灾害性长期天气的转折期是短期气候变化中引人关注的重要问题.众所周知, 异常的大气环流会导致异常短期灾害性 (旱涝) 气候, 因此根据前期月、季尺度的环流物理因子, 可进行预测.但灾害性短期气候的转折期, 如梅雨的暴发、四川盆地夏旱的结束, 往往发生在较月更短的时间尺度里.为了反映环流月内时间尺度的变化特征, 我们从500 hPa月平均高度场中选取欧亚地区与四川夏旱有关的环流区, 分析其候际变化的特点, 用切比雪夫多项系数将其主要演变特征定量化, 用最优子集回归、逐步回归模式来分别研制夏旱结束期的预报, 并将历史预报效果及近期预报结果进行比较, 以进一步探讨灾害性短期气候转折期的最佳预报方法.

1 资料处理及因子

(1) 资料处理  在东半球500 hPa上选取与四川盆地初夏干旱有关的10个环流区:欧洲北部、乌山、我国东北到鄂海、里海、青藏高原、渤海、华中、印缅、南海, 每个区域大致5~11个格点, 加上副高强度, 为11个基本环流资料.计算各区的候高度距平、距平地转风 (计算U_g、V_g时, 南海地区改为东海、印缅改为印度北部), 距平地转风动量 (U_g. V_g).它们分别代表了各环流区的位能、经纬向等高线的密集度、地转动量大小特征.

计算历年 (1951~1999年) 各区4个物理量18个候 (1~3月) 的切比雪夫系数, 其公式为:

(1)

式中H_k(i)为规一化的切比雪夫多项式, I₀为时间序列长度, Z (i) 为时间序列, A_k为切比雪夫系数, k=0、1、2、3、4、5, 共选6个系数, 44个物理量的平均拟合精度在0.50左右.零阶系数代表 (1~18) 候的平均值, 一阶系数代表线性上升的趋势, 其它各阶的切比雪夫系数体现了不同的变化特征 (图略).

(2) 切比雪夫系数、因子的特点  用近30年1~3月东半球500 hPa月平均高度场及上述的候环流区切比雪夫系数 (0~5阶) 与四川盆地夏旱结束期进行相关分析, 结果发现, 月平均高度最大相关值为0.42 (未达0.01置信度), 而环流区的切比雪夫系数有多个超过0.01信度 (表略).

统计分析发现, 西太平洋副高强度1~3月的各月平均值与夏旱结束期无显著关系, 但其间的变化则与夏旱结束期有显著相关:副高强度的第2阶切比雪夫系数 (图略) 与其相关最大, 为0.48.它表明, 当1月与3月副高偏强、2月偏弱时, 该年的夏旱结束期偏迟, 反之亦然, 用月平均副高强度进行验证, 发现在有上述特点的年 (1977、1992、1993、1995年) 中, 3/4的年夏旱结束偏迟 (在6月后期), 有相反变化趋势的年 (1973、1978、1981、1983年) 则夏旱结束偏早 (5月中旬前).副高强度的这种变化 (强、弱、强) 无疑对后期环流变化有某种振荡性的影响.

另一因子是东海地区 (25°N, 115~145°E)ΔV_g (东西方向高度差距平) 的第3阶切比雪夫系数, 它表示:当1月下旬到2月上旬、3月下旬为偏南气流 (槽前), 2月下旬到3月上半月为偏北气流 (槽后), 即从晚冬至初春, 东海地区有2次明显的大槽东移, 冷空气活动有准40天左右的周期, 且势力偏强南伸, 夏旱结束期偏迟, 如1972、1979、1980、1993年, 夏旱结束在6月下旬及以后, 而1986、1988年的2月上旬在东海地区为偏北气流 (东亚大槽槽后), 2月下旬至3月上旬, 由于南支槽明显东移, 东海地区转为槽前偏南气流.此类年南支槽活跃, 夏旱结束偏早 (在5月).

2 预报方法及效果检验

我们用逐步回归及最优子集回归 (即双评分回归) 方法进行预测及检验.将上述的切比雪夫系数因子分成2组:一组是 (11×4×6) 284个切比雪夫系数与预报对象 (夏旱结束期) 进行近30年的相关计算, 选出超过0.05置信度的20多个因子作为“筛选因子”, 另一组是10个环流区高度距平及副高强度的66个切比雪夫系数, 作为“未筛选因子”从1951~1999年按n=30的长度进行滑动回归预报, 将1981~1998年 (18年) 的预报值与实际值进行准确性检验:预报值与实际距平相同或误差小于0.5个均方差 (即2.2候) 时, 算作正确.表 1给出了2组因子在不同回归方法中的历史 (18年) 预报准确率; 从中看到“筛选因子”逐步回归方法的预报准确率最高, 达83%, 而这18年中实际值的距平小于0.5个均方差的年份仅占28% (5/18), 即70%以上的年份夏旱结束期明显偏离平均日期, 可见此类方法有明显预报技巧.同时, 我们还用500 hPa月高度距平的球谐函数 (66个) 因子进行类似的滑动回归检验, 其历史预报准确率亦低于“筛选因子”逐步回归方法.回归模式中, 逐步回归效果优于最优子集回归.

1999年的夏旱结束期, 按候雨量资料 (即本文建立回归方程资料) 确定的实为30候 (盆地西北地区), 预报模式中, 筛选切比雪夫因子的逐步回归预报31.8候、未筛选的最优子集回归 (30.8) 预报均属正确 (小于均方差的一半), 可见筛选后的切比雪夫系数因子逐步回归预报方法是一个经受了历史及实况检验的可行预报方法.