以环流相似为依据的短期气候预测方法.doc

赵翠君, 李春云, 佟莎仁, 关风云,夏莹, 包建华, 乌文奇, 李振中( 内蒙古通辽市气象局, 内蒙古 通辽 028000)提要根据两个自然天气季节的相似条件之一是环流演变的过程相似的原理, 开发出一种短期气候预测方法。它是以亚洲环流指数和东亚槽、极涡、太平洋副热带高压的环流特征为因子, 以 因子的连续变化为依据, 求出预报年与历年各因子的相似离度平均值, 作为判据, 确定预报年 的最佳相似年, 进而做出预测的方法。 经初步验证, 获得了一定的效果。关键词: 环流特征; 相似离度; 短期气候预测中图分类号: p 45613 文献标识码: a1引言相似预报法广泛应用于中短期天气预 报和短期气候预测中, 取得了一定的成效。 其基本原理是: 相似的高空环流和地面天 气形势过程, 对某地天气变化的影响是相 似的。 具体做法是把当前的某些因子值与 历史上的数值做比较, 采用一定的数学方 法进行计算, 寻找最相似的历史个例, 进 而推断未来某预报对象的值域。 然而, 在 短期气候预测中, 由于问题的复杂性和当 前认识的局限性, 使用的预报因子过多地 考 虑 了 反 映 线 性曲 线 的 一 种 特 例 的 变 化, 使用的方法亦只能考虑了大气运动的 某一特征, 很难反映大气运动的连续性。要 改变这种状况, 我们认为必须采用物理意 义明确, 能概括大范围环流特征的因子, 并 且以因子的连续变化值进行计算, 从而在 动态变化中寻找最相似的历史个例。 我们在这方面做了一些尝试, 认为实际意义较为明显。2资料( 1) 历年各月 500h p a 环流指数、环流 特征数据;( 2) 历年各月通辽市、兴安盟、赤峰市 有关台、站的气象资料。3相似预测方法的基本方案311环流相似因子的选择早在 20 世纪 40 年代, 前苏联长期预 报研究人员就指出:“两个自然天气季节的 相似条件是只有当两个季节中大型过程发 展的一般性质和天气特征相似时, 它们才 是彼此相似的。”大型过程发展的一般性质 相似的具体条件中包含了“环流型演变的 顺序相似”。“继天气过程的相似发展之后, 未来一段时间内也往往出现相似的天气过 程。”1 能代表大气环流演变的因子很多, 但是, 基层台站能得到的资料非常有限。因此, 我们选择下列因子作为分析环流特征收稿日期: 2001207230第一作者简介: 赵翠君 (19662) , 女, 北京气象学院毕业, 工程师, 从事天气预报工作。相似之用:(1) 亚洲 500h p a 纬向环流指数; (2) 亚洲 500h p a 经向环流指数; (3) 东亚槽强度;(4) 东亚槽位置;(5) 西太平洋副高面积指数; (6) 西太平洋副高强度指数; (7) 极涡中心强度;(8) 极涡中心纬度。 设上述因子中某一个因子为 a j , 其逐月的数值构成一个时间序列a j ( t1 )、a j ( t2 )a j ( tn ) , 其中 tn 代表某一个月份。全部 因子构成一个矩阵 a :1n其中: s j ik =2 x j ik - e j ik n q = 11nd j ik =2 x j ik n q = 1x j ik = x j i - x j k1ne j ik = n q2 1x j ik=式中, j 为因子序号, i、k 为历史样本号 和 预 报 年 月 相 应 样 本 号, q 为 时 段, n 为进行计算的时段数, 本文计算了前 5 个 月至前 1 个月的相似离度, 所以n = 5。s j ik 越小, 说明 j 因子中 i、k 两样本的形状越 相似; d j ik 越小, 则说明 j 因子中 i、k 两样 本的数值越相似。求相似离度平均值a 1 ( t1 )a 2 ( t1 )a m ( t1 )a 1 ( t2 )a 2 ( t2 )a m ( t2 )a 1 ( tn )a 2 ( tn )m1s j ik =2 s j ika =m j = 1s j ik 最小者, 为最佳相似个例, 对应月降水量为预报值。4 试用情况考虑到短期气候预测的特点, 分近期 预测和隔季预测。411近期预测 它是指预报因子和预测对象在时间上是最近的预测。 本文采用的各因子数值均 系预报对象 前 5 个 月 至 前 1 个 月 的 连 续 值。 例如预报 3 月份的降水量是用上一年10 月至当年 2 月的因子值。对地域上连成 一片的通辽市 7 个站、兴安盟 5 个站、赤峰 市 4 个站 1997 2000 年 3 月份降水量预 测试报, 距平趋势准确率较高, 而且较为稳定 (见表 1)。a m ( tn )312相似离度的计算以相似离度的方法去寻找最相似的历 史个例。相似离度即相似性的差异程度, 它 不仅考虑了 两 样 本 之 间 的 指 数 值 相 似 程 度, 而且考虑了样本之间的形相似程度, 是 一种较为全面的相似比较的数学方法。 相 似离度的计算步骤如下: 对 每 一 个 因 子 数 据 进 行 标 准 化 处理, 以便对各因子进行综合。x j -x jm inx j =x jm ax - x jm in( j = 1、2、3、m )其中, x j 为标准化后的第 j 个样本值,x j , x jm ax , x jm in 分别为第 j 个因子的原始序列值及其最大、最小值。相似离度的计算c j ik = (as j ik + bd j ik ) (a + b)式中, c j ik 为 j 因子, 时间 i 与时间 k 的 相似离度; s j ik 为 j 因子, 时间 i 与时间 k 的 形相似离度; d j ik 为 j 因子, 时间 i 与时间 k 的值相似离度; a、b 分别为系数, 可由计算 或经验所得, 如果不能确定有明显的差异,均取 1 即可。表 1各地 3 月份降水量趋势预测准确率 %年份通辽兴安盟赤峰平均1997199819992000平均1001057111001010010891310010801060101001084127510100107510100108715931375108113100108713(下转第 22 页)作为临界值 y c , y y c 时报有寒潮。各路冷表 2各因子权重系数及权重回归系数因子历史拟合率c 1c 2c 3c 4c 5c 6a 1a 2a 3a 4a 5a 6y c西路71655127212551017129613851015127417561178132417561176117613831797129417501230113010801150118012201150121011601180116011601180116012201110118011601680163016881%83%88%西北路北 路512试报依据上面的判据对 1996 2000 年进 行试报, 符合因子的 14 次中, 空报 3 次, 无 漏报, 准确率 11 14= 84% ; 在空报的 3 次 中也有 2 3 站达到寒潮, 其余站降温达 8 10。6小结这种方法容易造成空报。 有时天气系 统强度指标达到, 却因冷空气未经河套地 区, 未造成寒潮; 如西路冷空气在河西分裂 西南下, 从兰州进入陕南, 有时可影响我市鄂旗、前旗; 500h p a 上表现为河西 24 小时风速加大, 风向多为西北风或偏北风, 河套地区位势相对较高, 有较强暖中心配合。西 北路冷空气偏北东移, 主要是因槽后出槽 将 前边的冷槽“北撬”; 另一种是华北高压 脊较强, 且有北挺的趋势, 使冷空气影响势 力减弱。北路冷空气在关键区内停留加强, 容易提前起报; 预报关键是 24 小时内横槽 能否转竖, 一旦阻高崩溃, 冷空气爆发, 大 举南下较预报的还要强。另外, 在具体预报中, 除上述预报因子外, 着重参考有关数值预报产品, 更好地把握未来天气系统的演变, 提高预报准确率。(上接第 18 页)412隔季预测 章基嘉院士曾指出:“天气过程和天气现象之间存 在 着 某 种 时 间 间 隔 的 韵 律 关 系, 最 短 的 1 2 个 月, 最 长 的 11 12 个 月, 但以 5 6 个月的韵律 (或隔季相关) 最 为普遍。”1 根据上述理论, 我们发现上年10 月至当年 2 月的环流相似对 8 月份降 水量的预测亦有参考价值, 但稳定性稍差(见表 2)。方 面; 二 是 寻 找 相 似 的 方 法 较 为 客 观、先进, 能反映数值相似和因子演变曲线形状 相似; 三是所寻找的相似个例对较宽广地 区有较好的预测效果。512此方法与中、短期数值预报有某些相 似之处。主要体现在预测因子的同时性、连 续 性和由这些因子组成的场 ( 矩阵) 上面; 对某些要素的预测, 如同数值预报产品的 释用。513 此方法属统计方法, 其优点在于不受 因子数目的限制, 或者说因子数目多一些, 能更客观地反映环流特征和天气趋势的演 变, 因而预测效果可望更好一些。514由于短期气候预测的性质和复杂性, 本文所用因子数目显然是太少了, 难免出现 以偏概全的弊端, 要克服这种现象, 必须尽可 能地多采用物理意义明确的近期因子。参考文献:表 2各地 8 月份降水量隔季预测准确率 %年份通辽兴安盟赤峰平均1997199819992000平均291010010851757116719010010801080106814100107510