地球科学进展

地球科学进展, 2020, 35(12): 1222-1231 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.108

综述与评述

热带季节内振荡在延伸期预报中的应用进展

梅双丽,, 李勇,, 马杰

国家气象中心，北京 100081

Review of the Application of MJO in the Extended Range Forecast

Mei Shuangli,, Li Yong,, Ma Jie

National Meteorological Centre，Beijing 100081，China

通讯作者: 李勇（1980-），男，陕西富平人，教授级高级工程师，主要从事中长期天气预报技术研究. E-mail：liy@cma.gov.cn

收稿日期: 2020-10-10   修回日期: 2020-11-15   网络出版日期: 2021-02-09

基金资助: 中国气象局气象预报业务关键技术发展专项“气象要素和重要天气过程延伸期预报关键技术”.  YBGJXM（2020）04
国家科技支撑计划项目“10~20天延伸期天气预报技术研究”.  2015BAC03B06

Corresponding authors: Li Yong (1980-), male, Fuping Country, Shanxi Province,Professor-level senior engineer. Research areas include medium and extended range forecast research. E-mail:liy@cma.gov.cn

Received: 2020-10-10   Revised: 2020-11-15   Online: 2021-02-09

作者简介 About authors

梅双丽（1982-），女，黑龙江绥化人，工程师，主要从事中长期天气预报技术研究.E-mail：meisl@cma.gov.cn

MeiShuangli(1982-),female,SuihuaCity,HeilongjiangProvince,Engineer.Researchareasincludemediumandextendedrangeforecastresearch.E-mail:meisl@cma.gov.cn

摘要

热带季节内振荡是延伸期预报的主要来源，基于热带季节内振荡的延伸期预报研究对业务预报具有重要意义。系统回顾了近几年热带季节内振荡在延伸期降水、温度及其极端事件、台风和季风等方面的预报应用中的最新成果以及热带季节内振荡在主要预报业务中心的应用现状，总结了热带季节内振荡在延伸期预报应用中具有的一定理论支撑；最后分析了热带季节内振荡在延伸期预报应用中面临的预报对象的确立、当前动力模式的模拟、与气象要素的物理联系及影响预报的检验等方面的技术难点，并指出了热带季节内振荡影响预报在集合预报和多模式集成及加强多种季节内振荡对天气影响的研究等方面的未来发展趋势。

关键词： 热带季节内振荡 ; 延伸期预报 ; 降水 ; 业务应用

Abstract

Tropical intraseasonal oscillation （MJO） is the main source of the extended range forecast. The research of the extended range forecast based on MJO is of great significance for the operational forecast. In this paper， the latest achievements of MJO in the prediction of precipitation， temperature and their extreme events， typhoon and monsoon in the extended range and the operational status of major prediction centers in which MJO is used for real-time monitoring and prediction were reviewed systematically. The theoretical support of MJO in the prediction of the extended range was summarized. Finally， the technical difficulties of MJO in the application of the extended range forecast， such as the establishment of forecast objects， the simulation of MJO by the current dynamic model， the physical connection between MJO and meteorological elements， and the evaluation of MJO's influence forecasting were analyzed， and the future development trends of MJO influence forecast in the ensemble forecast， multi-mode integration and strengthening the research on the influence of multiple seasonal oscillations on the weather were also pointed out.

Keywords： MJO ; Extended range forecast ; Precipitation ; Operational application

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梅双丽, 李勇, 马杰. 热带季节内振荡在延伸期预报中的应用进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(12): 1222-1231 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.108

Mei Shuangli, Li Yong, Ma Jie. Review of the Application of MJO in the Extended Range Forecast. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(12): 1222-1231 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.108

1 引 言

近年来全球气象灾害天气事件频发，例如，据国家气候中心统计，2016年“Boss级”寒潮来袭，强冷空气自北向南影响我国大部分地区，广州出现建国以来首场降雪，造成了广东、江苏和浙江等13省（区、市）254.3万人受灾，直接经济损失12.4亿元；2017年台风“天鸽”和“帕卡”先后在广东珠海和台山登陆，造成245.9万人受灾，32人死亡失踪，直接经济损失289.1亿元；同年，印度、尼泊尔和孟加拉国等南亚国家遭遇了特大洪水，造成800多人死亡，超过2 400万人受灾；2019年秋冬季澳大利亚持续高温加剧了森林火灾，造成至少29人死亡，烧毁约1 030万hm2土地，10亿只动物丧生。引起上述这些气象灾害的天气过程通常与大气环流系统的异常程度有关，对这些持续性异常、高影响的灾害事件的分析和预测是当前国际气象学界的重大挑战，也是社会服务领域的重大需求，被列为国际次季节至季节尺度（Subseasonal-to-Seasonal，S2S）计划的核心研究目标之一。

10~30天的延伸期预报，作为10天以内的中短期天气预报和月尺度以上短期气候预测的有效链接，已成为国际天气—气候无缝隙预报业务体系建设的一个重要方向［1］（图1）。延伸期预报主要包括10~30天的天气趋势（转折与持续异常）预报和重要灾害性天气过程（包含极端、高影响性）预报。延伸期预报是国际大气科学研究的难点，其预报时效超越了确定性预报的理论上限（2周左右）［2］，而预报对象的时间尺度又小于气候预测的月时间尺度。

图1

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图1   天气—气候无缝隙预报示意图[1]

Fig.1   Schematic diagram of the weather-climate seamless forecast[1]


延伸期预报作为次季节时间尺度预报的重要组成部分，有多种重要的潜在可预报性来源，例如热带大气季节内振荡（Madden-Julian Oscillation，MJO）、平流层初始条件、陆面的土壤湿度/冰/雪的初始条件以及海表面温度等，在这些潜在的S2S可预报性来源中，MJO被认为是预测全球次季节时间尺度的主要来源［1，3］。它是全球热带天气变率的一个重要模态，典型周期为10~90天［4~6］。本文中的MJO泛指热带地区的季节内振荡，包含夏季的季节内振荡（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation，BSISO）和10~30天准双周振荡（Quasi-Biweekly Oscillation，QBWO）。

MJO的特征为延伸期预报提供了理论可行性［7~9］。MJO对热带外天气有滞后影响［10，11］，MJO某种位相后的降水通常会低于/高于气候降水型，MJO对降水起作用的时间滞差为有技巧延伸期预报提供潜在价值［12］。当前比较先进的预测系统，利用Wheeler等［13］发展的实时多变量MJO（Real-time Multivariate MJO，RMM）指数代表MJO，可预报性达6~7周［14~19］，S2S业务模式对MJO的预测技巧达到12~36天［20］。在统计预报方面，近年来发展的时空投影（Spatial-Temporal Projection Method，STPM）模型［21，22］对RMM实时预测比以往的统计模型［23，24］具有更高的预测能力，MJO传播期间在15天及更长预报时效上，具有与最先进的实时运行模式相当的技巧。MJO及其遥相关的预报技巧达到了20天以上的有用预测范围［25，26］。丁一汇等［27］也指出基于MJO的潜在可预报性对高空环流场可以达到30天［25~27］，但对降水而言只可达15天［27］。吴捷等［28］发现在10~20天时效上对MJO高影响区低频降水异常的预报技巧高于模式的直接预报，特别是在MJO活跃时期对降水预报技巧的提升更加明显，这为MJO信号释用提供了新思路。

近年来，由于公众、政府部分以及各行业对延伸期时段预报信息的迫切需求，MJO实时及影响预报对延伸期预报越来越重要。本文回顾了MJO在业务应用中的研究进展，对目前MJO应用于延伸期预报的主要预报中心的业务现状进行分析，提出了MJO在延伸期预报应用中面临的问题，并就未来发展趋势进行了展望。

2 MJO应用于延伸期预报的研究进展

2.1 MJO在延伸期降水预报中的应用

MJO对全球各大洲的降水及其极端事件都有显著影响［29］，降水发生在对流活跃位相的频率显著高于受抑制位相［30，31］。MJO的移动和所处位相对我国夏冬季长江流域和华南地区降水［32~36］、西南地区降水［37］有很重要的影响，它们之间的关系对降水的预报和短期气候预测具有重大意义。

基于MJO对降水的作用，开展了很多MJO在延伸期降水预报中的应用研究，Waliser等［38］发展了一个统计模型，利用MJO的缓慢演变来预测延伸期热带降雨变率。Hsu等［21］提出了一套时空投影（Spatial-Temporal Projection，STP）模型预报福建低频夏季降水，预报大约提前20天。Li等［39］把时空投影法延伸到预报华南春季降水，预报提前30天。马悦等［40］建立了基于STPM的上海梅汛期降水延伸期预报模型，在其梅汛期延伸期降水预报中具有较好的参考价值。此外，林爱兰等［41］研究了大气季节内振荡（Intraseasonal Oscillation，ISO）对华南降水的影响并建立了基于ISO的降水延伸期定量预测模型。关于MJO对我国极端降水影响的研究主要采用概率预报方法，Xavier等［42］评估了东南亚极端降水概率可预测性，指出基于MJO获取中期预报时效的极端降水的概率信息是可行的。Ren等［43］揭示气候预测系统（Climate Forecast System version 2.0，CFSv2）能捕获和预报MJO对极端降水的调制，提出了基于RMM指数的中国南方极端降水概率预报的可行性。另外，基于实时北半球夏季季节内振荡BSISO指数的华南极端降水的监测和概率预报也有很大可能性［44，45］。

对于我国夏季降水次季节变率的预报技巧，北京气候中心气候系统模式（Beijing Climate Center Climate System Model version 1.2，BCC_CSM1.2）有效预测是2候（10 d），CFSv2模式是3候（15 d）［46］。不同S2S模式对南亚和东南亚地区夏季风降水的预测能力存在显著差异，从2天到2周不等［47］。研究者利用S2S模式对美国西海岸降水评估表明，在第二周之后，预测的结果通常具有很低的预报技巧。一些S2S模式在活跃的MJO条件下表现出增强的延伸期预测技巧［48］。

2.2 MJO在延伸期温度预报中的应用

MJO对热带和热带外一些地区温度及其极端冷暖事件发生有显著调制作用［49］。北美暖温度异常、中非和南美北部等地的热带地区极端冷暖事件频率的变化、2013年3月西欧强冷空气和2008年东南亚极端冷异常都与MJO事件有关［49~52］。张伟等［53］统计了MJO位于各位相时中国各区域发生持续低温事件的概率并分析了其机制。

基于MJO与温度的关系，MJO对冷暖事件预测研究受到越来越多的关注，Zhou等［54］通过分析流函数异常反映MJO，能够提前至少2周预测美国冷暖干湿极端事件。Johnson等［55］采用基于北美温度和MJO与ENSO之间统计关系的预报方法，得到冬季温度预报的潜在技巧为提前1~6周。He等［56］发现热带MJO对流活动前2个模态对中国冬季干（冷）和暖（湿）异常天气有2候左右的预报时效，并提出了利用MJO制作东亚冬季延伸期预报系统的方案。另外，利用STPM方法，可以提前15天预测中国大部地区超过30%的热浪，STPM在中国夏季地面温度和热浪的延伸期预报方面显示出可观的技巧［57］。针对局地极端冷日的预报，STPM可在除中国东南部和青藏高原外的大部分地区至少提前15天命中率达到30%以上［58］。模式中MJO及大气对MJO响应的真实表现对极端温度事件的可靠早期预警信息非常重要，相比于同一区域不活跃位相，活跃位相后的极端事件的预报技巧趋于更好［49］。

对于我国夏季温度次季节变率的预报技巧，BCC_CSM1.2模式有效预测期限是3候（15 d），CFSv2模式是4候（20 d）［46，59］。Hsu等［60］评估东亚地区2家［中国气象局（China Meteorological Administration，CMA）和日本气象厅（Japan Meteorological Agency，JMA）］参加世界气象组织S2S预报计划的预报数据发现，当模式能对MJO强度和对流位置预报正确时，对于东北亚的热浪事件预报技巧也较高。根据Lin［61］和Vitart等［62］的研究结果，MJO在温带极端高温的次季节预测中起着关键作用。

2.3 MJO在延伸期台风预报中的应用

MJO对全球的台风活动有调制作用，MJO处于对流活跃位相或活跃位相通过时有利于热带气旋（Tropical Cyclone，TC）形成、频数增多和增强［63~65］，并且TC增强区域随着MJO东传而东移［9］；对流抑制位相会导致TC活动减少［66，67］。这种调制存在遥相关影响［68，69］，如印度洋MJO对流加强时，北大西洋上TC活动增加［70］，迅速增强的可能性也增加［71］。

基于以上对MJO和TC联系的认识，Leroy等［72］发现MJO近赤道对流异常的南部和西部TC活动聚集并制作了南半球TC季节内统计预报。法国气象局应用包含MJO指数的5个因子开展了以南半球为主的逐周台风活动延伸期预报，结果表明台风活动的预报技巧最大可达3周，并且在2007—2008年夏季南印度洋地区生成台风的实时预测中，大多数台风的实况生成时间与预测的台风生成概率峰值时段相对应。近年来，Qian等［73］开发了一种动力统计结合模式，能够提前25天对北太平洋西部TC频率进行预测，比单独基于统计或动力模型的预测更有优势。Zhou等［74］研究发现成功预测QBWO后，TC强度在延伸期（10~30天）有潜在可预测性。Zhu等［75］运用多种STPM方法开展热带气旋聚集事件的延伸期预报，通过融合来自季节内变化的2种主要模态（如10~30天和30~80天），可以实现提前30天获得有用预测技巧预报。STPM提前10天（20天）对2003—2014年54个TC聚集事件的预报达到了80%（69%）的命中率，这对西北太平洋上热带气旋聚集事件延伸期预报有实用价值。

对于模式对次季节TC预报的评估，Lee等［76，77］讨论了TC生成、发生和累积气旋能量（Accumulated Cyclone Energy，ACE）在6个S2S模式中的表现，其中，来自欧洲中期天气预报（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECWMF）的模式是最有技巧的集合预报系统，来自澳大利亚气象局（Bureau of Meteorology Australia，BoM）的模式表现次之。对于所有模式和提前时效，模式的技巧评分与其准确表示MJO和MJO-TC关系的能力之间存在很大关系［76］。

2.4 MJO在延伸期季风预报中的应用

MJO对季风活动有很重要的调制作用。李汀等［78］研究热带印度洋MJO对南海夏季风ISO的影响表明，在南海夏季风ISO强年，夏季共有3次较强的ISO波动，前2次均来自于热带印度洋。周群等［79］揭示了随着MJO从西印度洋进入西太平洋，南海冬季风出现阶段性的间断和活跃。Goswami等［80］发现印度夏季风由活跃（中断）转为中断（活跃）状态的可预报性达20天（10天），在此基础上提出了印度季风季节内振荡延伸期预报的经验统计模型。Dwivedi等［81］利用Lorenz模型预测季风中断的持续时间，发现活跃期的峰值异常可以作为随后间断期持续时间的一个预报因子，提前间断开始时间为23天（结束时间38天）。这些研究结果为利用MJO位相有技巧地实时预报季风间断和活跃状态提供了机遇。

S2S预测系统评估表明，对印度和澳大利亚夏季季风活动/中断期的预测是有限的，提前时间不到3周［82］。S2S模式对季风环流指数包括韦氏—杨指数、印度夏季风指数、南亚夏季风指数和东南亚夏季风指数对相应季风区的预测分别在9~31天、3~17天、7~13天和7~14天有统计学意义［47］。一般来说，S2S模式在预测有利的MJO振荡位相时，对季风的预报更有技巧。

2.5 MJO在延伸期其他方面预报中的应用

MJO对气溶胶的调制作用［83，84］主要通过对大西洋低层纬向风影响，Guo等［85］也表明这些地区的沙尘受到MJO调制的信风和降水异常的影响。气溶胶对空气质量和人类健康产生严重影响，空气质量有技巧的延伸期预报将会带来巨大的社会经济效益。

MJO对重大洪水事件产生影响，例如1998年夏中国东部的一系列严重洪水［86］、2002年4月阿富汗洪水［87］、2006—2007年马来西亚半岛南部极端洪水［88］以及2002年、2007年和2008年雅加达历史上最大洪水［89］。虽然单个洪水事件与单个MJO事件的关联有较大的不确定性，但MJO对洪水发生概率的影响具有统计显著性。

MJO对火灾的可能影响来自于它对降雨的调制，从而有助于防止、延迟或终止火灾。例如MJO对海洋大陆火灾的影响，干季（6~11月）火灾最多（最少）发生在MJO干旱（多雨）阶段，其火灾比率可高达10。在湿季（12月至次年5月），MJO降雨之后，由于燃烧的材料需要更长的时间才能干燥，火灾活动会更加延迟［90］。

3 MJO应用于延伸期预报的业务现状

在国外，美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）建立了MJO监测预测、评估和MJO影响预报一体化业务体系，MJO监测主要基于RMM指数、OLR、纬向风和速度势等时空分布来进行；预测采用经验统计模式 （包括组合相似法CA、自回归模型ARM、滞后线性回归PCL、经验位相传播EWP）和动力模式（全球集合预报系统GEFS、全球预报系统GFS/NCEP、气候预报系统CFS）来进行MJO实时业务预报。CPC除开展8~14天逐日温度降水概率预报及历史回算订正产品、灾害预估和极端预报指数（Extreme Forecast Index，EFI）等产品外，也开展3~4周预报业务，S2S计划中MJO的相关研究将为其提供技术支撑［91］。澳大利亚气象局（Australian Bureau of Meteorology，ABOM）提供周降水、最低/高温超过中位数阈值概率产品，将RMM指数作为MJO实时监测与诊断工具，采用统计模型和动力模式进行MJO的实时预测。利用MJO各位相澳大利亚降雨可能性与850 hPa风场和ORL的历史统计关系，在ABOM热带气候周报中给出MJO影响预报［92］，同时对南半球未来1~3周热带气旋生成频数进行预测。

在我国气象部门内，国家气象中心（National Meteorological Center，NMC）从2002年起开展了延伸期预报的探索，于2005年开始业务化延伸期预报业务，主要制作10~20天降水和温度趋势预报，并预测相应旬的主要天气过程。MJO预报构建完成了整体框架体系，包括MJO每日最新监测、统计预测和动力预测方法得到的实时预测产品、MJO各位相与中国各月天气（日降雨量、雨日概率和日气温距平）气候统计结果等。国家气候中心（National Climatic Center，NCC）建立了基于IMPRESS1.0的MJO监测预测一体化业务［93，94］。把RMM指数作为监测指标，采用滞后线性回归和自回归模型，利用NCEP、Grapes和FY3C等观测资料、不同动力模式输出和经验统计预测数据，监测RMM指数空间位相和RMM指数振幅时间序列，MJO影响预报包括MJO降尺度模式输出的实时未来6候的候平均温度和降水异常产品（https：//cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_mjo_impress.php？product=IMP），并且建立了相应的评估业务。各省市气象部门，如上海市气候中心、福建气候中心和广州中心气象台，根据所关心地区强降水过程与低频环流系统的关系，积极开展10~30天降水温度等天气过程和趋势预报，并投入汛期预报业务应用，在江淮梅雨延伸期预报和台风及其降水延伸期实时业务预报中取得了良好的预报服务效果［95］。

可见，当前MJO在延伸期降水、温度和台风方面的预报应用广泛，但还需要进一步加强适用性研究。在极端天气（如极端降水、寒潮和高温热浪）、季风爆发、环境以及灾害评估等方面也需要拓展，建立相关业务，提供延伸期时段的相关信息。

4 MJO应用于延伸期预报面临的问题

在预报对象方面，目前国内外主流数值预报中心普遍将延伸期逐周平均的气象要素和环流距平作为预报对象，基于MJO影响预报也为MJO位相的要素平均或距平，这在预测结果的针对性和指导意义上存在局限性。而延伸期时段重要天气过程的准确预报是延伸期预报的核心，如何针对其较准确的预报是面临的一个急需解决的问题［96］。

在预报方法方面，当前动力模式对MJO生成关键区及传播等的模拟还存在一定问题，这严重影响着次季节预报的准确性。例如，在研究MJO对北半球中纬度季节内预报时，MJO活跃的3~4位相，相比于MJO准静止个例，多数模式表现出较低延伸期预报技巧［12，97］，这种预报技巧的下降可能归因于多数模式在MJO东传通过海洋大陆时不能很好地代表MJO［98］，这是目前动力延伸预报方法的主要问题。

在预报机理方面，针对MJO等低纬度地区的大气季节内低频振荡已有大量研究工作，然而中高纬度地区低频振荡的活动规律和传播特征以及与我国气象要素之间的联系还缺乏深入研究，如何综合考虑低纬度和中高纬度的低频信息，建立与要素预报的物理联系仍然是难点。

在影响预报评价方面，如何确定MJO影响预报是否准确就要针对预报对象制定兼顾科学性和实用性的检验标准问题。何金海等［99］提出延伸期预报时效与预报精度应该相匹配原则，基于此来探索延伸期预报的评价方法，但这方面的工作仍需加强和攻坚，这也同样是MJO影响预报面临的重要问题。

5 结 语

本文回顾了近几年MJO对天气影响研究及预报应用的最新进展，总结了MJO在延伸期降水、温度、台风和季风等方面的预报应用中存在的理论支撑。基于MJO与降水、温度和TC活动、季风的关系，一些统计模型例如时空投影法、基于MJO/ISO的统计预报方法被建立，来进行相关事件的延伸期预测。分析了MJO在世界主要预报业务中心的应用现状，指出了当前MJO影响预报业务应用中面临的困难，并对MJO在延伸期预报应用中面临的预报对象的确立、当前动力模式对MJO的模拟、MJO与气象要素的物理联系及MJO影响预报的检验等方面的技术难点进行了分析，基于上述关键问题，进一步明确了今后MJO应用于延伸期预报中的方向和重点。

（1）集合预报被认为是解决初值条件误差和模式误差的有效途径，在业务预报中世界各国均在大力发展集合数值预报技术，它不但可以提高确定性预报的效果和可靠性，还可为概率预报提供基础［100］。基于集合预报促进不同预报形式（例如超过阈值的概率）的发展和比较，可丰富MJO影响预报产品发展形式，提供更多延伸期预报信息。

（2）随着动力模式在MJO多尺度结构模拟上的改进和分辨率的进一步提高，在其基础上采用多模式集成方法将成为未来发展趋势。对于一些变量例如降水，多模式集成可以产生更有技巧和更可靠的延伸期预报［101］ （图2）。在预报时效上，逐日天气预报技巧基本限制在两周附近，而很多S2S模式对于MJO有提前2~3周的可观技巧，多模式集成能获得更长时效上较为准确的延伸期预报。

图2

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图2   北半球热带外周平均降水的概率技巧评分[91]

横坐标为预报提前时效，各种颜色线条表示S2S多模式集成、11个模式（MULTI、ecmwf、UKMO、NCEP、CNRM、JMA、CMA、KMA、BoM、ECCC、HMCR、ISAC）的评分，评分时段为2017年6月8日至2018年11月1日

Fig.2   Probability Skill Score of the weekly mean precipitation over the Northern Extratropics[91]

The horizontal axis is the lead time,and various color lines represent the scores of S2S multi-mode integration and 11 modes (MULI，ecmwf,UKMO,NCEP,CNRM,JMA,CMA,KMA，BoM,ECCC,HMCR,ISAC). The scoring period is over the period 8 June 2017 to 1 November 2018


（3）影响机理除了研究MJO时间尺度影响，还需探索不同时间尺度的ISO传播过程对不同时空范围的重要天气过程、事件及异常的影响过程。各种季节内振荡如何影响延伸期天气气候过程的强度、持续性和范围，是值得深入研究的重要问题，可为基于MJO的延伸期预报提供物理动力基础，进一步提高MJO在延伸期预报中的适用性。

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