基于前期海温异常的宁夏5~9月候降水量客观预测方法及检验评估

郑广芬,王素艳,杨建玲,丁小谨,李　欣

(1.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏　银川　750002；2.宁夏气候中心，宁夏　银川　750002)



基于前期海温异常的宁夏5~9月候降水量客观预测方法及检验评估

郑广芬1,2,王素艳1,2,杨建玲1,丁小谨2,李欣2

(1.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川750002；2.宁夏气候中心，宁夏银川750002)

摘要：利用宁夏1981~2014年降水资料，通过相关分析，发现与宁夏降水关系较好的主要是赤道太平洋、印度洋、北大西洋及西太平洋海温，其关键的影响时段为5月各候、6月第3候、8月1~3候、9月4~6候。利用多元回归方法，建立基于前期海温异常的候降水量客观预测模型。总体看来，模型对宁夏引黄灌区和南部山区拟合效果好于中部干旱带，对5月、8月、9月拟合效果最好。模型对各区域候降水量≥10 mm的准强降水过程预测，总体评分高于“异常相似释用预测方法”；南部山区预测效果最好，引黄灌区预测能力较弱；从各月看，6月和9月的预测准确率相对较高， 5月预测准确率最低。模型对引黄灌区候降水量≥5 mm的过程预测，6月效果最好。利用模型预测的2014年5~9月各站准强降水过程，ZS评分高于实时发布的业务产品。

关键词：海温异常；候降水量；客观预测模型；检验评估

引言

近年来，随着现代气候业务的改革与发展，对短期气候预测的精细化程度提出了新的要求，努力提高气候现象、气候事件和气象灾害的无缝隙预测和展望能力，大力发展延伸期(未来10~30 d)重要过程预测技术，成为当前乃至未来一段时间短期气候预测的重点工作之一。

关于延伸期重要过程预测技术，气象工作者基于前期及模式预测的未来大气环流场资料，开展了一系列探索性的研究工作[1]。孙国武等[2-5]在对逐日天气图进行带通滤波的基础上，研发了延伸期强降水过程预报的低频天气图方法和关键区大气低频波预报方法，并且在气候预测工作中得到较好的应用[6]，尤其在2010年世界博览会气象服务保障中发挥了突出作用[7]；史湘军[8]、史印山[9]等从分析北半球环流异常入手，以候降水为预测对象，通过寻找历史相似年，建立了异常相似释用方法；林纾等[10]以欧亚地区500 hPa候平均高度场为基本预测信息，以天气形势与预测区域的降水关系为主要依据开发了500 hPa准150 d韵律预测方法，对逐候重要天气过程进行了预测。

依托以上研究，在国家气候中心的组织下，由上海气候中心牵头建立了“月内重要过程与气候趋势预测系统(MAPFS)”[11]，并在全国省级气候业务中推广应用。2013年中国气象局预报司下发了关于《月内强降水过程预测业务规定(试行)》的通知(气预函〔2013〕43号)，明确要求2014年全国初步建立未来10~30 d月内强降水过程预测业务。

由于各地气候背景不同，MAPFS在不同地区的适用性存在差异；加之MAPFS中部分预测方法未实现客观化，导致预测结果因主观因素存在偏差。因此，在结合本地特点对MAPFS本地化改进的基础上，发展具有本地特色的重要天气过程客观预测方法，成为重要的研究课题之一。

大气环流是造成西北地区东部降水异常的直接原因[12-13]，海温作为最重要的外强迫因子，通过影响大气环流异常，对该地降水有重要影响，李耀辉[14-16]、赵强[17]等研究发现，ENSO不仅对西北地区春、夏、秋季降水有影响，而且西北地区降水在ENSO循环不同位相的异常特征各不相同；杨建玲等[18-19]指出，热带印度洋海盆模通过引起对流层中上层遥相关波列，在西北东部上空形成西低东高的异常环流形势，进而对西北东部5月降水产生影响；程肖侠等[20]通过研究发现，陕西盛夏极端降水频次与前期全球海温存在遥相关；郑广芬等[21]指出，前期太平洋、印度洋海温异常，与宁夏夏季严重干旱事件的发生有一定关系。海温不仅与月以上尺度降水异常有一定联系，骆美霞等[22]通过数值试验发现前期海温异常对日降水量的改变也有明显影响。因此，本文以候降水量作为预报对象，以海温指数作为预测因子，在对宁夏降水分区的基础上，利用相关分析及多元回归方法，建立了基于前期海温异常的候降水客观预测模型，并对模型拟合能力、对候降水量≥10 mm、5 mm过程的预测能力进行了检验评估，期望通过此项工作的开展，进一步补充和完善重要天气过程预测方法，提高对宁夏气候事件和气象灾害的预测能力。

1资料与方法

1.1资料

使用的资料包括宁夏20个国家级气象站1981~2014年5~9月逐候降水量及中国气象局气象业务内网的1981~2014年逐月海温指数资料。

由于宁夏降水量地域特征明显，北部引黄灌区年降水量大多在180 mm以下，而南部降水超过600 mm，最多降水是最少的3.7倍，因此依据“预报司关于下发《月内强降水过程预测业务规定(试行)》的通知”中对强降水过程阈值的定义，结合降水南北差异大的特点，同时考虑降水过程序列在出现时间上的一致性，分别选用候降水量≥10 mm、候降水量≥ 5 mm作为阈值，对各区域、引黄灌区预测情况进行检验评估。

为尽可能消除年代际影响，并与目前气候业务中所用标准气候值时段一致，以1981~2010年作为因子筛选、建模及拟合效果检验时段。对模型预测的准强降水过程检验评估分为2部分：以2011~2014年作为预测效果检验评估时段，对各区域候降水量≥10 mm的过程检验时，有关区域划分、降水阈值、个例选取、评估方法均与中国气象局推广的MAPFS系统中“异常相似释用预测方法”完全相同；同时考虑到2014年省级正式开展强降水过程预测业务，且中国气象局对预测产品进行了统一检验评估，为便于比较，将模型对2014年逐站候降水量≥10 mm过程的预测结果与实时业务产品进行了对比分析。

考虑到海温资料的实时性(每月上旬可获取上月海温资料)、月内强降水过程预测产品发布时间(每旬最后一天前发布未来10~30 d强降水过程)及海温作为外强迫因子对气候影响的滞后效应，因此筛选的海温因子超前预测降水量2个月以上，即预测5月降水时选用3月及以前的海温因子，且两者相关关系具有一定的持续性。

1.2方法

利用经验正交函数(EOF)[23]分解，对宁夏降水进行分区；采用相关分析，以置信水平95%(R=0.349)为显著性检验标准，筛选出与各区域逐候降水关系密切的海温指数；利用多元回归方法，建立各区域逐候降水客观预测模型。

为保证模型预测结果尽可能与实况接近，要求所选的自变量间尽可能相互独立，否则不仅不能有效地改进模型的拟合与预测，相反会使模型参数的估计性能变差。因此确定预测因子前，先将各海温因子进行相关分析，当多个相互间线性相关关系显著的因子被选入时，模型中仅选取与降水关系最好的一个作为代表因子。

对模型预测效果的检验评估，采用中国气象局《月内强降水过程业务规定(试行)》中给出的、并且现行气候预测业务中用于评定重要天气过程预测准确率的ZS评分，即：

ZS=预测正确次数/(预测正确次数+空报次数+漏报次数)

若预测正确次数+空报次数+漏报次数=0，即实况没有出现强降水过程，预测也没有强降水过程，则不作记分处理。

空报率=空报次数/(预测正确次数+空报次数+漏报次数)×100%

漏报率=漏报次数/(预测正确次数+空报次数+漏报次数)×100%

2降水分区

对宁夏5~9月降水距平百分率进行EOF分解，前3个模态(图1)占总方差贡献的74.6%，其中，第一、第二、第三模态分别占50.4%、13.8%、10.4%，代表了宁夏降水的主要空间分布特征。由于宁夏区域较小，因此全区一致型是最主要的模态；其次是南北相反型，即引黄灌区与其他地区相反的分布形式；第三模态是中部地区与其他地区相反的分布。前3个模态分布表现出与目前习惯分区基本一致的区域特征，因此将宁夏分为引黄灌区、中部干旱带、南部山区，与中国气象局推广的MAPFS中的分区相同。建立预测模型时，用区域内各站候降水的平均值作为预报对象，与MAPFS中“异常相似释用预测方法”相同。同时从历史实测资料发现，当区域平均候降水量超过10 mm时，该区域中大部分气象站降水量超过10 mm。

3候降水客观预测模型

3.1海温与降水量相关分析

利用3个区域逐候降水量，与前期海温进行相关普查。总体来看，宁夏候降水与前期海温有较好的相关关系，相关最好的时段为5月各候、6月第3候、8月1~3候、9月4~6候。与宁夏降水关系较好的主要是赤道太平洋、印度洋、北大西洋及西太平洋海温，且大多有较好的持续性，有些时段降水与海温的相关系数甚至超过0.6(表1，其它候相关系数表略)，这与李耀辉[14-16]、杨建玲[18]、郑广芬[21]等的研究结论一致。7月降水与海温的关系不如其他时段密切。

通过对前期海温的相关普查，以各区域候平均降水量作为预测对象，累积挑选出预测因子242个(表略)，有的候挑选出的预测因子多达8个(如南部山区6月第3候降水)，最少的1个。

3.2候降水客观预测模型

利用相关分析结果，剔除相互间线性相关关系显著的因子，采用多元回归方法，建立基于前期海温异常的宁夏引黄灌区、中部干旱带、南部山区5~9月共30个候累计90个降水量客观预测模型，部分预测模型见表2。

图1　宁夏5~9月降水距平百分率EOF分解的第一(a)、第二(b)及第三(c)模态空间分布

1月SST引黄灌区中部干旱带南部山区2月SST引黄灌区中部干旱带南部山区3月SST引黄灌区中部干旱带南部山区NINO1+2区海温距平0.419*0.473**0.407*0.435*0.442*0.3470.425*0.374*0.249NINO3区海温距平0.348*0.349*0.2360.3290.3360.2070.387*0.3440.205NINOC区海温距平0.356*0.351*0.2260.349*0.350*0.2210.404*0.355*0.206NINOA区海温距平0.3000.3320.536**0.419*0.397*0.549**0.3410.2080.368*NINOB区海温距平0.605**0.505**0.443*0.496**0.445*0.432*0.483**0.437*0.423*NINOZ区海温距平0.360*0.3270.1830.3440.3020.1400.365*0.2870.117IOWPA印度洋暖池面0.481**0.3400.3390.522**0.437*0.459**0.482**0.398*0.377*IOWPS印度洋暖池强度0.513**0.412*0.375*0.525**0.475**0.440*0.561**0.477**0.420*黑潮区海温0.2970.3290.532**0.422*0.402*0.552**0.3290.2020.372*热带印度洋海盆模0.568**0.441*0.404*0.538**0.467**0.443*0.556**0.463**0.403*SIOD副热带南印度洋偶极子-0.265-0.177-0.114-0.249-0.214-0.215-0.390*-0.373*-0.381*

注：表中*、**分别通过95%、99%的置信水平

表2　候降水客观预测模型

4候降水量客观预测模型拟合及预测效果检验评估

4.1拟合效果评估

利用建立的客观预测模型，对引黄灌区、中部干旱带、南部山区5~9月累计90个候1981~2010年降水量进行拟合回算。由实况与拟合值相关系数可见(表3)，两者相关系数平均为0.506，超过99%的置信水平；90个模型的拟合结果中，有78个超过95%的置信水平，占87%，其中23个拟合值与实况相关系数超过0.6，占26%。从各区域看，引黄灌区和南部山区拟合效果好于中部干旱带，拟合值与实况相关系数分别为0.528、0.512、0.477，特别是引

黄灌区5月第6候、9月第3候、9月第5候，南部山区6月第3候、8月第3候拟合值与实况相关系数超过0.7。从各月平均情况看，5月、8月、9月拟合最好，实况与拟合值相关系数超过0.5。从拟合值与实况演变曲线看，大部分候两者变化趋势较为一致(图2)。

4.2准强降水过程预测探讨及检验评估

4.2.1分区域总体预测情况检验评估

4.2.1.1候降水量≥10 mm

从图2可以看出，模型对10 mm以上的降水有一定的拟合能力，如1981~2010年期间，中部干旱带5月第3候共出现10次10 mm以上降水过程，模型拟合出其中的7次；南部山区8月第3候，共出现过19次10 mm以上降水过程，模型拟合出其中的15次。但有些候拟合效果较差，如6月4候、7月4候、8月4候，仅南部山区拟合值与实况相关显著(图略)。

表3　各候实况与拟合降水量相关系数

注：表中*、**分别通过95%、99%的置信水平

图2　宁夏引黄灌区、中部干旱带及南部山区

图2中2011~2014年降水量值是模型利用独立样本预测出的各区域降水量与实况降水量，由图可见，预测与实况降水有较好的对应关系。利用3个区域2011~2014年5~9月降水量实况，共挑选出122个候降水量≥10 mm的个例。模型预测的候降水量≥10 mm的个例累计为119个，预测正确61个，空报58个，漏报61个(表略)。10 mm以上降水过程总体ZS评分为0.339，高于中国气象局推广的MAPFS系统中“异常相似释用预测方法”对宁夏候降水量≥10 mm过程预测的ZS评分(0.204)；其中正确的过程占预测过程的51%，占实况的50%；模型空报率为32.2%，漏报率均为33.9%。

从各区域看，引黄灌区、中部干旱带、南部山区ZS评分分别为0.059、0.317、0.465；由于宁夏引黄灌区年降水量较少，候降水≥10 mm的过程出现几率非常小，5月和9月2011~2014年间分别累计出现仅为2次和3次，因此预测难度非常大，模型对其预测能力较弱，而南部山区降水量相对较大，预测能力相对较好。从各月看，5月预测准确率最低，ZS评分为0.222，6月和9月的预测准确率相对较高，ZS评分在0.37左右。

4.2.1.2候降水量≥5 mm

由图2可见，宁夏北部引黄灌区候降水量≥10 mm的降水过程出现几率较小，因此以候降水量≥5 mm为阈值，对模型预测的引黄灌区降水情况进行检验评估。

2011~2014年5~9月，引黄灌区共挑选出候降水量≥5 mm的过程47个个例(表略)，模型预测为62个，其中预测正确30个，占预测过程的48%；空报32个，漏报17个，ZS评分为0.38；空报率41%，漏报率22%；从各月看，6月预测效果最好，实况出现9次，模型预测结果为10次，其中正确7次，占70%，空报3次，漏报2次，空报率为25%，漏报率17%。其他月份预测效果相近。

4.2.2模型预测结果与发布业务产品对比分析

根据“预报司关于下发《月内强降水过程预测业务规定(试行)》的通知(气预函〔2013〕43号)”，2014年各省正式开展月内强降水过程预测业务，宁夏确定19个国家级气象站作为预测评分站，其中引黄灌区12个站、中部干旱带3个站、南部山区4个站。由于在2014年以来的实际业务中，统一采用降水量≥10 mm作为强降水过程的阈值，为了便于与日常业务产品对比，本节仅对模型预测的候降水量≥10 mm的过程进行检验评估。

中国气象局预测司对各省2014年5~9月发布的强降水过程预测业务产品统一进行了检验评估(图3)， 全国31个省(市)平均ZS评分为0.136，最高0.33，最低0.01，宁夏19个站平均ZS评分为0.146。

为了便于将本文建立的客观预测模型预测结果与发布的业务产品对比，首先利用客观预测模型计算出2014年3个区域5~9月逐候降水量，当某一区域平均候降水量≥10 mm时，认定该区域内所有站降水量均≥10 mm，由此得出宁夏19个评分站候降水量≥10 mm的过程，采用ZS评分对其进行检验评估。预测与实况相比正确的有56站次(表4)，漏报86站次，空报100站次，ZS评分为0.231，较2014年宁夏发布业务产品高8.5%。模型漏报率35.5%，空报率41.3%。

图3　全国省级业务单位2014年汛期(5~9月)

预测正确站数漏报站数空报站数5月2候15月3候75月4候46月1候11336月2候40156月4候426月5候1166月6候6717月1候3117月2候457月3候10117月5候5727月6候78月1候1378月2候4808月3候20178月4候4438月5候7008月6候79月1候279月2候69月3候99月4候5029月5候139月6候440合计(站次)5686100ZS0.231

注：空白表示实况和预测均未出现强降水过程

5小结与讨论

(1)在对宁夏降水客观分区的基础上，通过相关分析，发现与宁夏降水关系较好的主要是赤道太平洋、印度洋、北大西洋及西太平洋海温，其关键的影响时段为5月各候、6月第3候、8月1~3候、9月4~6候。

(2)利用多元回归方法，建立了基于前期海温异常的候降水量客观预测模型，总体看来，引黄灌区和南部山区拟合效果好于中部干旱带，模型对5月、8月、9月拟合最好。

(3)模型对2011~2014年5~9月各区域候降水量≥10 mm的准强降水过程预测准确率高于“异常相似释用预测方法”；其中南部山区预测效果最好，对引黄灌区预测能力较弱；从各月看，6月和9月的预测准确率相对较高，5月较低。对引黄灌区候降水量≥5 mm的过程预测，6月效果最好，其他月份相近。

(4)利用模型预测的2014年5~9月各站准强降水过程，评分高于实时发布的业务产品。

虽然本文建立的客观预测模型与实况拟合率较好，且对月内准强降水过程有一定预测能力，但由于宁夏远离海洋，出现强降水过程的几率较小，因此模型预测效果仍需提高，空、漏报率仍较高。另外，在客观分区基础上，建立了宁夏3个区域强降水过程客观预测模型，尽管区域内各站降水特征相似，但由于降水局地性强，南北差异大，因此还需进一步探讨建立逐站不同降水阈值的降水过程客观预测方法，提高预测的精细化水平和准确率。

参考文献:

[1] 马浩,毛燕军,雷媛,等.10～30 d延伸期天气预报研究进展综述[J]. 干旱气象,2012,30(4):513-521.

[2] 孙国武,冯建英,陈伯民,等. 大气低频振荡在延伸期预报中的应用进展[J]. 气象科技进展,2012,2(1):11-18.

[3] 孙国武,信飞,孔春燕,等. 大气低频振荡与延伸期预报[J]. 高原气象,2010,29(5):1142-1147.

[4] 孙国武,信飞,陈伯民,等. 低频天气图预报方法[J]. 高原气象,2008,27(增刊):64-68.

[5] 孙国武,孔春燕,信飞,等. 天气关键区大气低频波延伸期预报方法[J].高原气象,2011,30(3):594-599.

[6] 胡春丽,李辑,陈伯民,等. 低频天气图方法在辽宁夏季延伸期强降水预报中的应用[J]. 气象科技进展,2013,3(1):64-67.

[7] 杨玮,何金海,孙国武,等. 低频环流系统的一种统计预报方法[J]. 气象与环境学报,2011,27(3):1-7.

[8] 史湘军,史印山,池俊成,等. 10～30天延伸期重要天气过程的相似年统计预测方法[J]. 河北气象,2012(1):1-4.

[9] 史印山,顾光芹. 用相似释用方法制作小麦生育期逐旬气候预测[J]. 气象科技,2013,41(2):389-393.

[10] 林纾.500 hPa准150天韵律在过程预报中的应用研究[A]//新世纪气象科技创新与大气科学发展——气候系统与气候变化[M]. 北京:气象出版社,2003.

[11] 陈伯民,信飞,沈愈,等. 月内重要天气过程与气候趋势预测系统及应用进展[J]. 气象科技进展,2013,3(1):46-51.

[12] 陈豫英,陈楠,谭志强. 2012年6月26～29日宁夏强降水成因[J]. 干旱气象,2014,32(4):599-607.

[13] 王娜,方建刚,崔巍. 陕西夏季旱涝的主要环流特征[J]. 干旱气象,2013,31(4):702-707.

[14] 李耀辉,李栋梁,赵庆云. 中国西北春季降水与太平洋秋季海温的异常特征及其相关分析[J]. 高原气象,2000,19(1):100-110.

[15] 李耀辉,李栋梁. ENSO循环对西北地区夏季气候异常的影响[J]. 高原气象,2004,23(6):930-935.

[16] 李耀辉,李栋梁,赵庆云,等. ENSO对中国西北地区秋季异常降水的影响[J]. 气候与环境研究,2000,5(2):205-213.

[17] 赵强,严华生,张谨文. 影响陕西夏季旱涝的北半球前期大气环流特征[J]. 干旱气象,2012,30(4):546-554.

[18] 杨建玲,李艳春,穆建华,等. 热带印度洋海温与西北地区东部降水关系研究[J]. 高原气象,2015,34(3):690-699.

[19] 杨建玲,郑广芬,王素艳,等. 印度洋海盆模影响西北地区东部降水的大气环流分析[J]. 高原气象,2015,34(3):700-705.

[20] 程肖侠,方建刚,雷向杰. 陕西盛夏极端降水频次及其与全球海温的遥相关研究[J]. 干旱气象,2014,32(1):38-45.

[21] 郑广芬,冯建民,马宏永. 宁夏7月严重干旱事件的成因分析[J]. 干旱气象,2012,30(3):332-338.

[22] 骆美霞,张道民. 实时海温对动力延伸(月)预报影响的数值试验研究[J]. 应用气象学报,2002,13(6):727-733.

[23] 魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 第2版.北京:气象出版社,2007.

Study on the Objective Prediction Method and Its Verification and Assessment for Pentad Precipitation from May to September in Ningxia Based on the Preceding SST Anomaly

ZHENG Guangfen1,2，WANG Suyan1,2，YANG Jianling1，

DING Xiaojin2，LI Xin2

(1.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterPreventingandReducinginNingxia，Yinchuan750002,China; 2.NingxiaClimateCenter,Yinchuan750002,China)

Abstract:By using the rainfall data in Ningxia from 1981 to 2014, the relationship between the preceding sea surface temperature anomaly (SSTA) and the precipitation has been analyzed firstly. The results show that the preceding sea surface temperature anomaly(SSTA) in the equatorial Pacific, the Indian Ocean, the North Atlantic and the Western Pacific had good corresponding correlation with the precipitation, and it was best in all pentads in May, the 3rd pentad in June, the 1st to 3rd pentad in August and the 4th to 6th pentad in September. Secondly, according to the multiple regression method, the objective prediction models for pentad precipitation based on the early SST anomaly were established. The model fitted effect was better in the Yellow River irrigation area and the southern mountain area than that in the middle arid area. The model predicted effect for the processes of precipitation more than or equal to 10 mm in Ningxia was better than that of “Similar Interpretation Method”, and it was better in the southern mountain area and worst in the Yellow River irrigation area. On monthly time scale, the accuracy rate of prediction was relatively higher in September and June, and the worst in May. The predicted effect for the processes of precipitation more than or equal to 5 mm in the Yellow River irrigation area in June was the best. ZS score of the processes of precipitation more than or equal to 10 mm in 2014 was higher than that of real-time published business products.

Key words:SST anomaly; pentad precipitation; objective prediction method；verification and assessment

中图分类号：P468.0+24

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0043-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0043

作者简介：郑广芬(1965-)，女，河北献县人，正研级高工，主要从事气候与气候变化研究. E-mail:ych_zgf@163.com通讯作者：王素艳(1974-)，女，宁夏中宁人，高级工程师，主要从事气候与气候变化研究. E-mail: nxwsy_cn@sina.com

基金项目：公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306027)、公益性行业(气象)科研重大专项(GYHY201506001)、宁夏自然科学基金项目(NZ12277)、中国气象局气象关键技术集成与应用项目(CMAGJ2015M65)及宁夏气象局科研项目“月内强降水过程趋势预测系统本地化应用与改进”共同资助

收稿日期：2015-08-19；改回日期：2015-09-20

郑广芬，王素艳，杨建玲，等.基于前期海温异常的宁夏5~9月候降水量客观预测方法及检验评估[J].干旱气象，2016，34(1)：43-50, [ZHENG Guangfen，WANG Suyan，YANG Jianling, et al. Study on the Objective Prediction Method and Its Verification and Assessment for Pentad Precipitation from May to September in Ningxia Based on the Preceding SST Anomaly[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):43-50], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0043