上合青島峰會期間延伸期氣候趨勢預測與檢驗

李德萍，張凱靜，耿 敏,郭麗娜,張 璐

(1.青島市氣象災害防御工程技術研究中心，山東青島 266003；2.青島市氣象局，山東青島 266003)

目前我國氣候預測業務提供的預測產品，在空間尺度上包括全球、亞洲區域、全國精細到縣尺度；在時間尺度上包括延伸期(10～30 d)、月(次季節)、季和年尺度。預報對象也從原來的氣候要素和重要過程發展到氣候現象、氣候事件、氣象災害和行業預測[1-2]。青島市地處山東半島東南部，瀕臨黃海，屬溫帶季風氣候。2018年6月9—10日“上合組織”成員國元首理事會第十八次會議在山東青島舉辦。上合峰會期間(6月上旬)青島市短期氣候趨勢預測著眼點主要為熱帶太平洋(ENSO循環)、西太平洋副熱帶高壓等主要影響因子及前兆信號[3-6]。國內外學者[7-9]研究發現，大氣中普遍存在10～30 d，30～50 d等低頻震蕩。延伸期預報彌補了中期預報與短期氣候預測之間的縫隙。峰會期間延伸期氣候趨勢預測從氣象要素自身變化規律[10-11]出發，兼顧了相似年份青島市降雨和氣溫等氣象要素狀況和國內外多家數值模式客觀預測結果。介紹峰會期間延伸期氣候趨勢預測方法和預測結果，并進行預測檢驗，為重大活動氣象保障提供參考。

1 資料來源及方法

所用資料一是青島國家基本氣象站1961—2017年5—6月逐日降水量、平均氣溫和大霧日數資料；二是奧帆基地區域站(會議地點，距離青島站約6 km)2008—2017年6月逐日風向風速、平均氣溫等資料；三是國家氣候中心的DERF2.0數值模式、美國環境預測中心CFSv2數值模式和東京氣候中心TCC 數值模式預報產品。

采用降水、氣溫年代際變化分析，相似分析與模式預報相結合方法，制作青島峰會期間延伸期氣候趨勢預測。峰會期間天氣過程預測主要采用韻律及本地區“隔季相關”預報經驗制作。韻律形成與海氣相互作用有密切的關系[12]，其預測準確率一般可達到65%～80%[13]。峰會期間大霧趨勢預測，主要通過海霧影響因子分析、歷史數據統計、短期環流形勢及決策樹海霧客觀預報等方法制作而成。趨勢預測檢驗方法依據中國氣象局2013年9月下發的《月、季氣候預測質量檢驗業務規定》。

2 5月中旬—6月上旬短期氣候趨勢及延伸期氣候趨勢預測

5月中旬—6月上旬短期氣候趨勢預測結論為：預計青島(5月11 日—6月10日)降水量正常略多(常年值56.2 mm，常年值為1981—2010年平均值，下同)；平均氣溫正常略高(常年值18.0 ℃)。延伸期氣候趨勢預測結論為：青島5月16日—6月10日(延伸期26 d)降水量正常略多(常年值44.4 mm)，5月22日—6月10日(延伸期20 d)降水量正常略少(常年值34.3 mm)，6月上旬(延伸期10 d)降水正常略少(常年值14.5 mm)；各時段平均氣溫預測均正常略高。

2.1 預測依據和結果

2.1.1 降水量年代際變化分析 從青島市降水百年變化規律看，20世紀40年代中期—70年代中期基本上為多雨時段, 其他時段基本上為少雨時段[10]。圖1為1961—2017年5月中旬—6月上旬降水量距平百分率年際變化圖。可見，20世紀70年代、80年代后期—90年代初為降水偏多時段，21世紀以來降水多偏少，但近10年降水距平變化大致呈2～3 a的周期。預計未來2 a呈偏多趨勢，因此預報2018年5月中旬—6月上旬降水偏多。

圖1 青島市1961—2017年5月中旬—6月上旬降水量距平百分率年際變化

圖2為青島1961—2017年6月上旬降水量距平百分率年際變化圖。可見，6月上旬20世紀60—70年代為降水偏多時段，90年代后期降水以偏少為主，但近5 a有2 a偏多。預計未來(2018年)偏少的可能行較大。因此預報2018年6月上旬(延伸期主要時段)降水偏少。

圖2 青島市1961—2017年6月上旬降水量距平百分率年際變化

降水量年代際變化分析得出預報：2018年5月中旬—6月上旬降水偏多；6月上旬降水偏少。

2.1.2 相似分析

(1)海溫相似

ENSO循環不同階段能引起我國夏季降水異常不同分布[14]，因此海溫背景場是我國夏季降水預測的重要依據之一。2018年是拉尼娜衰減年，1981年以來共出現9個相似年份。表1為海溫相似年份5月中旬—6月上旬青島各時段降水距平性質表(各時段日數分別為31 、26 、20、10 d，下同)。由表1可見，青島月尺度(31 d )9 a之中有6 a負距平，表明降水偏少(偏少概率為66.7%)；延伸期(26 、20 d)9 a之中有7 a負距平(降水偏少概率均為77.8%)；6月上旬9 a之中有5 a負距平(降水偏少概率為55.6%)。另外，根據氣候相似確定2001、2008和2012年為3個最佳相似年。而這3 a的6月上旬降水量除2008年為正距平外，均為負距平，以偏少為主。因此，海溫相似年青島5月中旬—6月上旬各時段降水均偏少。

表1 海溫相似年份5月11日—6月10日青島各時段降水距平性質表

注： +表示偏多，-表示偏少，下同。

(2)副高相似

西太平洋副高與我國汛期降水有著密切關系，其強度和位置變化對我國夏季降水都有一定的制約作用[5-6]。9個海溫相似年份的副高指數(表略)顯示，5—6月副高偏弱、偏東，脊線偏北。ECWMF模式預報副高強度正常，脊線偏北(圖略)。綜合分析，預報2018年6月副高強度接近常年，位置略偏北。

副高脊線位置偏北的年份亦為9 a。表2為副高相似年5月中旬—6月上旬青島各時段降水距平性質表。由表2可見，青島5月中旬—6月上旬各時段降水均以偏少為主(9 a之中6 a為負距平)，偏少概率均為66.7%。可見副高相似年青島5月中旬—6月上旬各時段降水亦偏少。因此預報2018年5月中旬—6月上旬及6月上旬降水偏少。

表2 副高相似年份5月11日—6月10日青島各時段降水距平性質表

2.1.3 數值模式預報 利用國家氣候中心DERF2.0模式、東京氣候中心TCC模式和美國環境預測中心CFSv2模式5月中旬—6月上旬預測產品進行預測。DERF2.0和TCC預報降水偏多，CFSv2預報降水正常。模式預報月尺度降水以偏多為主。上級業務單位指導預報為5月青島降水偏多。各家模式預報2018年6月上旬降水趨勢分別為：DERF2.0預報偏少；TCC預報偏多；CFSv2預報6月上旬前期正常，后期偏多。即6月上旬預報意見有分歧。

2.1.4 預測結果 綜合降水年代際變化、相似分析、數值模式預報結果和上級業務部門指導預報，得出青島5月中旬—6月上旬降水正常略多；6月上旬降水正常略少。

2.2 預測檢驗

2.2.1 趨勢預測檢驗 根據《月、季氣候預測質量檢驗業務規定》，對青島5月中旬—6月上旬各預報時段氣候趨勢預測進行檢驗，評分結果見表3。由表3可見，上合青島峰會期間延伸期降水氣候趨勢預測檢驗評分為67～100分。

2.2.2 預測方法檢驗 降水年代際變化和DERF2.0模式預報的月尺度和延伸期(6月上旬)預測上均與實況相符合；相似分析6月上旬預測與實況相符；TCC模式月尺度降水預報與實況一致，CFSv2模式月尺度及延伸期預報均與實況有差距。因此，本次峰會氣候趨勢預測中，降水年代際變化分析和DERF2.0模式預報表現較好。可見氣候規律分析、相似分析、數值模式客觀預報及上級業務單位指導預報相結合方法，是上合青島峰會期間延伸期趨勢預測的有力支撐。氣溫趨勢預測依據與降水基本一致(略)。

3 降水過程預測

預測5月中旬—6月上旬主要有5次冷空氣或降水天氣過程，9日(開幕式當日)前后有一次冷空氣或降水天氣過程。

3.1 預測依據

根據大氣的相似性原理及青島地區“隔季相關”的氣候規律，實際工作中發現青島地區天氣氣候具有90～120 d的韻律和周期活動[15]。圖3為2018年5月中旬—6月上旬氣溫、水汽壓、氣壓三線圖。該圖依據青島站4個月前14時平均氣溫、水汽壓和本站氣壓逐日變化制作而成，曲線波動代表當日氣象三要素的變化情況，當本站氣壓低值、水汽壓高值同時出現時，可判斷當日前后有冷空氣活動或降水天氣過程。由圖3可知，5月中旬—6月上旬主要有5次冷空氣或降水天氣過程，分別在5月16日前后、21日前后、28日前后，6月5日前后、9日前后。其中6月5日的過程經過華東區域中心及山東省氣候中心業務會商進行了調整，而9日過程始終不變。

表3 青島市2018年5月11日—6月10日短期及延伸期氣候趨勢預測評分

圖3 青島2018年5月中旬—6月上旬氣溫、水汽壓和氣壓三線圖(氣溫單位為℃；水汽壓、本站氣壓單位為hPa)

3.2 預測檢驗

表4為青島市2018年5月中旬—6月上旬降水過程預報與實況對照表，預報青島市5月中旬—6月上旬有5次冷空氣或降水過程，實況出現了3次降雨天氣過程。16日前后、21日前后兩次過程預報正確，11日漏報，空報3次(5月28日、6月5日和9日)。盡管對青島站預報準確率不高，但開幕式當天(9日)天氣復雜，南面有2018年第4號臺風“艾云尼”活動，北面高空有冷渦天氣系統。9—10日青島站周邊多區市(黃島、膠州、平度和萊西)出現小雨。其余空報的兩次過程在周邊區市也出現了降雨(5月28日萊西出現降雨；6月4日平度、萊西出現小雨)。因此，就全市范圍而言，5次過程預報正確，1次漏報，預報準確率83%。采用韻律法做降水過程預測有局限性，只能預報冷空氣或降水的“有”和“無”，無法預報雨量大小和落區。

表4 青島市2018年5月中旬—6月上旬降水過程(或冷空氣活動)預報與實況對照表

注：“有”代表預報當日或者前后兩日有降水，“無”代表未預報降水，“—”表示未出現。

4 大霧趨勢預測

本次峰會期間大霧趨勢借助統計分析方法，參考短期預報的環流形勢和海霧數值模式預報方法(決策樹海霧客觀預報)，預測5月下旬有2 d左右大霧；延伸期預測采用相似分析等方法，預測 6月上旬有大霧2～3 d。

4.1 6月上旬海霧分析

青島年平均53.5 d(1981—2010年平均值)大霧，其中63.7%出現在4—7月(俗稱霧季)。青島大霧亦稱海霧，可分為平流霧、混合霧、輻射霧和地形霧[16]。2008—2017年6月上半月共出現51 d大霧，其中平流霧90.2%。由于平流霧的生成機理比較復雜，涉及風場、海溫與氣溫、大氣層結與海流等氣象、水文和地形等因素，歷來都是預報難點[17]。影響海霧形成的三個主要因子分別為偏南風向、風力適中和一定海陸溫差。由于地形的原因，青島海霧生成的具體條件為：南東南風(西南風不易出霧)，風力在2～6 m/s，氣溫與海溫差在0.5～3.0 ℃[18]。統計近10 a青島站6月5—10日風向資料得出：青島偏南風(南東南風)平均出現概率70.1%；青島站和奧帆基地站6月8—10日平均風速分別為3.2 m/s和3.4 m/s，風速適中；近10 a青島6月上旬平均氣溫19.3 ℃，海溫17.0 ℃左右(小麥島水文資料)，氣溫與海溫差值約2.3 ℃。近10 a青島6月上旬風向、風速及陸地與海面的溫差均滿足海霧生成的條件，因此峰會期間為海霧多發時段。

4.2 預測依據及檢驗

4.2.1 5月下旬大霧 據短期未來7 d天氣預報，青島22—24日北風轉西南風4～5級，陣風6級。因此判斷25日前出霧的概率較低。25～26日轉為南風—東南風，26日以后為偏南風流場，出霧的概率加大，月底轉北風后出霧的概率降低。據海霧決策樹客觀預報，26日有霧(圖略)。據此預報5月下旬大霧2 d左右，出現在26日之后。

預報檢驗：實況為5月下旬2 d大霧，出現在5月 28、29日，預報正確。

4.2.2 6月上旬大霧 統計青島1961—2017年6月上旬逐年大霧分布，得出6月上旬青島平均大霧3.2 d。最佳相似年(2001、2008和2012年)6月上旬大霧分別為1、4、2 d，平均2.3 d。據此預報6月上旬大霧2～3 d。

預測檢驗：6月上旬出現5 d大霧，在5—8日、10日，預報比實況偏少2～3 d。這是因為只是采用統計和相似分析方法，未參考相關的海霧數值模式預報，因此，預報誤差比較大。

5 結論

(1)預測青島上合峰會延伸期(6月上旬)降水正常略少，結論基本正確。根據《月、季氣候預測質量檢驗業務規定》檢驗，延伸氣候趨勢預測評分為67～100分。冷空氣或降水過程預報方法適用可行，對6月9日開幕式冷空氣或降水過程預報基本準確，并保持了預報的一致性。不足之處是降水落區預報不理想。

(2)適合本地氣候特點預測方法為降水和氣溫年代際變化分析，今后應重視其業務應用。本次青島峰會期間延伸期氣候趨勢預測，國家氣候中心DERF2.0模式表現較好，優于國外模式。統計分析、相似分析與模式預報相結合的預測方法，是地市級延伸期氣候趨勢預測的有力支撐。韻律法在本次峰會期間天氣過程預報中發揮了不可或缺的作用。

(3)峰會期間大霧趨勢預測，分析量化了影響青島6月上旬海霧生成的平均風向、風速及海陸溫差等影響因子。結合最佳相似年和短期預報環流形勢及決策樹海霧客觀預報，對延伸期大霧趨勢預報做出了有益嘗試。實踐證明，由于可以參考高空環流形勢和海霧數值模式預報產品，大霧短期(10 d內)預報相對準確。而延伸期趨勢預測效果較差，還需對其預測方法進一步研究。

致謝：感謝國家氣象中心提供的決策樹海霧客觀預報方法；感謝任兆鵬對青島2008—2017年6月上半月大霧的統計分析。