2018年9月19日
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大气科学学院杨修群教授课题组在季节气候预测研究方面的最新成果被选为AGU研究亮点

我校大气科学学院杨修群教授课题组近期在季节气候预测研究方面取得重要进展,相关成果已发表在期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上。其中, 近日发表的题为“On the relationship between probabilistic and deterministic skills in dynamical seasonal climate prediction”的最新成果被选为美国地球物理学会研究亮点(AGU research spotlight; AGU新闻网站eos.org报道链接)。

季节气候预测旨在预测未来一个或几个季节的气候异常(尤其是旱涝)状况,其准确率对政府针对可能的气象灾害做出合理决策至关重要。然而,由于气候系统的高度复杂性,准确的气候预测仍然是世界性难题。经过长期努力,基于复杂气候数值模式的动力预测已成为世界各国季节气候预测业务发展的趋势。评估和理解模式预测能力是动力季节气候预测研究的重要内容,一方面,它能为认识预测对象的内在可预报性提供重要信息,另一方面,它也可为模式和预测系统的改进提供重要反馈。以往的研究多从确定性预报角度来评估预测能力,近来的研究则强调从概率预报角度考察技巧。确定性预报旨在对变量进行“点估计”,而概率预报则旨在估计变量的概率分布。然而,季节气候预测中概率预报技巧与确定性预报技巧是否存在内在关联以及二者的本质区别则是近来引起学术界很大兴趣却没有得到很好回答的重要问题。

杨修群教授课题组针对上述问题开展了系统性研究 (Yang et al.,2016; Yang et al., 2018)。Yang et al.(2016)在评估西北太平洋-东亚夏季风动力季节预测过程中分析了概率预报技巧与确定性预报技巧之间的关系。概率预报技巧可分解成意义不同的两个部分,称为可靠性和分辨力,它们是概率预报技巧的基本属性。可靠性指事件预报概率与实际观测到的发生频率之间的一致程度,而分辨力取决于上述观测频率与事件长期气候概率的偏离程度。作者在区域合计的意义上分别考察了它们与确定性技巧的关系。分析发现,分辨力属性与确定性技巧之间展现了近乎一一对应的关系,而可靠性属性与确定性技巧之间则没有很好的对应关系 (图1)。Yang et al.(2018) 进一步着重从理论角度深入研究了季节气候预测中概率技巧与确定性技巧之关系。该研究基于一些适合季节气候预测问题的简化假设,从数学上严格论证了分辨力属性与确定性技巧之间具有内在的一致性,二者在数学上表现为一个非线性的单调函数关系(图2a)。作者随后详细诊断了多个气候模式全球范围历史预报资料,定量验证了该理论函数关系的正确性(图2a)。诊断分析还表明,可靠性属性与确定性技巧缺乏一致性也是个普遍事实,并不只是存在于季风预测中(图2b)。

上述研究结果表明,季节气候预测中概率预报技巧与确定性技巧之间存在内在关联性,这一关联是由分辨力属性与确定性技巧之间的一致性决定的,概率预报技巧区别于确定性技巧的本质方面在于可靠性属性,这对理解概率季节气候预报技巧具有重要意义。此外,上述研究结果暗示可以通过分辨力属性与确定性技巧之间的理论对应关系而实现彼此之间的互相推断,这无疑将便利季节气候预测研究中各种确定性与概率评估之间的比较。上述结果也暗示了评估动力预测概率可靠性的特别重要性,因为它有潜力揭示出传统的确定性评估所不能揭示的模式和预报系统问题。

以上研究是在中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室和江苏省气候变化协同创新中心平台的支持以及在国家重点研发计划和国家自然科学基金创新研究群体共同资助下完成的。论文第一作者为助理研究员杨德剑博士,通讯作者为杨修群教授。

图1 西北太平洋-东亚夏季风(850hPa纬向风及降水)区域合计的可靠性(REL; 星号)、分辨力(RES; 空心圆圈)、总概率预报技巧(BSS; 空心五角星)对确定性预报技巧(AC)散点图。其中,蓝色代表五个单模式,红色代表多模式集合。黑色曲线代表分辨力与确定性技巧之间的二次多项式拟合关系。图中展示的概率技巧是“Above-normal”和“Below-normal”两个种类事件的平均技巧。

图2全球夏季200hPa位势高度纬圈合计的(a)分辨力及(b)可靠性对确定性预报技巧(AC)散点图。其中,蓝色代表五个单模式,红色代表多模式集合。左边一列展示的概率技巧是“Below-normal”种类事件的技巧,中间一列是“Near-normal”的技巧,右边一列是“Above-normal”的技巧。(a)中品红色曲线代表分辨力与确定性技巧之间的理论函数关系。

论文详细信息:

Yang, D., X.-Q. Yang, D. Ye, X. Sun, J. Fang, C. Chu, et al.(2018), On the relationship between probabilistic and deterministic skills in dynamical seasonal climate prediction, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123, 5261–5283, https://doi.org/10.1029/2017JD028002.

Yang, D., X.-Q. Yang, Q. Xie, Y. Zhang, X. Ren, and Y. Tang (2016), Probabilistic versus deterministic skill in predicting the western North Pacific-East Asian summer monsoon variability with multimodel ensembles, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121, 1079–1103, doi:10.1002/2015JD023781.

(大气科学学院 科学技术处)