張 雯，馬 陽(yáng)，王 岱，楊建玲，崔 洋

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區(qū)氣候中心，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750002）

我國(guó)西北地區(qū)東部位于東亞內(nèi)陸腹地，青藏高原邊坡地帶，屬干旱半干旱溫帶大陸氣候，水資源量少質(zhì)弱，對(duì)自然降水依賴性強(qiáng)［1-2］。因而降水的異常變化可能引起區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境改變［3-4］，在全球變暖和人類活動(dòng)的雙重影響下，異常降水的強(qiáng)度和頻率不斷增加［5-7］，區(qū)域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展對(duì)短期氣候預(yù)測(cè)水平的要求隨之提高，這使得西北地區(qū)東部降水預(yù)測(cè)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

氣候變化不僅是氣候系統(tǒng)內(nèi)各圈層相互作用和大氣內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程的結(jié)果，也是多時(shí)空尺度現(xiàn)象［8］。由于西北地區(qū)東部處于季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)分界地帶，降水主要出現(xiàn)在夏季，天氣氣候同時(shí)受西風(fēng)帶、高原天氣系統(tǒng)和東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)影響［9-10］，因此夏季降水也具有相當(dāng)顯著的年際變化［11-12］，維持著準(zhǔn)3 a 周期的特征［13-14］。此外，前人研究指出西北地區(qū)東部夏季降水還具有十分明顯的年代際變化特征［15-16］，例如，其在1976年前后發(fā)生突變［17］；大氣水汽含量在20世紀(jì)60年代中期前及80年代中期后較多，70 年代前期較少［18］；90 年代又進(jìn)入降水相對(duì)較少的一個(gè)時(shí)期［19］。

不同時(shí)空尺度的變化，其物理本質(zhì)并不完全一樣，特別是不同時(shí)間尺度上，各時(shí)間分量間也存在相互影響［20-21］。陸日宇［22］指出，華北地區(qū)夏季降水在年代際、年際尺度上對(duì)應(yīng)著明顯不同的環(huán)流異常特征；Xu等［23］在討論我國(guó)冬季降水與海平面氣壓場(chǎng)時(shí)，通過(guò)將年代際和年際變化分離開(kāi)來(lái)，發(fā)現(xiàn)兩者在不同時(shí)間尺度上對(duì)應(yīng)關(guān)系并不一致；龔敬瑜等［24］對(duì)不同時(shí)間尺度的江淮梅雨期降水序列與海溫異常的關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，論證了海溫對(duì)降水的多時(shí)空尺度作用；顧偉宗等［25］的研究表明，黃淮地區(qū)降水在年代際尺度上受北太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）影響，年際及以下尺度上由印度洋北部海溫異常決定，而利用后者作為預(yù)測(cè)因子建立的模型對(duì)年際降水變率有一定提高。從前期信號(hào)中找出有效預(yù)報(bào)因子，并建立其與氣候變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，是目前短期氣候預(yù)測(cè)常用的統(tǒng)計(jì)方法［26-27］；彭京備等［28］以雪蓋和海溫的年際、年代際分量等作為預(yù)報(bào)因子建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)我國(guó)夏季降水具備一定預(yù)報(bào)能力；基于時(shí)間尺度分離的統(tǒng)計(jì)降尺度模型同樣能夠提高華北地區(qū)夏季降水的預(yù)測(cè)水平［29］。

在短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中利用較長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行分析時(shí)，其中無(wú)可避免地包含不同時(shí)間尺度的信息，特別是針對(duì)年際變率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，如果僅分析與降水原始序列相關(guān)的海溫異常，其中可能混雜著多時(shí)間尺度影響降水異常的因子，即會(huì)出現(xiàn)某些外強(qiáng)迫信號(hào)預(yù)測(cè)指示意義不明顯的問(wèn)題，從而使降水預(yù)測(cè)及成因分析的難度增加。因此，本文以不同時(shí)間尺度為著眼點(diǎn)，將我國(guó)西北地區(qū)東部夏季降水變化中的年代際和年際變化分量分開(kāi)，明確不同時(shí)間尺度內(nèi)主導(dǎo)降水變化的海溫模態(tài)，加深對(duì)于西北地區(qū)東部夏季降水異常成因的認(rèn)識(shí)，同時(shí)建立基于時(shí)間尺度分離的海溫預(yù)測(cè)模型，以期為區(qū)域短期降水預(yù)測(cè)提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料

本文所用資料包括：（1）中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心整編的1961—2020 年夏季（6—8 月）我國(guó)西北地區(qū)東部（陜西、寧夏、甘肅及內(nèi)蒙古西部地區(qū)）共計(jì)155個(gè)氣象觀測(cè)站的月平均降水量數(shù)據(jù)，該區(qū)域降水基本屬于同一個(gè)氣候分區(qū)［30］；（2）美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的第一版本月平均環(huán)流再分析資料［31］，水平分辨率為2.5°×2.5°，包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)；（3）英國(guó)氣象局Hadley 中心提供的海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）資料［32］，分辨率為1.0°×1.0°；（4）美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室（ESRL）物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（PSL）基于HADISST 1.1計(jì)算的1870—2015年逐月太平洋十年際濤動(dòng)（Interdecadal Pacific Oscillation，IPO）指數(shù)［33］，其中春季IPO年代際變化序列由逐年3—5月IPO平均值進(jìn)行低通濾波處理后得到。用于計(jì)算各物理量的氣候基準(zhǔn)態(tài)取為1961—2020年平均值。

1.2 方法

由于本文主要基于不同時(shí)間尺度展開(kāi)，因此首先采用功率譜分析，明確西北地區(qū)東部夏季降水原始時(shí)序中的年代際、年際振蕩周期，確定不同時(shí)間尺度的降水變化規(guī)律。根據(jù)所確定的年代際周期，以低通濾波提取相應(yīng)周期的降水年代際變化分量，采用合成分析確定影響降水年代際變化的海溫模態(tài)；同樣地，采用高通濾波提取年際變化分量，在篩選降水分量異常年的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地對(duì)海溫、大氣環(huán)流距平場(chǎng)進(jìn)行高通濾波，剔除年代際信號(hào)的影響，而后再次對(duì)異常年進(jìn)行合成，據(jù)此得到不同時(shí)間尺度的關(guān)鍵海溫區(qū)及主導(dǎo)海溫模態(tài)。

為比較時(shí)間尺度分離與否的預(yù)測(cè)效果，以原始海溫前兆因子和經(jīng)時(shí)間尺度分離得到的海溫因子分別建立兩套西北地區(qū)東部155站夏季降水多元回歸預(yù)測(cè)模型，利用我國(guó)現(xiàn)行短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中使用的趨勢(shì)異常綜合評(píng)分（Ps）、符號(hào)一致率評(píng)分（Pc）等方法［34］比較2個(gè)預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用效果。

2 西北地區(qū)東部夏季降水年代際變化

對(duì)1961—2020 年西北地區(qū)東部區(qū)域平均夏季降水時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果表明西北地區(qū)東部夏季降水具有3 a、30 a 左右的周期（圖略），其中準(zhǔn)3 a為降水的年際振蕩周期，也是西北地區(qū)降水量最顯著的周期之一［35］，準(zhǔn)30 a則為年代際尺度內(nèi)的振蕩周期。

濾波處理可以突出強(qiáng)調(diào)不同時(shí)間尺度的信號(hào)，為提取西北地區(qū)東部夏季降水的年代際變化分量，對(duì)1961—2020年夏季降水量距平進(jìn)行低通濾波（截?cái)囝l率為1/30）得到年代際尺度的降水序列。由圖1 可知，降水總體上呈“旱-澇-旱-澇”的變化規(guī)律，即1963—1977 年和1994—2012 年以降水偏少為主，1978—1993年和2013—2020年以偏多為主。此外，需要注意的是西北地區(qū)東部夏季降水在1976年/1977 年由“旱”轉(zhuǎn)“澇”，其時(shí)間節(jié)點(diǎn)與PDO 年代際突變時(shí)間基本一致［36-37］。

圖1 1961—2020年西北地區(qū)東部夏季降水量距平及低通濾波Fig.1 The summer precipitation anomalies and low-pass filtering over the east part of Northwest China from 1961 to 2020

為確定年代際尺度內(nèi)西北地區(qū)東部夏季降水的特征，對(duì)降水年代際分量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以超過(guò)0.5 的絕對(duì)值作為“旱期”（降水偏少時(shí)期）、“澇期”（降水偏多時(shí)期）的選取標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，“旱期”進(jìn)一步明確為1966—1975 年和1996—2003 年、“澇期”為1978—1988 年和2015—2020 年（表1）。“旱期”、“澇期”平均降水量分別為228.0 mm、270.3 mm，且“澇期”、“旱期”降水量差異達(dá)42.3 mm，這對(duì)于西北地區(qū)東部這樣降水基數(shù)整體較少的地區(qū)而言，意味著降水在不同年代際背景內(nèi)存在著明顯的差異。此外，“旱期”、“澇期”的標(biāo)準(zhǔn)差分別為40.6 mm、47.0 mm，即“澇期”內(nèi)降水年際變率更大，異常變化幅度更明顯。

表1 西北地區(qū)東部夏季“旱期”、“澇期”降水特征量Tab.1 The summer precipitation characteristics during the drought and flood period over the east part of Northwest China

根據(jù)表1中西北地區(qū)東部夏季“旱期”、“澇期”，分別對(duì)各時(shí)期內(nèi)前期春季及同期夏季的全球海溫距平場(chǎng)進(jìn)行合成，探究影響西北地區(qū)東部夏季降水年代際分量的主導(dǎo)海溫模態(tài)。“旱期”春季（圖2a），太平洋海溫異常自北向南呈“暖、冷、暖”三極子型分布特征，其中北太平洋中西部（25°N～50°N，120°E～150°W）為暖海溫異常，熱帶地區(qū)中東赤道太平洋（10°S～10°N，180°W～90°W）為冷海溫異常，另一處暖海溫異常位于南半球澳大利亞?wèn)|側(cè)（15°S～50°S，150°E～160°W），表現(xiàn)為IPO［38-39］負(fù)位相特征。“旱期”夏季（圖2b），太平洋三極子型的海溫異常分布較春季未出現(xiàn)明顯變化，IPO負(fù)位相維持。

圖2 西北地區(qū)東部夏季降水“旱期”（a、b）、“澇期”（c、d）的春季（a、c）、夏季（b、d）海溫距平合成分布Fig.2 Composites of SSTa for the drought period(a,b)and flood period(c,d)in spring(a,c)and summer(b,d)over the east part of Northwest China

“澇期”（圖2c、圖2d），太平洋海溫異常與“旱期”呈反位相，北太平洋中西部為異常顯著的冷海溫，北美大陸東側(cè)沿岸及熱帶中東太平洋為暖海溫異常，南半球日界線東側(cè)為顯著的冷海溫異常，太平洋自北向南呈“冷、暖、冷”的IPO 正位相特征，且這種特征由春季持續(xù)至夏季。對(duì)此，計(jì)算濾波（截?cái)囝l率為1/30）后的春季（3—5 月）平均IPO 指數(shù)與西北地區(qū)東部夏季降水年代際分量的相關(guān)性，兩者相關(guān)系數(shù)為0.46，通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，表明西北地區(qū)東部夏季降水的年代際分量與IPO關(guān)系密切。

另外，北太平洋“西北冷、東南暖”的PDO 特征同樣顯著，特別是“澇期”春、夏季通過(guò)信度檢驗(yàn)的區(qū)域范圍相對(duì)于“旱期”更大、海溫異常程度也更強(qiáng)，即IPO或PDO正（負(fù)）位相時(shí)期，西北地區(qū)異常偏多（少），與前人的研究結(jié)論一致［40］。

上述分析表明，西北地區(qū)東部夏季降水背景場(chǎng)主要由年代際尺度的IPO 海溫模態(tài)主導(dǎo)，春、夏季IPO 維持正位相特征時(shí)，有利于西北地區(qū)東部夏季降水處于偏多的背景；反之，春、夏季IPO 呈負(fù)位相時(shí)，有利于降水處于偏少背景，其中PDO 在“澇期”更顯著，一定程度上表現(xiàn)出PDO在不同降水背景下的非對(duì)稱作用，但總體上年代際尺度的海溫信號(hào)仍以太平洋IPO為主。

3 西北地區(qū)東部夏季降水年際變化

原始降水序列中既有年代際變化，又有年際變化，且這2 種尺度的信號(hào)通常混合在一起。因此在討論降水年際變化時(shí)剔除年代際的變化，將年際與年代際變化分量分離，強(qiáng)調(diào)年際尺度（10 a 以內(nèi)）的信號(hào)。

與前文處理方法相似，首先采用高通濾波（截?cái)囝l率為1/3）提取周期為3 a 左右的降水年際變化分量，以降水年際變化分量中超過(guò)1 倍標(biāo)準(zhǔn)差的絕對(duì)值定義降水年際分量異常偏多、偏少年。因此，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的降水偏多年為1964 年、1970 年、1973年、1976年、1981年、1990年、1992年、1996年、1998年、2003 年、2007 年和2020 年（共12 a）；偏少年為1969年、1977年、1980年、1982年、1989年、1991年、1997 年、1999 年、2002 年、2004 年和2019 年（共11 a）。對(duì)海溫和環(huán)流距平場(chǎng)同樣進(jìn)行高通濾波，并在上述降水異常年中進(jìn)行合成，以了解剔除年代際分量后獨(dú)立影響降水的海溫、大氣年際分量特征。

圖3是基于西北地區(qū)東部夏季降水年際分量的前期春季、同期夏季海溫異常。降水異常偏少年春季（圖3a），赤道中東太平洋為弱的冷海溫異常，北太平洋暖海溫異常主要位于日界線附近（30°N～40°N，140°E～140°W），其東北側(cè)為顯著的冷海溫異常，南太平洋日界線東側(cè)存在一顯著的暖海溫異常區(qū)，總體上太平洋表現(xiàn)為弱的IPO 負(fù)位相特征；赤道西太平洋及赤道印度洋均為顯著的冷海溫異常；大西洋自北向南呈“冷、暖、冷”的海溫分布型，與北大西洋三極子海溫模態(tài)（North Atlantic Tripole，NAT）正位相分布特征相似，但其中低緯的“暖、冷”海溫異常區(qū)位置較NAT更偏西。夏季（圖3b），海溫異常關(guān)鍵區(qū)較春季有明顯調(diào)整，其中北太平洋親潮區(qū)（20°N～40°N，140°E～170°E）為暖海溫異常，赤道太平洋呈“西冷、中東暖”的El Ni?o 海溫異常分布特征，且均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)；而印度洋和大西洋異常海溫信號(hào)則較春季明顯減弱。

圖3 西北地區(qū)東部夏季降水年際分量異常偏少年（a、b）、偏多年（c、d）春季（a、c）、夏季（b、d）海溫距平合成分布Fig.3 Composites of SSTa interannual variations for the drought years(a,b)and flood years(c,d)over the east part of Northwest China in spring(a,c)and summer(b,d)

降水異常偏多年春季（圖3c）與偏少年春季（圖3a）海溫異常呈反位相分布，即北太平洋海溫異常整體不明顯，南太平洋為顯著的冷海溫異常，IPO正位相特征較弱，異常顯著的海溫信號(hào)主要集中在印度洋至西太平洋一帶，均為暖異常，其中印度洋海溫異常表現(xiàn)為全區(qū)一致海溫模態(tài)（Indian Ocean Basinwide Mode，IOBW）正位相特征；北大西洋海溫呈“暖、冷、暖”這種類似于NAT 弱負(fù)位相的狀態(tài)。夏季（圖3d），赤道中東太平洋冷海溫異常十分顯著，赤道太平洋西側(cè)暖池區(qū)為顯著的暖海溫異常，赤道太平洋為典型的La Ni?a 型海溫異常；印度洋、大西洋幾乎無(wú)海溫年際信號(hào)。

上述分析表明，主導(dǎo)西北地區(qū)東部夏季降水年際分量的前兆信號(hào)可能來(lái)自熱帶印度洋、熱帶西太平洋、北大西洋和南太平洋，其中IOBW 負(fù)（正）位相、類NAT 正（負(fù)）位相、熱帶西太平洋冷（暖）海溫異常以及南太平洋暖（冷）海溫異常有利于西北地區(qū)東部夏季降水年際分量偏少（多），而南太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫異?？赡茉谝欢ǔ潭壬戏从矷PO對(duì)年際海溫異常的影響［33，41］；同期夏季，則主要受赤道太平洋海溫異常的影響，El Ni?o 和La Ni?a 分別有利于降水偏少和偏多。

大氣環(huán)流異常是直接導(dǎo)致降水異常的原因，為探究年際尺度上環(huán)流變化與西北地區(qū)夏季降水的關(guān)系，圖4 給出降水年際分量異常年同期夏季500 hPa 位勢(shì)高度距平合成場(chǎng)。降水偏少年夏季（圖4a），歐亞大陸中高緯新地島附近、貝加爾湖至我國(guó)東北以及副熱帶西太平洋上空位勢(shì)高度異常分別呈“負(fù)、正、負(fù)”，且大部區(qū)域通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，即歐亞地區(qū)中高緯自西向東表現(xiàn)為東傳的緯向遙相關(guān)波列，該波列可能由大西洋海溫強(qiáng)迫激發(fā)，影響著中高緯地區(qū)的環(huán)流系統(tǒng)［42-43］。此時(shí)，烏拉爾山高壓脊偏弱，巴爾喀什湖至貝加爾湖一帶為高壓異?？刂疲蓸O地南下至中緯度地區(qū)的冷空氣勢(shì)力相對(duì)較弱；受春、夏季印度洋冷海溫影響（圖3a、圖3b），西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度整體偏弱［44-45］，水汽輸送條件較差，因此不利于西北地區(qū)東部夏季降水異常偏多。

圖4 西北地區(qū)東部夏季降水年際分量異常偏少年（a）、偏多年（b）夏季500 hPa位勢(shì)高度距平合成分布Fig.4 Composites of 500 hPa geopotential height anomalies interannual variations for the drought years(a)and flood years(b)over the east part of Northwest China in summer

偏多年夏季（圖4d），歐亞中高緯新地島附近、貝加爾湖至我國(guó)東北以及副熱帶西太平洋等環(huán)流關(guān)鍵區(qū)上空位勢(shì)高度異常與偏少年基本相反，呈“正、負(fù)、正”分布特征，表明烏拉爾山高壓脊偏強(qiáng)、偏東，巴爾喀什湖至貝加爾湖一帶為異常低壓，受印度洋偏暖影響（圖3c、圖3d），西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)，且位置偏西、偏北，我國(guó)中高緯地區(qū)為“西低東高”分布型，冷空氣通過(guò)烏拉爾山高壓脊南下，經(jīng)貝加爾湖地區(qū)低值系統(tǒng)向南、向東輸送，西北地區(qū)東部正位于副熱帶高壓西側(cè)邊緣地帶，受到上述兩系統(tǒng)共同影響，易造成降水偏多。

圖5進(jìn)一步給出西北地區(qū)東部夏季降水年際分量異常年低層700 hPa 風(fēng)場(chǎng)異常。降水偏少年夏季（圖5a），貝加爾湖東側(cè)為反氣旋性環(huán)流異常，西北地區(qū)東部受偏東北風(fēng)影響，但該東北風(fēng)異常由大陸反氣旋環(huán)流帶下，并非來(lái)自西太平洋，因此水汽條件不足，不利于降水異常。偏多年夏季（圖5b），我國(guó)東部至日本南部上空為一反氣旋性環(huán)流異常，其中心位置大致位于35°N、130°E，同時(shí)熱帶東風(fēng)異常十分顯著，該氣流在75°E 附近向北輸送，而后轉(zhuǎn)向東，并匯入我國(guó)東部至日本南部上空的反氣旋環(huán)流異常，西北地區(qū)東部則位于該反氣旋環(huán)流異常西側(cè)，此支氣流來(lái)自太平洋較濕潤(rùn)，一定程度上有利于研究區(qū)夏季降水偏多。

圖5 西北地區(qū)東部夏季降水年際分量異常偏少年（a）、偏多年（b）700 hPa風(fēng)場(chǎng)距平合成分布Fig.5 Composites of 700 hPa wind anomalies interannual variations for the drought years(a)and flood years(b)over the east part of Northwest China in summer

4 基于時(shí)間尺度分離的西北地區(qū)東部夏季降水預(yù)測(cè)應(yīng)用

綜上所述，西北地區(qū)東部不同時(shí)間尺度的降水分量受到不同海溫模態(tài)影響。為進(jìn)一步體現(xiàn)時(shí)間尺度分離對(duì)區(qū)域年際降水異常的作用，本文利用原始降水時(shí)序同樣進(jìn)行前兆海溫信號(hào)的篩選，并基于原始和時(shí)間尺度分離這兩類海溫異常信號(hào)分別作為預(yù)測(cè)因子，建立針對(duì)研究區(qū)內(nèi)155 個(gè)氣象觀測(cè)站的兩套夏季降水預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)需求，對(duì)其預(yù)測(cè)應(yīng)用效果進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)估。

對(duì)西北地區(qū)東部夏季原始降水序列按降序排列，以降水距平偏多（少）的前5 高（低）值來(lái)確定典型降水異常年。因此，降水異常偏少年為1969 年、1974 年、1991 年、1997 年、2015 年，偏多年為1981年、1988年、2003年、2018年、2020年。為確定上述降水異常年的主要海溫前兆因子，類似地，對(duì)這些異常年的海溫距平進(jìn)行合成。由圖6 可知，赤道東太平洋（5°S～5°N，120°W～80°W）、熱帶西北太平洋（5°S～20°N，130°E～150°E）均為前期海溫關(guān)鍵區(qū)，即無(wú)論在降水異常偏多年（圖6a）還是偏少年（圖6c）的春季，上述關(guān)鍵區(qū)海溫異常均十分顯著，因此以區(qū)域平均海溫異常構(gòu)建原始前兆海溫信號(hào)，分別稱作赤道東太平洋海溫指數(shù)（SSTI_1）、熱帶西北太平洋海溫指數(shù)（SSTI_2）。需要注意的是，與基于時(shí)間尺度分離的海溫年際分量場(chǎng)（圖3）相比，盡管海溫年際分量與原始海溫異常的空間分布具有一定的相似性，例如熱帶西太平洋海溫區(qū)始終是關(guān)鍵海區(qū)，體現(xiàn)出年際變化在多時(shí)間尺度作用中的主要地位，但海溫年際分量場(chǎng)中前期春季異常顯著的類IOBW、類NAT 型和南太平洋海溫異常的海溫模態(tài)（圖3a、圖3c）在原始海溫合成場(chǎng)中并沒(méi)有明顯體現(xiàn)。

圖6 西北地區(qū)東部夏季原始降水異常偏少年（a、b）、偏多年（c、d）春季（a、c）、夏季（b、d）海溫距平合成分布Fig.6 Composites of 500 hPa geopotential height anomalies for the drought years(a,b)and flood years(c,d)over the east part of Northwest Chinain in spring(a,c)and summer(b,d)

降水異常偏少年春季，SSTI_1為暖異常，SSTI_2為冷異常；偏多年春季，兩項(xiàng)指數(shù)均與偏少年呈反位相，即SSTI_1、SSTI_2 與西北地區(qū)東部夏季降水分別為負(fù)、正相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)系數(shù)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。西北地區(qū)東部夏季“旱期”SSTI_1、SSTI_2 與降水距平的符號(hào)相反率、一致率分別為50%、61%；“澇期”為59%、53%，反映出兩項(xiàng)指數(shù)在“旱期”、“澇期”的預(yù)測(cè)參考性不同，其中SSTI_1 在“澇期”的符號(hào)相反率更高，而SSTI_2 在“旱期”的一致率更高，指示性也相對(duì)更高。

由于南太平洋海溫異常一定程度上可能反映的是IPO年代際尺度的影響，因此基于海溫年際分量可篩選出3 個(gè)海溫因子，分別來(lái)自熱帶印度洋（15°S～10°N，40°E～100°E）、熱帶西太平洋（15°S～15°N，105°E～135°E）和北大西洋（5°N～50°N，85°W～30°W），其中北大西洋海溫指數(shù)由大西洋3 個(gè)關(guān)鍵區(qū)海溫距平標(biāo)準(zhǔn)化后共同建立（高緯區(qū)域-中緯區(qū)域+低緯區(qū)域）。為了方便，分別將它們稱為熱帶印度洋指數(shù)（SSTI)_3）、熱帶西太平洋指數(shù)（SSTI_4）及北大西洋海溫指數(shù)（SSTI_5），3項(xiàng)海溫指數(shù)與降水均為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.42和0.48，均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，各項(xiàng)海溫指數(shù)與降水距平的年際變化也表現(xiàn)出較好的趨勢(shì)一致性（圖略）。

西北地區(qū)東部夏季“旱期”3項(xiàng)海溫指數(shù)的符號(hào)一致率均超過(guò)60%，其中降水與SSTI_3、SSTI_4 的符號(hào)一致率均為67%，與SSTI_5 的符號(hào)一致率為61%；“澇期”3 項(xiàng)海溫指數(shù)與降水的符號(hào)一致率為53%～65%，其中SSTI_5最高為65%，SSTI_4為次之59%，SSTI_3為53%。由此可知，基于時(shí)間尺度分離得到的海溫年際分量在“旱期”、“澇期”內(nèi)具有一定指示意義，特別是在“旱期”符號(hào)異常的一致性更高。

在考慮上述3 項(xiàng)海溫年際分量指數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合年代際尺度的IPO 信號(hào)，對(duì)西北地區(qū)東部155 個(gè)氣象站建立基于時(shí)間尺度分離因子（3 項(xiàng)年際海溫指數(shù)和1 項(xiàng)年代際海溫指數(shù)）的夏季降水多元回歸預(yù)測(cè)模型，稱為尺度分離模型；為與基于原始海溫因子建立的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)效果對(duì)比，以SSTI_1、SSTI_2 同樣建立多元回歸預(yù)測(cè)模型，稱為原始模型，建模時(shí)段為1961—2010年，獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段為2011—2020年。

結(jié)合1961—2010 年建模時(shí)段內(nèi)兩套降水預(yù)測(cè)模型的擬合信息，在西北地區(qū)東部范圍內(nèi)，通過(guò)計(jì)算155 站降水預(yù)測(cè)序列與觀測(cè)序列的相關(guān)系數(shù)，基于原始模型得到的155 個(gè)相關(guān)系數(shù)中通過(guò)95%、99%信度檢驗(yàn)的站數(shù)占比分別為35%、14%，研究區(qū)各站平均解釋方差為6%；基于尺度分離模型得到的155 個(gè)相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%、99%信度檢驗(yàn)的站數(shù)占比分別為84%、61%，平均解釋方差為17%，均高于原始模型，預(yù)測(cè)擬合效果較原始模型明顯提高。

以我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)現(xiàn)行業(yè)務(wù)評(píng)分方法為標(biāo)準(zhǔn)，采用Ps、Pc 方法對(duì)兩套降水預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。由圖7a 可知，在獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段的10 a 中，基于尺度分離模型有7 a 夏季降水Ps 評(píng)分高于原始模型，年均Ps 相對(duì)誤差提高6%；年均Ps 評(píng)分為69%，較原始預(yù)測(cè)模型（Ps 評(píng)分63%）提高6%。另外，對(duì)于Pc 評(píng)分而言，尺度分離模型同樣也有7 a 降水得分高于原始模型，年均Pc相對(duì)誤差提高8%；年均Pc評(píng)分為54%，較原始預(yù)測(cè)模型（Pc 評(píng)分47%）提高7%。上述結(jié)果表明，基于時(shí)間尺度分離建立的海溫預(yù)測(cè)模型整體效果優(yōu)于原始預(yù)測(cè)模型。因此，進(jìn)行時(shí)間尺度分離是尋找外強(qiáng)迫因子的有效方法之一，由此建立的客觀預(yù)測(cè)方法對(duì)短期氣候預(yù)測(cè)也具有一定意義。

圖7 2011—2020年基于尺度分離模型、原始模型的西北地區(qū)東部夏季降水Ps（a）、Pc（b）評(píng)分Fig.7 The Ps(a)and Pc(b)scores of summer precipitation over the east part of Northwest China based on scale separation model and original model from 2011 to 2020

當(dāng)前，在短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中很難判斷眾多外強(qiáng)迫因子中哪些因子正在或即將發(fā)揮主要作用，本文以時(shí)間尺度分離為著眼點(diǎn)，對(duì)外強(qiáng)迫因子進(jìn)行篩選，考慮了其背后可能存在的物理機(jī)制并初步建立了多元線性回歸模型，旨在為短期氣候預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。但氣候系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，不僅需要考慮不同時(shí)間尺度的相互作用，還需考慮眾多因子之間協(xié)同、抵消等作用，氣候及其變化是一個(gè)非線性耗散系統(tǒng)的狀態(tài)和行為［46］，不能僅以線性關(guān)系來(lái)描述。因此在探究包括海溫在內(nèi)的其他具有物理意義的外強(qiáng)迫信號(hào)基礎(chǔ)上，考慮氣候系統(tǒng)中非線性關(guān)系，發(fā)展客觀預(yù)測(cè)方法，進(jìn)一步完善和發(fā)展預(yù)測(cè)模型是另一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的工作。

5 結(jié)論

利用1961—2020年我國(guó)西北地區(qū)東部夏季6—8 月155 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)站降水量資料、NCEP/NCAR 環(huán)流再分析以及英國(guó)Hadley 逐月SST 資料，采用時(shí)間尺度分離的方法，探究了主導(dǎo)西北地區(qū)東部夏季年代際、年際降水分量的海溫模態(tài)，并利用上述海溫模態(tài)提取前兆因子，構(gòu)建基于時(shí)間尺度分離因子的西北地區(qū)東部夏季降水預(yù)測(cè)模型，并與未進(jìn)行尺度分離的原始海溫預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下：

（1）我國(guó)西北地區(qū)東部夏季降水具有顯著的30 a 左右年代際震蕩周期，1961—2020 年間降水總體呈現(xiàn)出“旱”-“澇”-“旱”-“澇”的變化特征，且“澇期”內(nèi)降水異常變化的幅度更明顯。西北地區(qū)東部夏季降水年代際分量主要由IPO 主導(dǎo)，春、夏季IPO正位相時(shí)，有利于西北地區(qū)東部夏季降水處于偏多的背景；反之，IPO負(fù)位相時(shí)，降水年代際背景偏少。

（2）西北地區(qū)東部夏季降水還存在準(zhǔn)3 a 的年際震蕩周期，通過(guò)時(shí)間尺度分離得到影響降水年際分量的主導(dǎo)信號(hào)來(lái)自春季赤道印度洋、赤道西太平洋和北大西洋，當(dāng)春季類IOBW 為負(fù)（正）位相、類NAT 為正（負(fù)）位相及熱帶西太平洋為冷（暖）海溫異常分布，對(duì)應(yīng)于夏季中高緯貝加爾湖地區(qū)出現(xiàn)異常高（低）壓，西太平洋副熱帶高壓偏弱（強(qiáng)）、偏南（北）時(shí)，我國(guó)中高緯位勢(shì)高度異常呈“西高東低”（“西低東高”），西北地區(qū)東部降水易偏少（多）。

（3）2011—2020 年獨(dú)立檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，基于時(shí)間尺度分離模型的西北地區(qū)東部夏季降水預(yù)測(cè)評(píng)分技巧較原始模型有明顯提高，其中年均Ps、Pc 相對(duì)誤差分別提高6%、8%，年均Ps、Pc 評(píng)分分別提高6%、7%。總體上，通過(guò)時(shí)間尺度分離得到的海溫因子具有一定預(yù)測(cè)指示性，據(jù)此建立的降水模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率也相對(duì)更高。