引言

随着人类社会生产和科学技术的发展, 气候变化越来越成为人们关注焦点.月-季尺度的异常气候变化的预测对于制定相关的发展计划及减灾防灾措施具有重要的指导意义.长期预测多采用的是统计预报或天气学方法, 在过去的几十年里它起了很大的作用, 但它存在着物理基础不明确, 受预报员主观因素影响等缺点, 其预报准确率也不够稳定.随着近年来各种气候模式的建立和不断完善, 多种模式预报方法的采用为预测工作带来了新的前景, 模式可预报性的研究也相应提到日程上来. 1997年作者开始用CCM3全球大气环流模式进行预报的尝试性试验, 预测了我国汛期降水的主要分布和500 hPa环流形势.此次预报预测出了长江流域夏季降水偏少的趋势, 为长江三峡工程的工程实施计划提供了较好的气象服务, 取得了一定的经济和社会效益. 1998年用CCM3模式进行了汛期预报, 成功地报出了长江流域和我国东北降水偏多的趋势^[1].为了进一步提高模式预报技巧以便将模式预报转向业务化, 我们选取了近期我国具有代表意义的涝年1991和旱年1994年进行了滚动的历史回报试验, 以此检验CCM3模式月及季尺度预报水平, 为进一步完善模式和发展预报方法提供一些有用的信息.

1 模式介绍

CCM3模式是美国国家大气研究中心 (NCAR) 研制的全球大气环流谱模式, 它从1970年代的CCM0A版本发展至今几经修改、完善和更新.它是一个全球谱模式, 采用三角形谱截断, 水平分辨率为T42, 纬向为均匀分布的128个格点, 经向有64个高斯格点, 垂直方向采用的是混合Z坐标, 从上到下共分18层.其时间积分采用半隐式方案, 时间步长为20 min.

CCM3模式中包括辐射 (长、短波辐射传输)、云、对流、陆面 (植被、冰雪、土壤水分) 及边界层 (垂直扩散、重力波拖曳) 等各种物理过程.模式在计算水汽输送时采用半拉格朗日方法.有关模式动力和物理过程的详细情况可参考Acker等的文章^[2].

CCM3模式提供了3种运行方式:以多年月平均海面温度 (或其他给定的海温) 作为边界场驱动模式大气运行, 称大气单独运行方式, 简称STD (standard) 方式; 与混合层海洋模式耦合运行, 称混合层海洋耦合方式, 简称SOM (slab ocean model) 方式; 与多层海洋模式耦合运行, 称海洋大气耦合方式, 简称CSM (climate system model) 方式. 3种运行方式均包括陆面过程.这样就构成了一个由海、陆、气组成的完整的地气系统的物理模型.在此基础上CCM3在给定初始场和边界场的情况下, 通过时间积分来预报下一时刻的大气状态和相关物理因子的变化响应情况.

2 试验方法

首先对CCM3在STD方式下以气候平均的12个月的海温 (SST) 作下边界条件将模式积分了10年, 得到了一个10年平均的模式结果.由于这10年积分的初始场是NCAR对该模式进行了“启动运行” (spin up) 3年后所得的结果, 因此, 这10年积分的结果 (实际上是13年积分的后10年) 可以近似代表模式的气候状况.将这10年积分所得的高度场、风场、温度场等取平均并与多年平均的观测场相比较可以发现两者很接近.为节省机时我们就用它来代表模式的气候状况.在此基础上, 选用STD方式进行模式预报试验, 一方面可以检验该运行方式的预报能力, 另一方面可以通过求预报值与模式平均值的距平来剔除模式固有的预报偏差.采用NCEP的再分析资料作为模式的初始场, 选取对我国具有代表意义的涝年1991年和旱年1994年, 以每月最后一天的00:00UTC的资料为初始场, 将模式积分3个月, 进行月及季尺度预报.预报是滚动进行的, 每个月作一次, 两年共作24次.由于下边界的海温场分别由距平持续预报和实际海温两种方式给出, 因此实际预报了48次.

3 资料前处理

(1) 初始场  将NCEP高空多层的144 (纬向) ×73 (经向) 的标准网格点资料进行垂直插值和谱转换, NCEP地面196 (纬向) ×92 (经向) 的高斯格点资料也进行谱转换, 均转化成CCM3的T42分辨率的高斯格点资料, 即128 (纬向) ×64 (经向), 以此作为初始场.

(2) 边界场  在STD运行方式下, 海温由外部文件读入, 海温每天更换一次.模式将每月的平均海温作为月中 (15日或16日) 的值.当模式运行到上半月的某一天时, 该天的海温由上月的平均海温和当月的平均海温用线性内插得到, 而当模式运行到下半月的某一天时, 该天的海温由下月的平均海温和当月的平均海温用线性内插得到.因此积分3个月必须给出从预报起始月之前一个月到预报中止月下一月的5个月的海温.每次预报试验的海温场分别采用两种方法给出, 即:(1) 距平持续预报的方法, 将被预报月前的一个月的实际月平均海温与CCM3模式提供的多年平均态的该月平均海温做距平, 并假定该海温距平持续不变, 以此预报出被预报月及其后几个月的海温. (2) 用被预报月 (季) 的实际海温代替原来模式提供的气候平均态的海温驱动模式运行.目的主要是检验海温对于预报结果的影响.

4 模式预报结果的检验方法

CCM3模式运行结果给出高斯格点上的大尺度降水率和对流降水率, 求和后得到格点的总降水率, 由此可以做出降水预报; 另外通过模式输出的地面气压、地表位势、温度及湿度可以计算出各模式层的位势高度, 垂直插值后即可得到各等压面上的位势高度, 进行高度场预报.

对于高度场和降水场的距平预报结果的检验根据研究的需要采用了不同的方法:

(1) 高度场  将NCEP 1991年和1994年的全球月平均高度场通过谱转换获得分辨率为T42的CCM3的高斯格点上的高度值, 减去相应的NCEP的气候平均高度即可得到预报月的实际高度距平.再用CCM3模式预报的高度值与CCM3多年平均的高度值作差即可得到预报的高度距平, 再用下式作相关分析,

(1)

其中ΔR_x为距平, 为距平的空间平均.下标x和y分别表示观测和预报. N为相关场的样本点数, 本试验中N=128×64.按式 (1) 计算了1991年各月500 hPa高度距平预报值与实际值的相关 (表 1).

(2) 降水场  用我国160站的1951年到1997年降水做多年月平均, 将1991年和1994年逐月的降水同多年月平均降水相减, 即可得到这两年160个台站的实际降水距平.将CCM3模式预报的中国区域的降水插值到上述16站点并减去相应的CCM3模式降水的气候平均值, 即可得到预报的160个台站的降水距平.对于降水距平预报能力的评价, 我们给出了两种指标.一种是给出距平符号一致的百分率, 它是将实际降水距平和模式预报的距平的符号作比较, 凡距平符号相同或距平均为零的则认为预报准确, 距平符号不同则认为报错, 这样便可对模式预报能力有一个清晰的认识.另一种是按照国家气候中心预测室制定的评分标准^[3]对预报进行评分, 该标准从实际预报工作要求出发, 在WMO提出的预报准确百分率的基础上加上了异常级加权得分而构成, 它表示在预报区域内预报准确率的百分率.它较上述距平符号一致的百分率宽松, 当预报的和实际的距平百分率的绝对值均在15%以内时就视为预报准确.另外对重大异常降水的预报通过加权评分给予鼓励.具体计算公式为:

(2)

式中N₀为距平符号报对的站数和正常级 (指测站降水距平百分率绝对值≤15%) 报对的站数和; 正常级报对的含义是指预报和实况虽距平符号不同, 但都属正常级的情况. N为参加评分的总站数, 全国范围使用160个代表站.n₁、f₁为一级异常 (指测站降水距平百分率≥50%) 报对的站数和权重系数, n₂、f₂为二级异常 (指测站降水距平百分率≥20%) 报对的站数和权重系数.对月降水预报来说f₁和f₂分别取为2.19和1.30.对季降水预报来说f₁和f₂则分别取为4.39和1.60.

按上述标准, 我们分别对1991年、1994年不同海温边界场强迫下获得的月尺度降水预报和季尺度降水预报进行了评分.

5 结果分析

分析1991年72次月预报的500 hPa高度距平与观测的高度距平的相关系数 (表 1), 可以看出:高度场距平相关总体来说, 预报第1个月的相关关系最好, 相关系数平均值为0.344, 已超过5%信度值, 且全部是正相关.而第2个和第3个月的相关系数则明显下降.用实际海温作预报其效果比用距平持续外推的海温作预报要略好些, 尤其是在预报第3个月比较明显.1994年的预报则比1991年要差.用外推的海温为下边界条件所做的12次预报的500 hPa高度距平与观测的高度距平的相关系数第1个月平均为0.034, 第2个月平均为-0.045, 第3个月平均为-0.118.而采用实际海温为下边界条件时这3个月预报的500 hPa高度距平与观测的高度距平的平均相关系数分别为0.079, -0.099和0.024.限于篇幅这里就不列出每次预报的结果.显然, 无论用实际海温还是用外推的海温为下边界条件预报的结果都不好.因此, 1991年和1994年两年的试验结果表明CCM3对500 hPa高度距平的预报效果是不稳定的.

表 2给出1991年降水距平预报的检验情况.对月预报, 表中既给出按公式 (2) 计算的评分, 同时也给出预报的距平符号与观测的降水距平符号相同的百分率 (准确率).对季预报, 则只给出按公式 (2) 计算的评分.1994年的情况与1991年相似, 但平均的月和季的降水距平预报准确率和评分比1991年略好.限于篇幅, 这里略去1994年的有关表格, 仅在图 1中给出1991和1994年季预报的评分情况.

平均而言, 月预报的降水距平符号与观测的降水距平符号相同的百分率基本上在45%左右, 月预报评分与预报起始月之间没有明显的关系, 但是可以看出, 用5~7月初始场作6~8月的月预报时, 评分基本上都高于业务预报的平均分 (60.59, 1971~1995年平均).而用4月和5月的初始场预报5~7月和6~8月的季预报评分都在66分以上, 有一定的预报技巧.由1991、1994年月尺度降水评分分数段统计表 (表略) 可以看出, 月尺度降水评分主要落在50~80分之间, 其中, 1994年的预报评分落在60~80分之间, 而1991年的预报评分主要落在50~70分之间; 另外由平均值也可以看出1994年月尺度预报效果好于1991年.比较实际海温预报和海温距平外推预报的效果可以发现:1994年几乎没有差别, 1991年的前两个月的预报也差别不大, 但第3个月的差别比较明显.值得注意的是1991年5月ENSO开始发生, 5月为起始月的第3个月的预报, 实际海温和海温距平外推的预报效果基本一致, 但5月以后的6~12月为起始月的第3个月的预报, 无一例外地表现为实际海温的预报水平明显低于海温距平外推的预报水平.对季度预报分数和分数段分布的统计结果 (表略) 表明, 1991、1994年季尺度降水评分主要落在60~80分之间, 且1994年季尺度预报效果好于1991年 (见图 1), 这说明模式在EN SO年的表现不太好.ENSO年导致我国降水异常发生, 除海温异常变化是直接因素外, 还和其它与ENSO有关的间接因素有着同期或不同期的关系, 而模式对于这方面的描述能力较低, 因此预报水平低于正常年的预报.由于我们比较关注我国汛期降水, 比较几次试验, 由图 1可以发现:以5月为起始月的季尺度预报水平均高于全年季尺度预报的平均值, 说明汛期降水预报的效果比较好.而以8月为起始月的季预报评分最低, 这不利于秋季降水的预报.此外, 以10~12月为起始月的季尺度预报水平也较高.

对照业务月尺度降水预报评分可以看出:模式月尺度预报1991年和1994年的评分 (分别为64.678和70.882) 均高于当年业务预报水平, 而且也高于分数为60.59的业务预报平均水平.和业务季尺度降水预报评分相比也可以看出:模式季尺度汛期6~8月预报, 1991年评分高于业务预报为67.071, 1994年评分低于业务预报为73.685, 但两者均接近或高于业务预报的平均分67.93.

6 结论和讨论

(1) 根据1991年和1994年两年的客观的回报结果可以看出, CCM3模式的月、季降水预报水平是不高的, 月降水距平预报的准确率还不到50%.因此, 模式本身及使用模式的方法均需要改进.应该指出, 目前业务预报中使用的物理统计和天气学方法的准确率同样也很低, 用同样的评分标准将这两年48次月 (或季) 的降水预报与业务预报结果的评分相比较, 模式预报的评分不低于目前业务上经验方法的预报.1971~1995年月降水预报的平均分为60.59, 而1991年和1994年用SST外推方法所做的预报评分则分别为64.7和70.9.虽然我们所做的个例还不多, 但这一结果是令人鼓舞的.

(2) 这两年的500 hPa高度距平预报的结果表明模式的性能还不够稳定.1991年第1个月的预报达到了较高的相关, 而1994年则不够理想.无论1991年还是1994年两个月以后的预报均不可用.

(3) 从1991年和1994年试验的结果来看, 采用实际海温驱动模式预报结果与外推预测海温后再驱动模式所得的结果相差不大.做高度场预测时, 实际海温略好一点, 而作降水预报时则外推的海温好一些.因此在实际使用中, 可以用外推预测海温来做预报.