中国西北地区具有干旱和半干旱的气候特征，其降水具有显著的年代际变化和长期上升趋势。能够提前一个年代对西北地区夏季降水变化作出准确预测，对政府决策部署、应对气候变化具有十分重要的现实意义。目前年代际预测主要依赖动力模式，然而其对于诸如中国西北地区的陆地降水预测能力仍十分有限。
为了弥补动力模式的不足、提高西北夏季降水的年代际预测技巧，博士生相宇航、李娟教授、朱志伟教授，联合夏威夷大学Bin Wang教授，利用观测诊断和数值模拟的方法揭示了北大西洋偶极型海温异常驱动西北夏季降水年代际变化内部变率的事实及物理机制，进一步利用动力模式对于大西洋海温的捕捉能力构建了动力-统计相结合的中国西北夏季降水年代际预测模型。
研究使用4年滑动平均提取西北区域平均夏季降水的年代际变化（NWCP），并利用CMIP6模式的historical试验和SSP2-4.5试验数据来分离其中的外强迫信号（NWCP-F）和内部变率信号（NWCP-I）。其中，NWCP-I与欧亚大陆上空准正压大气遥相关波列联系密切。该波列自不列颠群岛传播至西北地区北侧，形成蒙古低压气旋异常（图1a–b）。天山山脉附近对应出现低压槽，低层风场的气旋性切变有利于近地面水汽向上输送，从而使西北地区降水增多（图1c）。NWCP-I的下垫面强迫可以追溯至同期北大西洋偶极型海温异常（NAD）、印度洋海温异常（IO）以及类似太平洋年代际涛动海温异常（PDO）（图1d）。然而，经过偏相关分析诊断，剔除NAD的影响后IO和PDO不再与NWCP-I显著相关，而剔除IO或PDO的影响，NAD仍然维持与NWCP-I的显著相关。因此，NAD是独立调控NWCP-I的最主要海温强迫因子。
图1 （a）年代际夏季200 hPa位势高度（填色）、波活动通量（矢量），（b）500 hPa位势高度（填色）、风场（矢量），（c）降水量（填色）、850 hPa与700 hPa平均风场（矢量）回归至NWCP-I，（d）海表温度（填色）与NWCP-I的相关。打点区域表示回归或相关系数通过90%的置信水平。（b–c）中的深色箭头表示通过90%的置信水平。（a–c）中的红色曲线表示中国西北区域。
NAD可能通过激发或增强向下游传播的罗斯贝波继而影响NWCP-I（图2a）。NAD南暖北冷的海温异常分布有利于增强局地大气有效位能，进而通过斜压能量转换过程将平均流大气的有效位能转化为瞬变涡旋动能，最终表现为年代际尺度上增强的瞬变涡旋活动（图2b）。增强的瞬变涡旋活动通过瞬变涡度通量的动力强迫作用，在中高纬北大西洋至不列颠群岛上空形成正位势高度倾向异常（图2c）。该位势高度扰动向下游传播最终形成欧亚大陆上空的准定常大气遥相关波列（图2a）。在ECHAM5模式中给定NAD海温异常强迫的数值试验能够较好地复现NAD驱动NWCP-I的物理机制（图2d–e）。
图2 （a）观测中年代际夏季200 hPa位势高度（填色）、波活动通量（矢量），（b）200 hPa瞬变涡旋活动（填色），（c）瞬变涡旋引起的200 hPa位势高度倾向回归至NAD。（d）ECHAM5数值试验中的200 hPa瞬变涡旋活动（填色）、（e）200 hPa位势高度（填色）、波活动通量（矢量）响应。（a–c）中的打点区域表示回归系数通过90%的置信水平。（b）中的等值线表示观测夏季200 hPa瞬变涡旋活动气候态。（a）、（e）中的红色曲线表示中国西北区域。
动力模式对NWCP基本没有预测能力，而对于NAD有显著的年代际预测技巧。基于NAD与NWCP-I的统计和物理关联，代入CMIP6动力模式预测的NAD并叠加NWCP-F，可以构建动力-统计相结合的NWCP年代际预测模型。首先，将观测的NAD代入预测模型（即“完美”预测），预测模型能够实现NWCP年代际变化较高的潜在可预测性（图3a）。将动力模式预测的NAD代入统计方程构建动力-统计相结合的预测模型，可提前7–10年较好预测NWCP（图3b）。相比之下，动力模式即使提前1–4年也无法有效预测NWCP，且模式间预测技巧差异大（图3b–c）。同时，持续预测技巧也随时效增加迅速下降（图3b–c）。因此，基于NAD和NWCP-I影响关联构建的动力-统计相结合模型对于NWCP具有显著的年代际预测技巧，大幅提高了对中国西北夏季降水的年代际预测能力。
图3 （a）将观测NAD代入预测模型“完美”预测得到的NWCP，圆点的不同颜色对应不同的预测提前期。（b）“完美”预测（红线）、动力-统计结合预测（蓝线）、持续预测（黑线）、动力模式直接预测（绿线）的TCC技巧、动力模式预测技巧的模式间差异（浅绿色阴影），五角星表示TCC通过95%的置信水平。（c）同（b），但为MSSS技巧。
文章信息：
Xiang Y, Li J, Wang B, Zhu Z. Decadal predictability of summer precipitation in Northwestern China originated from the North Atlantic Ocean.npj Climate and Atmospheric Science, 8, 309 (2025). https://doi.org/10.1038/s41612-025-01197-4.
