气候诊断与预测是一个十分宽泛的研究课题, 其范围几乎涵盖气候研究的所有方面。因此, 本文概述的内容限定在近50年来中国气象科学研究院在气候统计诊断和预测方法方面所取得的研究进展和成果, 即侧重论述气候研究中使用的新统计方法和技术的研究进展。

利用各种方法和手段, 根据气候观测资料对气候变化与异常程度进行定量分析和判断是气候诊断的主要内容。现代气候诊断最主要的研究方法是统计诊断和气候数值模拟。气候统计诊断方法是利用气候系统的统计特性对气候变化及其异常进行诊断, 主要包括:①应用统计方法了解区域性或全球性气候变化的时空分布特征、变化规律和气候异常的程度; ②通过统计方法探索气候变量之间及与其他物理因素之间的联系, 研究气候异常的原因; ③利用统计方法对气候数值模拟结果与观测结果之间的差异进行诊断分析。随着计算机技术的发展和气候系统概念的提出, 利用气候模式的模拟结果进行诊断分析已成为目前气候诊断研究的重要内容。气候模拟诊断不仅考虑大气内部状态和行为, 还考虑了对相互作用起重要作用的海洋、冰雪、陆面和生物等气候系统的总体效应, 因此可以依据物理学原理研究气候变化与气候异常的形成原因。

统计学方法和气候数值模式是目前短期气候预测的主要方法。气候统计预测是按照统计学的观点, 利用统计模型对气候系统的变化状态做出估计。统计预测是在利用过去大量资料对气候系统内部或其他变量之间关系的变化规律及特征的分析基础上建立的, 但没有考虑气候变化的物理过程。近年来, 气候数值模式预测有了很大发展, 气候模式的优势是充分考虑气候系统的物理过程, 但对大量历史信息利用不足, 目前预报技巧还不高。

在计算机进入数理统计领域之后, 统计学出现了重大飞跃, 并为解决各个学科、各个领域中提出的统计问题而不断发展。我国的气候统计诊断与预测开始于20世纪60年代, 自那时起, 中国气象科学研究院的学者们始终站在研究的前沿, 取得了令人瞩目的成果。

在20世纪60年代以前, 我国气候研究主要依赖于资料分析, 利用历史演变图来制作长期天气预测。随着计算机技术的快速发展, 我国气候学者引进统计学方法, 结合我国气候特点, 开展了气候统计分析与预测的研究。中国气象科学研究院的学者们在引进、应用和推广方面进行了卓有成效的探索和研究。

1963年张家诚等人首次利用车贝雪夫多项式分解了1952—1961年10年逐月500 hPa等压面位势场^[1], 将其分为4个主要型式, 这是利用较复杂的统计学工具进行气候分析得到的新结果。1964年朱福康利用波谱分析研究了北半球多年月平均500 hPa图上60°N和30°N纬圈的高度和纬圈平均的经向运动动能^[2], 分析证明平均位势场的高度主要贡献均集中在准静止长波范围内, 并具有明显的季节变化, 而60°N纬圈平均的经向运动动能主要部分亦集中在准静止长波范围内。这一工作是我国较早将波谱分析用于气候分析的尝试, 在当时产生了一定的影响。此外, 史久恩等人将逐步回归技术引用到长期天气预报中^[3], 以1932—1962年华北7, 8月降水总量作为因变量, 以太阳辐射和前期环流等作为自变量, 建立逐步回归预测模型, 制作了1963年夏季和6—10月的降水长期预报, 这是我国较早将统计模型用于气候预测的研究成果。在20世纪60年代, 我国大多数气象台站的器测资料仅有10余年, 能够收集到的全球或北半球格点资料也只有10年左右, 加之当时我国的计算条件有限, 大多数的气候分析只能是简单的资料分析, 因此使用统计学方法进行气候分析与预测的成果就显得十分醒目。

20世纪70年代中期以后, 随着科学家对气候研究的重视和我国计算机技术的发展, 中国气象科学研究院关于气候统计分析和预测的研究有了显著的进展。最大熵谱、正交函数分解、判别分析、聚类分析等方法在气候分析和预测中得到较广泛地应用^[4-7]。例如, 曹鸿兴等将最大熵谱用于研究曼谷100 hPa 1965—1975年逐月高度距平的周期变化特征, 发现该序列具有34~41个月的显著周期, 并指出这是准3年周期振荡现象, 这一周期在500 hPa高度场中也存在。在使用这些方法过程中还注重结合所要解决的实际问题有所扩展, 例如, 陆龙骅尝试将聚类分析用于矢量场的分析^[8], 徐瑞珍等将经验正交函数分解用于两个场的相关分析, 分析了500 hPa 6—8月平均高度与同期我国东部地面温度场的相关^[9]。70年代中后期, 统计预报在我国得到广泛的应用和普及, 赵溱等人为此付出了很大的努力, 不仅编制相关教材到省、地区气象台站讲课, 而且还根据长期预报的具体特点, 提出了分类逐步筛选、组合因子等新的预报思路^[10-11]。在此研究基础上, 魏凤英等研制出能够制作多步预测的逐步回归周期函数模型^[12-13]。同时, 黄文杰等人将时间序列的ARIMA季节模型用于长期预报, 利用1952—1976年资料建立了月上海温度预报模型, 计算结果证明模型是稳定的^[14]。

值得提及的是, 20世纪70年代末至80年代末期间, 中国气象科学研究院科研人员在模糊集理论和灰色系统在气象中的应用及推广方面发挥了很大的作用。70年代末中国气象科学研究院在国内首次将模糊集理论和方法推向大气科学的各个领域^[15]。气象中有一些典型的带有模糊性的问题, 例如气候分型、气候区划等问题, 另外可预报性的研究中也蕴含着模糊性问题等等。当时在中国气象科学研究院工作的陈国范发表了国内第1篇模糊数学与天气预报的论文^[16], 接着曹鸿兴等也发表了有关天气过程模糊分型的成果^[17], 这些工作是模糊方法在天气气候分析与预测应用的试验性研究。随着模糊集方法在气象中应用的深入, 中国气象科学研究院的相关研究成果不断涌现^[18-22], 不仅局限在天气、气候的分型, 还涉及到天气预报评分及农业气候区划等。灰色系统是将控制论和信息论有机地结合在一起的系统, 一问世就引起学者的极大兴趣。魏凤英根据全国气温等级资料建立了一套灰色动态模型, 并对未来15年全国冷暖趋势进行了预测^[23]。之后陆续又有一些应用成果出现^[24-25]。另外, 中国气象科学研究院在模糊集理论和灰色系统的推广中也发挥了至关重要的作用。

进入20世纪90年代, 国际上对统计学方法不够重视的局面大有改观。著名气候学者Gray在1995年举行的第20届美国气候诊断年会上坦言:当前将过多的资金用于模式研究, 而对统计方法的研究注意不够, 这是不可取的。他同时指出:大气的记忆力远比人们想象的要长, 用统计方法考虑大气-海洋系统的历史演变是一种有前途的预报方法。事实上, 近年来在国外气象杂志刊登的气候研究论文中, 使用统计手段的研究成果占了相当的比重。特别是近年来气候统计诊断与预测方法的研究出现了令人惊喜的发展, 新方法、新技术不断涌现, 为气候研究注入了新的生机与活力, 拓宽了认识和预测气候系统的视野, 得到了一些新的观测事实。

气候突变和年代际振荡及不同尺度的相互作用是20世纪90年代气候诊断研究提出的新概念, 由于它与非线性理论密切关联, 因此受到学者的高度重视, 由此衍生出一些新的诊断方法, 或给予经典方法新的用途和解释, 其中就包括用于趋势分析的带通滤波和线性倾向、用于气候突变分析的统计检验、用于气候不同尺度特征分析的小波分析及奇异谱分析等等。事实上, 相关分析始终是气候诊断研究使用最普遍的工具, 研究成果也是最丰富的, 仅从中国气象科学研究院2004年以来气候研究方面的成果就可以看出^[26-29]。这里重点介绍新方法、新技术的应用和拓展的研究成果。林学椿使用带通滤波器对北半球500 hPa高度距平的每个格点进行滤波计算^[30], 结果表明500 hPa高度普遍存在3~5年周期, 该周期的相对方差在30%以上。陈隆勋等使用计算得到的线性倾向系数做出我国400站气候变量的线性倾向分布图^[31-32], 该图显示1961—1990年的40年东北、华北、西北等地区气温变暖明显。卞林根等使用线性倾向等分析手段研究了南极地区的温度和海冰变化特征^[33], 结果表明:南极近30年有显著变暖趋势, 其中以南极半岛变暖趋势最明显。徐祥德等利用功率谱合成方法分析了台风涡旋螺旋波及其波列传播特征^[34]。陆龙骅等使用线性倾向、多维谱分析等方法研究了南极及临近地区近35年大气温度的短期气候变化^[35], 证实南极变暖主要出现在南极半岛。魏凤英等利用滑动的t检验分析了全球、北半球和我国气温的突变现象^[36], 分析表明20世纪40年代末50年代初我国曾经历了一次由暖到冷的突变, 而北半球和全球曾在19世纪末和20世纪20年代发生过突变。于淑秋等利用滑动的t检验分析了北太平洋的气候突变^[37], 证实其在20世纪70年代末80年代初发生过一次明显的突变。于淑秋等还利用滑动的t检验分析了我国西北地区近50年降水和温度的变化^[38], 指出该地区在1986年前后发生了一次明显的气候突变, 比全国突变晚6~8年。卞林根等用统计检验和小波分析的方法研究了南极半岛近百年气温的年代际振荡^[39], 表明南极半岛分别在1919—1923年, 1947—1953年和1976—1982年出现过突变, 近百年气温增加了0.730 ℃, 其中冬季最大, 夏季最小, 而海冰是减少的。牛涛等使用Mann-Kadall等突变检测手段研究了青藏高原近40年的气候突变^[40], 证实20世纪80年代后期青藏高原进入显著的增湿阶段。在应用的基础上还对一些方法进行了拓展, 魏凤英等推导证明了Morlet小波变换通过零的点即为信号突变点^[41], 提出利用小波变换与统计检验相结合的方法对气候突变进行检测的思路, 用此方法得到近百年长江中下游梅雨强度序列多尺度层次的谱系结构, 有助于对梅雨变化特征的深入了解和认识。

近十几年来国外以经验正交函数 (Empirical Orthogonal Function, EOF) 为基础的气象变量场分析方法的飞跃发展格外引人注目。针对气候变量场特征分析需要, 发展了揭示空间结构与时间演变特征的扩展经验正交函数 (Extended Empirical Orthogonal Function, EEOF)、表现变量场地域结构特征的旋转经验正交函数 (Rotated Empirical Orthogonal Function, REOF)、揭示空间行波结构的复经验正交函数 (Complex Empirical Orthogonal Function, CEOF) 和描述动力系统非线性变化的主振荡型 (Principal Oscillation Pattern, POP) 等等。同时还发展了进行两个变量场相关分析的奇异值分解 (Singular Value Decomposition, SVD) 及BP典型相关分析等。章基嘉等利用POP分析了热带海表温度异常^[42], 描述了El Niño和La Niña事件交替出现的时空特征。魏凤英等利用EEOF分析了1850—1991年我国东部25站旱涝百分率场的波动特征^[43], 表明旱涝异常信息具有明显的传播特征。魏凤英等利用REOF研究了华北干旱的地域特征^[44], 揭示出华北春季干旱有3个主要空间型态, 夏季则有4个主要空间型态。牛涛等对青藏高原冬季平均气温和湿度场进行了REOF分析^[45], 将高原冬季温度分为6个分布型, 将冬季湿度分为8个分布型。魏凤英还将REOF用于年代际和年际尺度因子的潜在结构对长江中下游夏季降水异常的影响的研究中^[46], 根据分解出的公共因子及相应的得分来判断不同尺度因子的贡献大小。另外, 使用EOF的研究也有新成果出现。赵平等使用EOF分析了东亚—北太平洋地区地面气压的主要模态及其与东亚副热带季风年际变率的关系^[47], 分析表明, 在亚洲大陆和北半球太平洋之间气压场的偶极子模态, 反映了东亚地区东西向气压梯度的异常。冷春香等使用EOF和聚类相似分析了我国汛期旱涝的分布类型和暴雨雨量对多雨带位置和强度的贡献^[48]。武炳义等利用EOF分析了海平面气压变化的主要模态^[49], 并利用特征值样本误差得到了大气环流的优势模态, 分析北极偶极子异常与冬季北极海冰运动的关系。魏凤英等也利用EOF对1899—2003年近百年北半球海平面气压的空间结构进行了分析^[50], 并进一步利用三次样条函数将海平面气压的年代际和年际尺度变化进行分离, 在此基础上探讨其不同尺度分布结构对长江中下游梅雨异常的影响。施晓晖等则利用EOF揭示出北京南部周边城市群落域存在气溶胶气候效应区域性增强的变化趋势^[51]。程彦杰等利用SVD对南极海冰密集资料进行了分析^[52], 发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰存在“翘翘板”变化特征, 并与ENSO存在关系。祝从文等采用SVD的方法分析了热带海气同步线性耦合在东亚区域的大尺度热力环流表现形式^[53]。1999年魏凤英出版了《现代气候统计诊断与预测技术》一书^[54], 对国内外新近推出的新统计诊断与预测技术进行了较全面的介绍。

近十几年来, 中国气象科学研究院的科研人员提出和研制了一系列短期气候预测的新方法。谷湘潜等将经典的最小二乘法推广到复数域内^[55-56], 即形成了复最小二乘法, 汛期预报试验表明在预测模型中应用复最小二乘法有一定的优势。魏凤英等提出了对气候极值有较好预测效果的均生函数模型和模糊均生函数模型^[57]、兼顾气候序列类别的回归模型^[58]、与动力学相联系的奇异谱延拓模型^[59], 这些方法的特点是可以改善气候序列极端值的预测效果, 且可以满足做多步预测的需求, 已在广大气象台站及水文、生态等领域的业务预测中广泛应用。在细致研究我国夏季降水的气候特点基础上, 构建出我国夏季雨带位置的新预测模型^[60], 该模型已投入业务使用并被组装到“九五”攻关重中之重“我国短期气候预测系统”项目的预测综合决策系统中。另外, 还提出利用动力学重构技术将年代际和年际尺度变化进行分离建模的新思路^[61], 提前3个月的跨季度预测试验准确率为71%, 比目前业务预测水平有一定提高。

周秀骥在论述大气随机动力学与可预报性问题时指出^[62], 人们对大气的随机力和随机强迫驱动力的统计结构还知之甚少。目前, 单就气候统计诊断和预测方面就面临许多新的科学问题, 例如, 如何认识和解决年代际变化带来的统计相关不稳定问题^[63]?如何描述、认识和预测全球变暖导致的气候极端事件的频发^[64]等等一系列问题均需要深入研究。为了适应气候研究的新需求, 发展新的统计诊断与预测技术是十分必要的。

最近有关气候信号的检测倍受关注。以往大多数气候信号的检测方法均需要首先对不规则振动行为提出假设, 因此有时很难寻找出真实的气候信号。为此科学家们进行了新的探索和研究。美国学者提出了一种新的时间序列分析方法^[65], 包括两部分内容, 一是经验模态分解 (Empirical Mode Decomposition, EMD), 它将一个复杂的信号进行平稳化处理, 其结果是将不同尺度或层次的波动或趋势分量从原序列中提取出来, 得到若干具有不同尺度的本征模态函数 (Intrinsic Mode Function, IMF) 分量, 这部分是其核心部分; 二是Hilber-Huang变换 (HilberHuang Transform, HHT), 它将EMD分解得到的IMF分量进行Hilber变换, 得到IMF随时间变化的瞬时频率和振幅, 最终可以得到振幅-频率-时间的三维谱分布。EMD-HHT这一新方法与Fourier谱分析相比, 它得到的振幅和频率是随时间而变化的, 消除了为反映非线性、非平稳过程而引入的无物理意义的简谐波。EMD-HHT方法已开始在海洋、地震、气象、生物医学等领域应用。魏凤英利用此方法分析了北京1724—2005年的年降水量序列^①, 并利用分解出的IMF分量进行了Hilbert变换, 得到北京282年降水量的振幅-频率-时间的三维Hilbert谱。多锥度方法-奇异值分解 (Multi Taper Method-Singular Value Decomposition, MTM-SVD) 方法是美国气候统计学家Mann和Park发展的一种多变量频域分解技术^[66], 它与通常的谱分析、小波分析和SVD等信号检测方法相比有不少优势和特点。用此方法得到的一个重要参数———LFV谱对于气候诊断研究十分有用, 据此可以绘制出频率、时间及谱密度或能量密度的三维平面图, 分析不同频率 (或不同时间尺度周期) 的谱或能量密度随时间的变化特征; 可以利用不同频率的空间模态和时间信息的重建, 分析检测不同时间尺度出现的强信号、某一特定频率所对应的周期循环的不同位相的空间分布型式的动态演变过程及随时间的变化特征; 还可以利用对某一特定频率的空间重建, 寻找出两两变量场遥相关的显著区域, 分析两场空间耦合相关分布的动态演变过程及随时间的变化特征。韩雪利用MTM-SVD方法分析了长江中下游52个站的1951—2000年1—12月降水量场的不同时间尺度的变化特征^[67], 绘制出长江中下游降水量的LFV谱, 并利用MTM-SVD两变量场空间、时间信号的重建, 分析了长江中下游降水量场与北半球海平面气压场的长期变化趋势、年代际尺度和年际尺度耦合特征的演变特征及随时间的变化特征。

① 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术 (增订本).北京:气象出版社, 2007 (待出版)