伍繼業(yè) 謝欣芮 羅京佳

摘要 基于南京信息工程大學(xué)次季節(jié)氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)（NUIST CFS1.1），通過(guò)調(diào)整成員的大氣初始化方案并優(yōu)化了集合預(yù)測(cè)方案，構(gòu)建了性能更優(yōu)、計(jì)算成本更低的9成員NUIST CFS1.1 Pro系統(tǒng)。進(jìn)一步基于實(shí)時(shí)多變量Madden-Julian Oscillation（MJO）指數(shù)和兩類(lèi)北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation，BSISO）指數(shù)BSISO1和BSISO2，評(píng)估了該預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)熱帶不同季節(jié)的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）的預(yù)測(cè)技巧。結(jié)果表明，NUIST CFS1.1 Pro能分別提前26、17、12 d有效預(yù)測(cè)（距平相關(guān)高于0.5）MJO、BSISO1、BSISO2，對(duì)強(qiáng)事件（振幅>1）的有效預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)能分別延長(zhǎng)到30、21、13 d。此預(yù)測(cè)性能對(duì)比國(guó)內(nèi)其他最新次季節(jié)動(dòng)力模式如BCC_CSM2和FGOALS-f2有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在與國(guó)際S2S計(jì)劃的8個(gè)主要業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的技巧對(duì)比中，NUIST CFS1.1 Pro在冬季MJO和夏季BSISO1預(yù)測(cè)上處于較為領(lǐng)先的水平，BSISO2的預(yù)測(cè)則處于中等水平;對(duì)不同位相的計(jì)算技巧顯示，冬季MJO和夏季BSISO1的2、3、6、7位相較其他位相技巧更高。進(jìn)一步的分析表明，NUIST CFS1.1 Pro能提前5候準(zhǔn)確把握冬季MJO的東傳特征，并能在一定程度上預(yù)測(cè)出其對(duì)我國(guó)氣溫異常的影響，尤其是對(duì)位相2、3時(shí)候的冷異常預(yù)測(cè);而在夏季，則能提前4候正確預(yù)測(cè)BSISO1的北傳、西北傳特征，尤其能較好地預(yù)測(cè)西北太平洋上的對(duì)流和低層環(huán)流異常，從而成功預(yù)測(cè)出BSISO1造成的我國(guó)東部地區(qū)降水異常的空間形態(tài)。然而預(yù)測(cè)的強(qiáng)度較觀測(cè)偏弱，這需要進(jìn)一步的工作來(lái)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩;次季節(jié)預(yù)測(cè);中國(guó)氣溫降水

我國(guó)氣候環(huán)境復(fù)雜多樣，人口眾多，且多集中在旱澇災(zāi)害頻發(fā)的季風(fēng)區(qū)域中（黃榮輝，2006）。隨著人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變暖的加劇，極端天氣和氣候事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度加大（Chen and Sun，2015;Wang et al.，2020），并隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失也逐年上升（史培軍和應(yīng)卓蓉，2016），因此及時(shí)準(zhǔn)確的氣象預(yù)測(cè)極為重要。在傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之上，當(dāng)前國(guó)際上的潮流是發(fā)展天氣-氣候的一體化無(wú)縫隙預(yù)測(cè)（Merryfield et al.，2020;孫照渤和陳海山，2020），而這其中的一個(gè)阻礙是，連接天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)的次季節(jié)預(yù)測(cè)仍處于技巧荒漠中（White et al.，2017）。這一時(shí)間尺度通常在兩周以上、季節(jié)以下，其初值的影響已衰竭，而邊界值的影響還不夠顯著，因而理解次季節(jié)的可預(yù)測(cè)性來(lái)源和實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)測(cè)均面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為此，世界天氣研究計(jì)劃、世界氣候研究計(jì)劃（WWRP／WCRP）專門(mén)啟動(dòng)了次季節(jié)到季節(jié)（S2S）預(yù)測(cè)項(xiàng)目（Vitart et al.，2017）。

熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）被認(rèn)為是最重要的全球次季節(jié)預(yù)測(cè)信號(hào)來(lái)源（Lau and Waliser，2011）。最早觀測(cè)到的ISO主要表現(xiàn)為沿著赤道從印度洋向東傳播的對(duì)流（Madden and Julian，1971，1972），被稱為Madden-Julian Oscillation（MJO）。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的不斷增加，熱帶ISO的季節(jié)性開(kāi)始被關(guān)注。相較于在北半球冬季較為單一的東傳，北半球夏季的ISO呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的傳播特征（Kikuchi，2021），除東傳之外，還在印度季風(fēng)區(qū)表現(xiàn)為北傳（Yasunari，1979）、在西北太平洋表現(xiàn)為向西北傳的特征（Chen and Murakami，1988），這在后來(lái)的研究中被學(xué)者稱為北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation，BSISO）（Wang and Xie，1997）。隨著相關(guān)機(jī)理研究的不斷深入以及技術(shù)的日益進(jìn)步，過(guò)去二十年來(lái)熱帶ISO的動(dòng)力預(yù)測(cè)取得了蓬勃的發(fā)展。各個(gè)國(guó)家的業(yè)務(wù)和研究中心相繼開(kāi)發(fā)出次季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)（Vitart et al.，2007;Lin et al.，2008;Rashid et al.，2011;Wang et al.，2014;Liu et al.，2017），它們中大多數(shù)能提前20 d以上有效預(yù)測(cè)冬季MJO（Kim et al.，2018，2019），其中較先進(jìn)的模式可以延長(zhǎng)MJO技巧到30 d以上，并能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其遙相關(guān)（Vitart，2017;Xiang et al.，2021）。比較而言，我國(guó)的動(dòng)力模式對(duì)MJO的預(yù)測(cè)雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但目前與國(guó)際領(lǐng)先水平仍有一定差距（Liu et al.，2017）。同時(shí)，較多的文章主要關(guān)注冬季MJO的預(yù)測(cè)，而對(duì)夏季的BSISO則關(guān)注相對(duì)較少，同時(shí)BSISO復(fù)雜的傳播特征為其帶來(lái)了更大的預(yù)測(cè)難度（Lee et al.，2015）。

而MJO和BSISO不僅會(huì)影響局部的熱帶地區(qū)，而且會(huì)通過(guò)遙相關(guān)波列影響到中高緯廣大區(qū)域（Cassou 2008;Riddle et al.，2013）。對(duì)東亞來(lái)說(shuō)，冬季MJO不同位相可造成不同區(qū)域顯著的冷暖異常（Jeong et al.，2005;Zhang，2013;Kim et al.，2020）;而夏季的MJO則被證明與我國(guó)的降水（Jia et al.，2011）密切相關(guān)。此外，MJO和BSISO也被認(rèn)為是引起我國(guó)數(shù)次極端天氣氣候事件的重要成因，如2008年南方冰凍雨雪災(zāi)害（Hong and Li，2009）、2020年長(zhǎng)江中下游超強(qiáng)梅雨（Zhang et al.，2021）以及2021年鄭州“721”特大暴雨（Hsu et al.，2023）。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱帶大氣季節(jié)內(nèi)活動(dòng)，并能成功把握其對(duì)我國(guó)氣溫和降水的影響，對(duì)提升我國(guó)次季節(jié)預(yù)測(cè)具有深遠(yuǎn)意義（梁萍等，2013;梅雙麗等，2021）。

Wu et al.（2023）在南京信息工程大學(xué)初代的季節(jié)-年際氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)（NUIST CFS1.0;賀嘉櫻等，2020）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了大氣初始化和集合方案，構(gòu)建了一套次季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)NUIST CFS1.1，其對(duì)北半球冬季MJO的預(yù)測(cè)技巧已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。然而，其距離理論的可預(yù)測(cè)性還有較大差距（Wu et al.，2023）。此外，該系統(tǒng)對(duì)北半球夏季更為復(fù)雜的BSISO的預(yù)測(cè)能力仍不清楚，其對(duì)MJO和BSISO的有效預(yù)測(cè)能否更進(jìn)一步作用到我國(guó)冬夏季的氣溫降水次季節(jié)預(yù)測(cè)上仍未可知。本文基于NUIST CFS1.1，擬進(jìn)一步改進(jìn)相應(yīng)的預(yù)測(cè)方案，綜合評(píng)估其對(duì)熱帶多個(gè)季節(jié)內(nèi)信號(hào)及其對(duì)東亞氣候影響的預(yù)測(cè)。

1 資料和方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

1）美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的1983—2021年逐日對(duì)外長(zhǎng)波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）資料（Liebmann and Smith，1996）和最優(yōu)插值海溫?cái)?shù)據(jù)OISST v2（Reynolds et al.，2002）。2）日本氣象廳JRA-55再分析資料中1983—2021年風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、地表氣壓場(chǎng)、降水場(chǎng)以及2 m氣溫場(chǎng)數(shù)據(jù)（Kobayashi et al.，2015）。

1.2 熱帶大氣季節(jié)內(nèi)信號(hào)提取

觀測(cè)中通常使用帶通濾波來(lái)提取季節(jié)內(nèi)信號(hào)，但實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度沒(méi)法滿足做帶通濾波的要求，因此一些替代方案被提出來(lái)，比較常見(jiàn)的是用向前120 d滑動(dòng)平均的方式來(lái)提取季節(jié)尺度以上信號(hào)，再去除這一低頻信號(hào)以保留高頻的信號(hào)（Wheeler and Hendon，2004）。在此基礎(chǔ)上，Wheeler and Hendon（2004）進(jìn)一步用多變量EOF的方法來(lái)提取熱帶地區(qū)東傳的MJO信號(hào)，Lee et al.（2013）采用類(lèi)似的方案提取北半球夏季BSISO的信號(hào)。這里首先基于所選的時(shí)間范圍內(nèi)觀測(cè)OLR資料和JRA-55的風(fēng)場(chǎng)（保持和大氣同化資料同源），用同樣方法表征本研究關(guān)注的MJO、BSISO信號(hào)。用Wheeler and Hendon （2004）中方法做多變量EOF分解，得到的前兩個(gè)特征向量EOF1和EOF2形態(tài)及其解釋方差與Wheeler and Hendon（2004）中的近似一致（圖略），相應(yīng)的特征值PC1和PC2標(biāo)準(zhǔn)化后便是實(shí)時(shí)多變量MJO指數(shù)RMM1和RMM2。而提取BSISO信號(hào)則按照Lee et al.（2013）的方法，對(duì)亞洲夏季風(fēng)區(qū)（40°～160°E，10°S～40°N）去120 d滑動(dòng)平均并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的OLR和U850距平做多變量EOF分解，得到的結(jié)果與Lee et al.（2013）的近似一致（圖略）。EOF1和EOF2表示典型季風(fēng)區(qū)北傳和西北傳的BSISO信號(hào)，周期為30～60 d，稱為BSISO1;而EOF3和EOF4則表示季風(fēng)爆發(fā)前后北傳和西北傳的BSISO信號(hào)，周期為10～30 d，稱為BSISO2。同理，PC1和PC2標(biāo)準(zhǔn)化后為觀測(cè)中實(shí)時(shí)BSISO1的指數(shù)，PC3和PC4標(biāo)準(zhǔn)化后為實(shí)時(shí)BSISO2的指數(shù)。進(jìn)一步根據(jù)RMM1和RMM2以及BSISO的PC1和PC2、PC3和PC4在二維空間上的分布，分別將MJO、BSISO1和BSISO2各自分成8個(gè)位相。而這些信號(hào)的強(qiáng)度（振幅）則表示為：

對(duì)于預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，我們采用國(guó)際上通用的步驟（Gottschalck et al.，2010；Lee et al.，2015）來(lái)提?。?）對(duì)預(yù)測(cè)的OLR、U850和U200算出逐日的距平A（t，τ），其中t表示起報(bào)時(shí)間，τ表示預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)。2）借助于觀測(cè)的數(shù)據(jù)求120 d滑動(dòng)平均，假設(shè)預(yù)測(cè)

1.3 技巧評(píng)估指標(biāo)

在常規(guī)的單變量距平相關(guān)系數(shù)（ACC）和均方根誤差（RMSE）之外，第1.2節(jié)所述的MJO和BSISO的指數(shù)均用EOF的兩個(gè)特征值來(lái)共同表示，因此這里采用前人研究中的雙變量ACC和RMSE來(lái)作為熱帶季節(jié)內(nèi)信號(hào)預(yù)測(cè)的技巧指標(biāo)（Rashid et al.，2011），計(jì)算公式如下：

式中：a1t和a2t表示觀測(cè)中時(shí)刻t的MJO（或BSISO1或BSISO2）指數(shù)中的兩個(gè)特征值；b1t0，τ和b2t0，τ表示對(duì)應(yīng)于觀測(cè)t時(shí)刻、t0起報(bào)預(yù)測(cè)第τ天的值。通常ACC越高，RMSE越低，預(yù)測(cè)技巧越高。

1.4 非傳統(tǒng)帶通濾波

為了盡可能提煉季節(jié)內(nèi)信號(hào)，我們對(duì)相關(guān)的變量一方面做了如第1.2節(jié)所述的120 d滑動(dòng)平均以濾除低頻信號(hào)，另一方面在此基礎(chǔ)上做了5 d滑動(dòng)平均以濾除高頻信號(hào)，該方法被稱為“非傳統(tǒng)帶通濾波”（參照徐邦琪等（2020））。文中相關(guān)變量的季節(jié)內(nèi)異常均采用該方法得到。

2 預(yù)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

這里的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的基本框架遵照前期的NUIST CFS1.0和1.1版本（賀嘉櫻等，2020;Wu et al.，2023），氣候模式采用全球海氣耦合模式SINTEX-F（Luo et al.，2003，2005）。其中：大氣模塊為ECHAM v4.6（Roeckner et al.，1996）;海洋模塊為OPA v8（Madec et al.，1998）;大氣和海洋模塊用OASIS v2.4耦合器（Valcke et al.，2000）每2 h交換一次通量。大氣模塊在垂直方向上為19層的混合σ-p坐標(biāo)系，水平方向上為T(mén)106的譜格點(diǎn)（約為1.1°×1.1°）；海洋模塊采用ORCA 2的設(shè)置，即垂直方向上為31層，水平方向上為2°（緯度）×2°（經(jīng)度），赤道附近的分辨率增加到0.5°，一些物理參數(shù)化方案和更具體的模式介紹參考Luo et al.（2005）和賀嘉櫻等（2020）。在這一耦合模式的基礎(chǔ)上，采用牛頓張弛逼近（nudging）方案，將JRA-55的由逐6 h風(fēng)場(chǎng)換算的渦度和散度以及溫度和地表氣壓資料、逐周的OISST v2的海溫資料耦合同化得到預(yù)測(cè)所需的初始場(chǎng)，其基本原理（Jeuken et al.，1996）為：

式中：X表示某一變量模式自身運(yùn)行得到的值；Fm（X）表示控制X演變的模式動(dòng)力學(xué)方程；Xobs為X對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值；G為逼近系數(shù)（單位：s-1），等于恢復(fù)系數(shù)（restoring timescale）的倒數(shù)。

原先的NUIST CFS1.1系統(tǒng)中包含有18個(gè)集合成員，充足的成員數(shù)量可以方便實(shí)現(xiàn)概率預(yù)測(cè)。但從確定性預(yù)測(cè)的角度看，過(guò)量的成員可能會(huì)帶來(lái)計(jì)算資源的浪費(fèi)。為了進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)效率和準(zhǔn)確性，這里對(duì)NUIST CFS1.1的集合方案進(jìn)行了細(xì)微的調(diào)整。集合方案借鑒了Wu et al.（2023）中的第2類(lèi)9成員集合方案，包含9個(gè)不同的大氣nudging系數(shù)組合、3個(gè)不同的海溫nudging系數(shù)和3個(gè)不同的耦合方案CPL1、CPL2、CPL3（同Luo et al.（2005）中的CTL、FCPL和semi-CPL）。

該方案可增大集合離散度并獲得更高技巧。在此基礎(chǔ)上，考慮到原版本中第1個(gè)集合成員采用了過(guò)低的散度同化強(qiáng)度，預(yù)測(cè)技巧明顯低于其他成員，這里對(duì)其做了調(diào)整，從而構(gòu)建了一套改進(jìn)版NUIST CFS1.1（本文統(tǒng)稱為NUIST CFS1.1 Pro），其總體框架如圖1所示，每個(gè)成員具體的大氣海洋nudging系數(shù)設(shè)置列舉在表1中。同時(shí)，為了更好地適應(yīng)次季節(jié)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的需求，起報(bào)頻次也從舊的每月起報(bào)1次（每月1日起報(bào)）增加為每5 d起報(bào)1次（即每月1、6、11、16、21、26日起報(bào)），每次向前預(yù)測(cè)60 d。

3 MJO和BSISO技巧評(píng)估及多模式對(duì)比

基于NUIST CFS1.1 Pro的1983年1月—2021年12月的回報(bào)數(shù)據(jù)集，我們?cè)u(píng)估了其對(duì)不同季節(jié)熱帶季節(jié)內(nèi)信號(hào)的預(yù)測(cè)能力。首先我們計(jì)算了預(yù)測(cè)和觀測(cè)的熱帶區(qū)域各個(gè)格點(diǎn)上OLR和U850的ACC技巧。

考慮到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩特征存在季節(jié)性差異，這里首先對(duì)比北半球冬季（11月—次年4月）和夏季（5—10月）預(yù)測(cè)的前5候熱帶地區(qū)OLR和U850季節(jié)內(nèi)異常候平均的ACC技巧（圖2）。

由圖2可以看到，對(duì)OLR和U850同一預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的技巧，冬季都要高于夏季，且從預(yù)測(cè)的第2候開(kāi)始，有技巧的區(qū)域在冬、夏季的位置移動(dòng)，冬季主要集中在赤道兩側(cè)，夏季則更偏于赤道以北，這與熱帶季節(jié)內(nèi)變率的季節(jié)性特征較為一致（Li and Hsu，2018）;此外，模式對(duì)風(fēng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)技巧略微高于對(duì)流（OLR）的預(yù)測(cè)技巧，對(duì)熱帶大多數(shù)區(qū)域U850的預(yù)測(cè)ACC能提前5候保持在0.3以上，對(duì)OLR的預(yù)測(cè)ACC都能保持在0.1以上（圖2e、j），這可能與初值中對(duì)OLR的模擬技巧有限有關(guān)（Wu et al.，2021），對(duì)此尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步評(píng)估了NUIST CFS1.1 Pro的9個(gè)成員和集合平均對(duì)MJO、BSISO1和BSISO2指數(shù)在不同起報(bào)時(shí)間的ACC和RMSE（圖3）。由圖3可以看到，集合平均相比于單個(gè)成員可以較大程度地提高ACC和減小RMSE，尤其是對(duì)冬季的MJO和夏季的BSISO1，集合平均能延長(zhǎng)有效預(yù)測(cè)（ACC>0.5）4～5 d（圖3a、b、d、e）。對(duì)比不同季節(jié)內(nèi)信號(hào)的預(yù)測(cè)可以看到，模式對(duì)冬季MJO的預(yù)測(cè)能力最強(qiáng)，有效預(yù)測(cè)技巧可以保持到26 d（圖3a），這相比原來(lái)版本的NUIST CFS1.1有所提高（Wu et al.，2023）;其次是BSISO1，可以提前17 d以上有效預(yù)測(cè)（圖3b），最低的為BSISO2，可以提前12 d有效預(yù)測(cè)（圖3c）。這與前面提到的模式對(duì)對(duì)流和環(huán)流的冬夏季技巧差異，以及已有研究這3類(lèi)季節(jié)內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)度和周期差異是對(duì)應(yīng)的。值得一提的是，東傳的MJO信號(hào)在夏季仍然存在，且夏季MJO的預(yù)測(cè)技巧基本能與冬季持平（圖3a、d中黑虛曲線），明顯高于BSISO1，反映了模式對(duì)赤道緯向過(guò)程的預(yù)測(cè)比對(duì)季風(fēng)區(qū)經(jīng)向傳播的預(yù)測(cè)更好。

從有效預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，NUIST CFS1.1 Pro對(duì)冬季MJO的預(yù)測(cè)略微領(lǐng)先其他幾個(gè)國(guó)內(nèi)的次季節(jié)動(dòng)力模式，如BCC-CSM2（24 d;Yao et al.，2023）和FGOALS-f2（23 d;Zeng et al.，2023）;而對(duì)BSISO1的預(yù)測(cè)也領(lǐng)先于BCC-CSM2（14 d;Fang and Liu，2019）。為進(jìn)一步衡量NUIST CFS1.1 Pro在國(guó)際上的水準(zhǔn)，我們挑選了S2S計(jì)劃中8個(gè)國(guó)際最主要業(yè)務(wù)中心的模式回報(bào)數(shù)據(jù)，包括歐洲中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、法國(guó)氣象局（CNRM）、英國(guó)氣象局（UKMO）、澳洲氣象局（BOM）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）、中國(guó)氣象局（CMA）、日本氣象局（JMA）和韓國(guó)氣象局（KMA）。由于NCEP的回報(bào)年份只有1999—2010年，所以為保證一致性，這里也選取NUIST CFS1.1 Pro和S2S多模式1999—2010年的回報(bào)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表2），并用前述同樣的方法評(píng)估它們對(duì)MJO、BSISO1和BSISO2的預(yù)測(cè)技巧（圖4）。

相比于前面基于1983—2021年回報(bào)數(shù)據(jù)計(jì)算的技巧（圖3），圖4中NUIST CFS1.1 Pro的技巧沒(méi)有發(fā)生太大變化。對(duì)比這9個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，ECMWF模式在預(yù)測(cè)冬季MJO、夏季BSISO1和BSISO2均表現(xiàn)出最優(yōu)的性能（圖4a—c）。同Vitart（2017）的結(jié)果，ECMWF模式可提前約33 d有效預(yù)測(cè)冬季MJO，剩余模式中除CMA的模式只能提前約15 d有效預(yù)測(cè)之外，其他中心的模式的預(yù)測(cè)性能都比較接近，能提前21～23 d有效預(yù)測(cè)。相比之下，NUIST CFS1.1 Pro中的技巧可以保持得更好，在這里選取的9模式中僅次于ECMWF系統(tǒng)（圖4a）。各模式對(duì)BSISO1的預(yù)測(cè)技巧都明顯低于MJO，最好的ECMWF系統(tǒng)可提前約25 d有效預(yù)測(cè)，NUIST CFS1.1 Pro和UKMO模式處于第2梯隊(duì)，之后的是BOM、JMA、KMA和CRNM的模式，有效預(yù)測(cè)時(shí)間為13～15 d，CMA模式最低，約為10 d（圖4b）。NUIST CFS1.1 Pro對(duì)BSISO2的預(yù)測(cè)水平在9個(gè)模式中處于中等水平，低于ECMWF、UKMO、JMA和KMA的模式（圖4c）。值得一提的是，在這里的9個(gè)模式中，僅有NUIST CFS1.1 Pro和ECMWF的模式可以提前20（15） d以上保持對(duì)MJO（BSISO1）的較高技巧（ACC>0.6;圖4d）。

一般說(shuō)來(lái)，強(qiáng)的熱帶ISO比弱的更易引起其他地區(qū)的響應(yīng)，也更易被預(yù)測(cè)。為此，我們根據(jù)振幅大于（小于）1挑選了強(qiáng)（弱）的冬季MJO、BSISO1和BSISO2事件，并分別計(jì)算了NUIST CFS1.1 Pro對(duì)它們的預(yù)測(cè)技巧（圖5a）。由圖5a可以看到，模式對(duì)強(qiáng)、弱事件預(yù)測(cè)的差異十分顯著，對(duì)強(qiáng)的冬季MJO甚至能提前近30 d有效預(yù)測(cè)，對(duì)強(qiáng)BSISO1也能提前21 d有效預(yù)測(cè)，對(duì)強(qiáng)BSISO2的有效預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)提至13 d;從預(yù)測(cè)時(shí)效來(lái)看，強(qiáng)與弱MJO、BSISO1和BSISO2的差異分別達(dá)20、13、8 d。除受到強(qiáng)度影響外，ISO的位相也會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)技巧產(chǎn)生影響。對(duì)強(qiáng)事件，我們細(xì)分8個(gè)位相，分別計(jì)算其技巧（圖5b—d）。

在冬季MJO的預(yù)測(cè)中，位相2、3、6、7技巧較高，位相1、5、8偏低（圖5b），這與一些其他預(yù)測(cè)系統(tǒng)如NCEP CFSv2（Wang et al.，2014）以及GFDL模式（Xiang et al.，2015）的結(jié)果類(lèi)似。位相1為MJO發(fā)生的起始階段，較難預(yù)測(cè);位相3為MJO在印度洋上達(dá)到強(qiáng)盛狀態(tài)，信號(hào)很強(qiáng)，因而預(yù)測(cè)技巧最高;之后的位相4和5為MJO東傳過(guò)海洋性大陸（Maritime Continent，MC），存在一個(gè)MC障礙，因而技巧降低;之后的6、7位相，MJO對(duì)流在西太平洋達(dá)到旺盛，預(yù)測(cè)技巧也較高。BSISO1預(yù)測(cè)隨位相的變化和冬季MJO類(lèi)似，位相2、3、6、7的預(yù)測(cè)相對(duì)更好，其中位相7最好（圖5c）。相比之下，BSISO2預(yù)測(cè)技巧受位相的影響較小，各個(gè)位相的技巧分布比較均衡，對(duì)位相1和3的技巧略高于其他位相（圖5d）。

考慮到模式對(duì)冬季MJO在提前5候（21～25 d）和對(duì)BSISO1在提前4候（16～20 d）的時(shí)候，各個(gè)位相都保持著相當(dāng)?shù)募记桑▓D5b、c），我們進(jìn)一步分別對(duì)比了觀測(cè)和模式提前5候預(yù)測(cè)冬季MJO和提前4候預(yù)測(cè)BSISO1的對(duì)流和低層風(fēng)場(chǎng)異常8個(gè)位相的演變圖（圖6和圖7）。可以看到，NUIST CFS1.1 Pro可基本預(yù)測(cè)出冬季MJO和夏季BSISO1的主要特征，如冬季MJO對(duì)流在赤道上的東傳及其相應(yīng)的Gill-Matsuno環(huán)流響應(yīng)（圖6），以及夏季BSISO1在印度洋上的北傳和在西北太平洋的西北傳（圖7）。而一個(gè)很大的不足表現(xiàn)在對(duì)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)普遍偏弱，尤其是在BSISO1的預(yù)測(cè)上，在位相1—4時(shí)，在東印度洋上的對(duì)流活躍位相，預(yù)測(cè)的強(qiáng)度相對(duì)觀測(cè)低很多（對(duì)比圖7的a—d和i—l）;相比之下，對(duì)位相1—4時(shí)的西北太平洋對(duì)流抑制位相和反氣旋環(huán)流，以及位相5—8時(shí)的對(duì)流活躍位相和氣旋性環(huán)流，NUIST CFS1.1 Pro能有相對(duì)更好的預(yù)測(cè)（圖7），但強(qiáng)度仍較為偏弱。

4 MJO和BSISO1對(duì)中國(guó)區(qū)域影響的預(yù)測(cè)初步評(píng)估

前面的分析論證了NUIST CFS1.1 Pro在次季節(jié)尺度上（提前10～30 d）對(duì)熱帶不同季節(jié)主導(dǎo)的ISO信號(hào)的預(yù)測(cè)能力，這些信號(hào)進(jìn)一步會(huì)影響到處于位于中緯度的中國(guó)區(qū)域。冬季MJO由于自身的對(duì)流和環(huán)流主要位于赤道上，所以主要通過(guò)激發(fā)羅斯貝波列和經(jīng)向熱力環(huán)流（Kim et al.，2020）影響我國(guó)，而夏季BSISO則由于自身的對(duì)流異?？梢灾苯觽鞯轿鞅碧窖?，所以其對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常能直接影響我國(guó)區(qū)域（圖7a—h）。因此，我們進(jìn)一步探究了NUIST CFS1.1 Pro能否正確預(yù)測(cè)熱帶ISO對(duì)我國(guó)氣溫降水的影響。

在冬季，極端天氣氣候事件更多地與冷空氣有關(guān)，因此這里先初步檢驗(yàn)對(duì)MJO相關(guān)的溫度異常的預(yù)測(cè)能力。圖8反映了觀測(cè)（JRA-55）和模式提前5候預(yù)測(cè)的1983—2021年冬季強(qiáng)MJO不同位相合成的2 m溫度季節(jié)內(nèi)異常。觀測(cè)中總體的冷暖形勢(shì)與前人研究結(jié)果（Jeong et al.，2005;Kim et al.，2020）較為一致，在MJO位相1的時(shí)候，全國(guó)東部沿海區(qū)域暖異常（圖8a），之后在位相2和3時(shí)轉(zhuǎn)為大面積較強(qiáng)的冷異常（圖8b、c），再到位相6、7、8時(shí)轉(zhuǎn)為暖異常。模式的預(yù)測(cè)可大體預(yù)報(bào)出位相2、3時(shí)的中國(guó)區(qū)域的冷異常響應(yīng)，但強(qiáng)度偏弱且位相3時(shí)冷異常區(qū)域相對(duì)觀測(cè)偏北（圖8f、g）。雖然模式對(duì)MJO位相6、7的熱帶對(duì)流有著較好的預(yù)測(cè)技巧，但其對(duì)我國(guó)大范圍的暖異常遙相關(guān)卻沒(méi)有預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，僅僅部分預(yù)測(cè)出中部的暖異常（圖8n、o），反而對(duì)位相8時(shí)的全國(guó)暖異常有一定預(yù)測(cè)能力（圖8l、p），但預(yù)測(cè)的暖中心出現(xiàn)在我國(guó)東部，與觀測(cè)中出現(xiàn)在西北和東北的事實(shí)不符。這些結(jié)果表明，一方面NUIST CFS1.1 Pro能一定程度上預(yù)測(cè)出MJO活動(dòng)造成的冷暖空氣活動(dòng)，另一方面對(duì)MJO遙相關(guān)的預(yù)測(cè)技巧并不能與MJO自身的預(yù)測(cè)技巧相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明模式對(duì)熱帶-中高緯的相互作用的復(fù)現(xiàn)能力還需進(jìn)一步提高。

在夏季，季節(jié)內(nèi)活動(dòng)被認(rèn)為與極端降水（Zhang et al.，2021）以及夏季風(fēng)的爆發(fā)相關(guān)聯(lián)（Wang et al.，2018），因此這里進(jìn)一步對(duì)比了觀測(cè)（JRA-55）和模式提前4候預(yù)測(cè)的1983—2021年夏季強(qiáng)BSISO1不同位相合成的降水季節(jié)內(nèi)異常（圖9）。在觀測(cè)中，位相1和5時(shí)，我國(guó)東部降水異常呈現(xiàn)南北偶極子型，在位相1時(shí)為南多北少（圖9a），而在位相5時(shí)則為南少北多（圖9i）。位相2、3、4都分別對(duì)應(yīng)著我國(guó)南方地區(qū)降水異常偏多，其中異常的中心位于長(zhǎng)江中下游，容易引起該地區(qū)洪澇（圖9b—d），而位相6、7、8則對(duì)應(yīng)著南方地區(qū)降水異常偏少，其中位相6、7時(shí)異常較大，容易引發(fā)干旱（圖9j—l）。NUIST CFS1.1 Pro可以一定程度上復(fù)現(xiàn)這些降水異常的正負(fù)以及所在位置，尤其是對(duì)位相2、3、4的降水異常偏多形態(tài)有不錯(cuò)的預(yù)測(cè)效果，但強(qiáng)度較觀測(cè)偏弱很多（圖9f—h）。同樣地，位相6、7時(shí)，南方的干旱形勢(shì)也能被模式預(yù)測(cè)出來(lái)，但強(qiáng)度也偏弱（圖9n、o）。這些觀測(cè)和預(yù)測(cè)中的降水異常可能和BSISO1中西北太平洋對(duì)流異常造成的環(huán)流異常有關(guān)，在位相2、3、4時(shí)，我國(guó)位于BSISO相關(guān)的西北太平洋反氣旋性異常的西側(cè)（圖7b—d），因而南方地區(qū)為西南風(fēng)異常，通過(guò)輸送水汽可引起多雨;反過(guò)來(lái)，在位相6、7、8時(shí)，西北太平洋為氣旋性異常（圖7f、g），我國(guó)南方地區(qū)為東北風(fēng)異常，不利于水汽輸送從而導(dǎo)致少雨。NUIST CFS1.1 Pro能較好地預(yù)測(cè)出這些反氣旋、氣旋異常，尤其在位相2、3和6、7的時(shí)候（圖7j、k、n、o），因此它對(duì)我國(guó)東部季節(jié)內(nèi)旱澇形勢(shì)可以做出不錯(cuò)的預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論與討論

本研究在包含18個(gè)集合成員的南京信息工程大學(xué)次季節(jié)預(yù)測(cè)系統(tǒng)NUIST CFS1.1基礎(chǔ)上，調(diào)整了集合方案并增加了起報(bào)頻次，從而重構(gòu)了一套9成員的集合預(yù)測(cè)系統(tǒng)NUIST CFS1.1 Pro，以實(shí)現(xiàn)更高性能、更小計(jì)算資源消耗和加密的預(yù)測(cè)信息發(fā)布。為評(píng)估其對(duì)熱帶多個(gè)ISO信號(hào)的技巧，我們基于NOAA的OLR資料和與大氣同化數(shù)據(jù)同源的JRA-55風(fēng)場(chǎng)資料，參照Wheeler and Hendon（2004）和Lee et al.（2013）的多變量EOF方法，計(jì)算了熱帶的幾類(lèi)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩MJO、BSISO1和BSISO2的指數(shù)，從而進(jìn)一步評(píng)估了NUIST CFS1.1 Pro對(duì)這些ISO信號(hào)及其對(duì)我國(guó)氣溫降水影響的預(yù)測(cè)能力，得到以下主要結(jié)論：

1）NUIST CFS1.1 Pro對(duì)冬夏季熱帶東傳的MJO都有著不錯(cuò)的預(yù)測(cè)技巧，均能提前約26 d有效預(yù)測(cè);相比之下，對(duì)夏季北傳和西北傳的BSISO1的預(yù)測(cè)難度更大，有效預(yù)測(cè)可以維持17 d;而對(duì)BSISO2，由于其本身的周期較短，僅可以提前12 d左右有效預(yù)測(cè)。這些技巧對(duì)比國(guó)內(nèi)其他最新的次季節(jié)動(dòng)力模式有一定的優(yōu)勢(shì)，而與國(guó)際上8個(gè)主要的S2S動(dòng)力模型一起評(píng)比發(fā)現(xiàn)，該預(yù)測(cè)系統(tǒng)在預(yù)測(cè)冬季MJO和夏季BSISO1落后于ECMWF模式，但領(lǐng)先于其他多數(shù)模式，對(duì)BSISO2的預(yù)測(cè)水平則處于中等水平。

2）預(yù)測(cè)技巧受振幅的影響較大，強(qiáng)弱事件的預(yù)測(cè)差異較大，NUIST CFS1.1 Pro對(duì)強(qiáng)的冬季MJO、夏季BSISO1和BSISO2的有效預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)能分別延長(zhǎng)到30 d、21 d和13 d。進(jìn)一步對(duì)強(qiáng)的事件分位相1—8進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，對(duì)冬季MJO和夏季BSISO1的位相2、3、6、7的技巧高于其他位相，其中對(duì)冬季強(qiáng)MJO位相3的有效預(yù)測(cè)能達(dá)到37 d，對(duì)強(qiáng)BSISO1位相7的預(yù)測(cè)能接近30 d。

3）在冬季，NUIST CFS1.1 Pro能提前5候準(zhǔn)確預(yù)測(cè)MJO的東傳特征，且能在一定程度上預(yù)測(cè)出MJO的不同位相對(duì)我國(guó)氣溫的影響;相比之下，對(duì)位相2、3時(shí)我國(guó)冷異常的預(yù)測(cè)比對(duì)位相6、7時(shí)我國(guó)暖異常的效果更佳。在夏季，模式能提前4候較大程度上預(yù)測(cè)出BSISO1在印度洋的北傳和西北太平洋的西北傳，特別是對(duì)西北太平洋上對(duì)流和低層氣旋反氣旋式環(huán)流異常的預(yù)測(cè)效果較好，因而能相對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出我國(guó)東部降水異常的主要形勢(shì)。

綜上所述，NUIST CFS1.1 Pro具備了對(duì)不同季節(jié)的多個(gè)熱帶ISO信號(hào)可觀的預(yù)測(cè)能力，且能在延伸期尺度（2周以上）復(fù)現(xiàn)這些ISO的演變特征及對(duì)我國(guó)氣溫降水的影響，可為我國(guó)次季節(jié)預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的參考信息。然而，其不足之處在于，模式對(duì)這些ISO信號(hào)及其造成的我國(guó)氣溫降水異常的振幅預(yù)測(cè)偏弱，且對(duì)一些區(qū)域遙相關(guān)響應(yīng)的預(yù)測(cè)容易出現(xiàn)符號(hào)相反的情況，且異常中心相對(duì)觀測(cè)有偏移。這些急需進(jìn)一步完善NUIST CFS1.1 Pro對(duì)熱帶-中高緯相互作用過(guò)程的復(fù)現(xiàn)能力。

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