冬季風可預報度

之前看的研究, 有些說東亞冬季風受厄爾尼諾影響, 有些則指出它和一些遙相關或振動形態有關.

從預報實務角度看, 即使當中關係完美, 例如冬季風和同時間的 Nino 3.4 SST 相關系數 1.0, 但假若我們預測不到 Nino 3.4 SST 的變化, 還是預測不到冬季風. 我們常聽說某氣象要素的可預報度(predictability)問題, 或許就可分為兩方面. 一, 該氣象要素是否受到某些較強天氣/氣候系統支配. 例如, 若冬季風主要受 ENSO 影響, 則問題會變得相對簡單, 氣象燥音的影響會變得很小. 二, ENSO 本身的預報能力.

網上找到一個 "leading modes of east asian winter monsoon variability and their predictability", 就是從這兩方面去考慮.

首先要看看模式和觀測到的 EOF 模態是否相像, 而它們又和西伯利亞高壓有多大關係. 結果顯示, 首兩個模態分別像 AO 和 EU, 而模式和觀測到的都有較高相關(下圖). 這顯示模式的預報為真實(realistic).


realistic 的意思和準確不同. 模式要準確, 就要連各模態的位相也能模擬出來. 按照下圖, 某些模式對於第一模態有一定預報能力(通過統計試驗), 但就完全無法模擬到第二模態(即 EU)的位相.

由於西伯利亞高壓和首兩模態的相關不算特別高(predictability 第一點), 而模式對模態的預報能力亦不高(predictability 第二點), 總括而言, 目前以氣候模式預報東亞冬季風強度還是不太可靠.

熱帶氣旋ACE

回地台: 數據造假機會應較低, 而且容易連自己也騙了. 最佳方法還是選擇性發放或演繹資料. 這樣頂多說成是疏忽, 較難"入罪". 我相信全球大多數地方(包括台, 港, 中, 美等)都會用這個方法.

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為了篤數關係只講 ACE (accumulated cyclone energy). 為何要討論 ACE? 熱帶氣旋可大可小, 可強可弱, 影響的時間亦不同, 單以個數為單位不足夠. 舉例來說, 一個颱風的影響可能比兩個熱帶風暴大, 而一個維持二十天的 cat 1 亦可能遠比只維持幾天的 cat 2 大.

從物理出發, 自然會想到用風的動能做單位. 從維基百科抄了 ACE 的公式:

v 為某熱帶氣旋某時刻的最高風速(knots). Summation sign 是將整季, 即各時次(每六小時的資料)和各熱帶氣旋的 v^2 加起來. ACE 即整個風季的熱帶氣旋能量單位.

近年關於氣候暖化和季預報等颱風研究都包括了 ACE. ACE 的出現率已逐漸和個數看齊.

IRI熱帶氣旋

由於要交數關係, 風季未到仍找了一篇關於熱帶氣旋季預報的文章和大家分享.

未解讀該文之前先看看近年有哪些地方發佈熱帶氣旋季預報. 從 WMO 08 年的網上資源抄了一張圖出來:



發佈熱帶氣旋預報的當然不單只以上機構, 以上只是 WMO 準備設立網站時包括的預測. 從上表可以看到, IRI 和 ECMWF 由於都是用數值模式, 它們的預測可包括全球各區域. 但目前主流的還是經驗統計方法, 以數值模式來預測風季的颱風活動還在測試階段.

今日看的是去年 4 月發表的 "Experimental Dynamical Seasonal Forecasts of tropical cyclone actitivity at IRI". 自 03 年開始, IRI 採用 ECHAM4.5 大氣模式來預測全球的熱帶氣旋活動. 注意 IRI 的熱帶氣旋預報只用了一個模式(其他氣候預測都用多模式).

像日常溫度預測一樣, 模擬結果需要修正. 先將 71-00 年模擬的熱帶氣旋個數(NTC) 和 ACE (請看另文) 分為三個等級(偏低, 正常, 偏高). 以不同海表溫度運轉 ECHAM4.5, 就可求得各等級的概率.

上圖為文中圖四. 可看到目前預報水平不太高. 第一行(FSST) 為預測, 因為個例不多所以必然過不到統計檢驗(沒有加 Bold). 要注意的是 OSST/OSSTr, 那是以觀測海表溫度作出的預測, 應可表示目前這個預測方法的最大潛力. 在西北太平洋過不到統計檢驗不用說, 即使在最"容易"預報的大西洋, 相關系數也只是 0.4/0.55, 與準確尚有一段距離.

歐中/日韓等地應亦有動力熱帶氣旋預報, 它們的水平怎麼樣, 現在不用急著看.

EURASIA

寒潮報告: 可能天氣較冷關係, 最近實在感到乏力. 13 日早上京士柏最低溫約 9.2 度, 總的來說兩天低溫預報在合理水平. 下一波寒潮會在 21 日到達, 暫時未肯定其強度.
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11 日有關冬季風和一些指數的關系, 指出 EU (Eurasian pattern) 和西伯利亞高壓強度相關比 AO 高很多. 按照該文的結果, 估計 AO 與華南冬季風強度相關更低.

EU 到底是甚麼? 先到美方網站翻查相關資料和最近數據, 看到一個 polar eurasian pattern, 還有另外(共十個)一些北半球的遙相關形態. 網站簡介內指出, 該形態為北極地區及華北/蒙古地區高度場的負相關, 正位相時西伯利亞東部偏暖而中國東部偏冷.

由於美方網站上的圖看得很不清楚, 又由於名字上不完全相同, 所以找了一篇可能是 EU "源頭"的文章: teleconnections in the geopotential height field during the northern hemisphere winter.

根據該文, EU 為 500 高度場的相關形態. 文中定義 EU 指數後, 顯示當 EU 位相為正時, 地面圖上西伯利亞高壓偏強, 就和 WA (western atlantic pattern) 正位相時相似. 11 日引用的文章到底是採用了哪個 "EU" 的定義呢? 剛看到該文的 acknowledgment, 有 john wallace 的名字, 似乎較大機會用了 EU "源頭文章"內的定義.


http://www.cpc.noaa.gov/data/teledoc/poleur_tmap.shtml

歐中模式的回信

剛留意到歐中剛回覆了關於 00 Z 和 12 Z 是否不同的詢問. 內容應不涉及敏感話題或私穩, 故原文貼出來:

Dear Martin Wong,

Thank you for your enquiry regarding a possible difference between the 00Z and 12Z medium range weather forecasts from ECMWF. There is no difference between the forecast models used for the 00Z and 12Z forecasts but they differ in the input data used to define the initial condition. The forecast verifications show that the forecasts differ a bit, but we are not aware of any major systematic differences. Please advice us if you have observed any systematic differences in the Southeast Asia region.

Kind regards,
Erland Källén
Head of Research at ECMWF


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如之前所料, 00 和 12 Z 應是同一個模式. 據以上回覆, 它們是採用不同的輸入. 這裏不太明白所指為何, 因不同時次自然是有不同的輸入. 不過, 最重要的是 00 和 12 Z 所採用的模式完全沒有分別, 而他/她們 verification 亦沒有發現結果有很大出入. 加上之前"迴圈分析"一文亦討論過輸入資料還是應該一報一報向後傳(00 傳到 12; 12 傳到 00)的, 所以問題應不大, 不會再跟進.

冬季風最新消息

寒潮快報: 今日淩晨一直監視跌溫情況. 京士柏氣溫平均每三小時跌一度, 清晨時份最低 9.4, 昨天 GFS 剛好及格. 預測比實況低近 1 度, 其中一個可能是昨晚季風還在加強中. 今日 GFS 仍預測明早京士柏最低 8-9 度, 但情況和昨晚有點不一樣. 季風仍未減退(如目前大老山仍吹清勁偏北風), 晚上 10 時半京士柏 11.2 度, 比昨晚同時間低 0.8 度. 即使冷平流稍弱, 較干的情況可導致比今早更明顯的幅冷. 總括而言應比今早更大機會到達準確水平(9.0 度或更低).
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AO與東北季風

寒潮快報: GFS 一直都預測京士柏低溫 8-9 度, 要及格至少要 9.5 度左右. 目前京士柏才剛跌低於 12 度, 要"達標"是有點難度, 因遠至廣州 10 時仍為 10.3 度, 而且跌得不急. 晚上天氣已轉為乾燥雲量大減, 離日出還有約 8 小時, 應仍有一點機會.

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雖說 AO 未必是真實(或有物理意義)的振盪, 相關研究還是可取的. 早幾天看了一篇關於 AO 和東亞冬季風的研究, 題為 "east asian winter monsoon and arctic oscillation".

最近沒 mood 花時間做功課, 所以只簡短說說結果. 昨者先定義兩個冬季風的量度, 分別為西伯利亞高壓強度和觀測站的溫度(文中圖一)

之後做了一些相關. 西伯利亞高壓和站點溫度相關系數(51-99 年資料)為 -0.62, 不算太高; AO 和西伯利亞高壓強度有顯著相關, 相關系數 -0.48; 和站點相關系數 0.34.

除了 AO 外, 還研究了 EU (Eurasian pattern) 和 WP(western pacific pattern) 對冬季風的影響. 結果顯示前兩者對冬季風影響, AO 可解釋西伯利亞高壓 13% 的變化, EU 則為 36% (文中圖 7).

注意的是相關研究應還不少, 要更深入探討還是大有空間. 另有關這些 teleconnections/oscillations 較後會逐一介紹.