)間變化的部分（可稱為模式誤差還包含依賴于時(shí)間變化的部分（可稱為時(shí)變誤差時(shí)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(yàn)（或事后）訂正后驗(yàn)（或事后）訂正：只在整個(gè)積分完成后對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行：只在整個(gè)積分完成后對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)

14、果進(jìn)行 訂正處理，訂正處理，MOSMOS技術(shù)也屬此類；技術(shù)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(fù)訂正。：在積分過程中固定間隔反復(fù)訂正。 時(shí)變誤差的訂正：時(shí)變誤差的訂正： （1 1）使用近期資料和模式預(yù)報(bào)來(lái)估計(jì)，并對(duì)當(dāng)前初值的預(yù)報(bào)進(jìn)行）使用近期資料和模式預(yù)報(bào)來(lái)估計(jì)，并對(duì)當(dāng)前初值的預(yù)報(bào)進(jìn)行 訂正，缺點(diǎn)是僅用到最近數(shù)據(jù)，信息量太少，估計(jì)的訂正量可能不訂正，缺點(diǎn)是僅用到最近數(shù)據(jù)，信息量太少，估計(jì)的訂正量可能不 夠穩(wěn)定；夠穩(wěn)定； （2 2）建立由預(yù)報(bào)變量計(jì)算誤差訂正量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，該方法并沒有）建立由預(yù)報(bào)變量計(jì)算誤差訂正量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，該方法并沒有 先驗(yàn)地增加可用信息量，統(tǒng)計(jì)關(guān)系的

15、樣本穩(wěn)定性也難以保證。先驗(yàn)地增加可用信息量，統(tǒng)計(jì)關(guān)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(cè)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(duì)于不同ENSO類而進(jìn)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(dòng)力模式動(dòng)力模式 一般意義上，一般意義上， 數(shù)值預(yù)報(bào)模式可以表示成下面數(shù)值預(yù)報(bào)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(biāo)向量，是空間坐標(biāo)向量，y y是預(yù)報(bào)的狀態(tài)向量，是預(yù)報(bào)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(dòng)力模式動(dòng)力模式 在相似在相似- -動(dòng)力模式中，動(dòng)力模式中， 被分成參考態(tài)和擾動(dòng)態(tài)，即：被分成參考態(tài)和擾動(dòng)態(tài)，即： ， 是從歷史觀測(cè)資料中選出相似的狀態(tài)向量。參考態(tài)按是從歷史觀測(cè)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(dòng)態(tài)的方程：可以得到擾動(dòng)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(shí)際工作中：實(shí)際工作中： 說(shuō)明由于考慮環(huán)流異常相似演變的作用，相似說(shuō)明由于考慮環(huán)流異常相似演變的作用，相似- -動(dòng)力模式動(dòng)力模式 將會(huì)比動(dòng)力模式或相似預(yù)報(bào)方法的精度更高。將會(huì)比動(dòng)力模式或相似預(yù)報(bào)方法的精度更高。 圖圖8.2.1 全球全球500hPa高度逐日預(yù)報(bào)與實(shí)況的高度逐日預(yù)報(bào)與實(shí)況的ACC (a) 緯向平均部分；緯向平均部分；(b)超長(zhǎng)波部分；超長(zhǎng)波部

18、分；(c)天氣尺度部分。天氣尺度部分。 實(shí)線：相似動(dòng)力集合預(yù)報(bào)；虛線：動(dòng)力預(yù)報(bào)（實(shí)線：相似動(dòng)力集合預(yù)報(bào)；虛線：動(dòng)力預(yù)報(bào)（12例平均，預(yù)報(bào)時(shí)間例平均，預(yù)報(bào)時(shí)間/d） 相似動(dòng)力相似動(dòng)力動(dòng)力動(dòng)力 由于使用由于使用不同的預(yù)測(cè)方法不同的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)的結(jié)果會(huì)，預(yù)測(cè)的結(jié)果會(huì) 不同；來(lái)自不同；來(lái)自不同單位不同單位的預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)有差異，的預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)有差異， 然而發(fā)布的預(yù)測(cè)結(jié)果必須是然而發(fā)布的預(yù)測(cè)結(jié)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(yù)報(bào)集成預(yù)報(bào)方法，來(lái)綜合分析各種不方法，來(lái)綜合分析各種不 同方法以及不同來(lái)源的預(yù)測(cè)結(jié)果，最后給出一同方法以及不同來(lái)源的預(yù)測(cè)結(jié)果，最后給出一 個(gè)統(tǒng)一的

19、預(yù)測(cè)結(jié)果。個(gè)統(tǒng)一的預(yù)測(cè)結(jié)果。 副高副高海溫綜合海溫綜合AO活動(dòng)活動(dòng) 年代際背景年代際背景統(tǒng)計(jì)客觀預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)客觀預(yù)測(cè) 動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合客觀預(yù)測(cè)動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合客觀預(yù)測(cè) 副高副高海溫綜合海溫綜合AO活動(dòng)活動(dòng) 年代際背景年代際背景統(tǒng)計(jì)客觀預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)客觀預(yù)測(cè)動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合客觀預(yù)測(cè)動(dòng)力統(tǒng)計(jì)相結(jié)合客觀預(yù)測(cè) 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(yù)測(cè)回顧-1998 實(shí) 況NCC預(yù)報(bào) 預(yù) 測(cè) 評(píng) 分 20%20%20%-20% 氣候業(yè)務(wù)系統(tǒng)氣候業(yè)務(wù)系統(tǒng) 理論研究理論研究 氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù) 觀測(cè)資料觀測(cè)資料 影響因子及其機(jī)理影響因子及其機(jī)理 氣候監(jiān)測(cè)、診斷氣候監(jiān)測(cè)、診斷 氣候動(dòng)力模式預(yù)測(cè)氣候動(dòng)力模式預(yù)測(cè) 觀測(cè)資料分析觀測(cè)資料分析 應(yīng)用氣候研究應(yīng)用氣候研究 影響評(píng)估影響評(píng)估 預(yù)評(píng)估預(yù)評(píng)估 公共服務(wù)公共服務(wù) 需求分析需求分析 國(guó)家氣候中心國(guó)家氣候中心 1 1、對(duì)氣候系統(tǒng)的多圈層監(jiān)測(cè)、對(duì)氣候系統(tǒng)的多圈層監(jiān)測(cè) 北半球積雪 冰雪圈監(jiān)測(cè)冰雪圈監(jiān)測(cè) 北半球海冰密集度 區(qū)域積雪指數(shù) 亞洲 中國(guó) 全球 全球與中國(guó)逐日全球

21、與中國(guó)逐日旱澇監(jiān)測(cè)旱澇監(jiān)測(cè) 季風(fēng)監(jiān)測(cè) 爆發(fā)/結(jié)束 逐日指數(shù) 夏季風(fēng)強(qiáng)度 水汽輸送 極端事件監(jiān)測(cè)極端事件監(jiān)測(cè) 2006年夏季 重慶高溫 2008年初南方 低溫雨雪冰凍 2 2、動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)、動(dòng)力氣候模式預(yù)測(cè)業(yè)務(wù) 化系統(tǒng)的建立化系統(tǒng)的建立 結(jié)構(gòu)與流程 產(chǎn)品平臺(tái)產(chǎn)品平臺(tái) http:/ http:/ 海洋資料同化產(chǎn)品 1.時(shí)間尺度：逐月 2.變量:海洋溫度和鹽度 3.時(shí)段： 1982年1月至今， 每月更新 4.空間分辨率： 194lon92lat30lev 動(dòng)力延伸預(yù)報(bào)： 1.變量：500hPa 高度場(chǎng)、降水距平百分率、 2m氣溫、700hPa風(fēng)場(chǎng)、SLP 2.區(qū)域：亞洲（15S-65N, 40E-175E）、 東北半球、北半球、全球 3.時(shí)效：未來(lái)40天，每5天滾動(dòng)更新 海氣耦合模式預(yù)報(bào)： 1.要素：海溫距平、地面溫度距平、 500hPa 高度場(chǎng)、850hPa 溫度場(chǎng)、降水 距平百