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第一讲天气预报的可预报性和动力过程丁一汇国家气候中心高等天气学讲座一、数值天气预报的成功是20世纪最重要的科学，技术和社会成就之一。在过去25年，数值天气预报的技巧有明显提高。至少是每十年增加1天。图1.11980—2004年南北半球温带地区数值天气预报预报技巧的演变。ECMWF500hPa高度距平相关系数（ACC）。阴影区是南北半球技巧差（Hollingsworthetal.,2003）。存在两个问题（1）高影响天气预报的准确率需要提高。高影响天气：对社会、经济和环境产生重大影响的天气现象与事件，如对流性和地形降水造成的洪水、暴雨雪、沙尘暴，破坏性地面大风等。也包括高温/冷害、干旱、影响空气质量的气候条件以及具有高度社会和经济影响的非极端天气等。它们一般由包含有中尺度天气的温带和热带气旋等天气系统引起。高影响天气事件的发生是小概率事件，但风险很高，其后果可能是灾难性的。改进高影响天气的预报技巧是21世纪重大科学与社会挑战之一。THORPEX计划的建立即是应对这种挑战。目前已具备五个条件来应对这种挑战：1.对大气可预报性的理论和实际界限的认识在深入，包括年际与季节内气候变率对预报技巧的影响；2.地球系统观测的扩展；3.能够同化各种观测资料的天气预报系统的迅速发展；4.具有先进的预报方法，如数值方法改进，物理过程表述更准确合理，集合天气预报方法应用，超级计算速度和存储猛增等；5.对预报系统设计和实施的创新理念与途径，据此将大大促进天气信息的社会与经济利用。（2）预报时效要进一步从7天扩展到14天，即达到中短期天气预报的极限值。再进一步，与气候预报相衔接，要共同解决2周到几周的天气预报，这是目前无缝隙预报的主要问题。二、数值天气预报的可预报性问题所谓可预报性是指天气预报在时效上的一种上限。这由数值天气预报中的不确定性造成：（1）模式中表征物理过程或计算近似造成的不确定性，也称模式误差，尤其是方程中求解的数值近似与不可分辨（次网格）运动的参数化。由此造成的物理过程与发生在大气中实际的物理过程不一致。（2）预报初值条件的不确定性。由观测的系统和随机误差，时空分布的不均匀性，观测系统对预报模式可分辨的时空尺度的代表性，以及资料同化系统的近似性等造成。简言之，这是由于大气实际的初始状态与用于模式初值之间的差别造成。初始误差随时间增长，3—5天时，误差变成2倍，对于小的误差增长更快。短期天气预报误差的最大贡献是由初始条件不确定性造成。“经典”的可预报性理论的研究是把大气处理成一种不稳定的非线性湍流系统，在这个系统中，任何扰动，不管它是怎样小，最终都会发展到超过系统的确定性变化。除系统的气候状态之外，一切都将被破坏。经典理论最主要内容是估计小误差的增长率。对一些早期模式实验的误差增长率研究发现，剩余均方差误差大约5天增加一倍。但后来又发现，误差增长率与模式的空间分辨率有关，在高分辨时，误差加倍时间减少到3天左右。Lorenz试图从实际大气观测中估计误差增长率，这可避免模式的影响。他估计出小误差的加倍时间约为2.5天。根据湍流理论所做的误差增长率计算大致也是这个量值。增长率的快慢与可预报性密切相关，如果误差增长很快，则可预报性短，如果增长很慢，可预报性就长。用数值模式进行的可预报性研究还清楚地表明，理论预报误差的增长与大气尺度有关。换句话说，可预报性与所预报的运动尺度有密切关系。大尺度运动比较小尺度有更大的可预报性。用正压模式进行的可预报性理论研究表明，20000km波的可预报性几乎比5000km的波大4倍。（3）固有不确定性或剩余不确定性。由不可分辨运动造成，这种运动是独立于预报模式分辨的运动。主要由有限模式分辨率产生。不论谱模式或格点模式，这种由离散网格点代替连续时空的计算方法都会带来一定误差。根据实际资料进行的数值实验得到的有用可预报性为4~5天（预报误差达到气候方差的时候）。另外并得到：（1）在预报开始，误差增长要快得多；（2）对某些模式，超长波的可预报性比较小尺度的波动小；（3）所有数值模式都产生系统误差，且具有特征的地理分布；（4）每天、每段时间的可预报性变化都很大。分析表明，预报开始的时候，误差的迅速增长最可能由初始状态规定的不确定引起，尤其是位相误差可引起初始误差很快的增长。如果模式的水平和垂直分辨率不足或物理参数化模式过于简化，则超长波的误差增长率较高。但一般复杂的预报模式对超长波预报得较好，如欧洲中期天气预报中心的模式，报超长波比中间尺度的波要好。系统误差与长波误差有关。因为大尺度长波具有特征的大尺度地理分布，故大尺度系统误差反映了长波系统的预报误差，这些误差在冬季最明显，其共同特征是在大西洋西部预报的高度值偏高，而东大西洋地区偏低。太平洋地区有类似的误差分析。可预报性随时间有很大的变化。根据欧洲中期天气预报中心高分辨全球格点模式7次计算表明，可预报性从不到5天到8天以上。在有些天，所有预报都不好，而另些天，都不错。可预报性这种随时间变化的原因还不清楚。三、集合预报解决初值条件误差和模式误差的途径是使用集合天气预报系统（EPS），以此估计可能预报结果发生的概率。EPS是由略微不同的初值或不同模式作出个别预报（预报成员）的集合。集合平均代表EPS确定性的预报结果，各成员对集合平均的散布或标准差，代表EPS的不确定性，一般认为由内部变率造成。任一地点和任一变量的EPS不确定性可由概率密度函数（PDF）表征。它是由不同集合成员构成的一种频率分布。图1.2ECMWF对风暴“Lother”海平面气压（1999年12月24日）的集合预报（TL255）。上图左：确定性预报，上图右：验证分析。下面的50幅小图是集合预报的各个成员。可以看到虽然确定性预报并没有抓住这个极端事件，但其中14个成员预报出了强度大致相近的风暴（取自THORPEX科学计划，2004年）集合预报可看做是计算条件概率分布的一种过程，即用一特定预报模式和初条件计算由一预报模式系统得到的PDF。在预报开始的时候，PDF开始很狭窄，预报成员的初始离散度反映的是分析的不确定性。随着预报超前期增加，初始小扰动出现混沌增长，这使预报变得越来越不确定，并且在较短时间内对小尺度系统的可预报性不断消失，以后是大尺度系统的可预报性也消失。一个有技巧的PDF旨在抓住这种PDF的演变，因而PDF是随地点与时间而变，例如对一个发展的气旋2天预报的不确定性可能比一准静态反气旋大。为了使一个EPS具有技巧，PDF必须具备两个特性：（1）须包括事件发生的天气，即检验观测；（2）在比可预报性上限短的预报超前期，PDF必须较窄或者具有不同于气候概率分布的平均值（最好是一个窄的偏离气候平均的分布），这表明所得的结果是适合要预报的特定气象条件。如果PDF满足上两个条件，所给出的预报将比相关的气候条件具有更多的技巧。由上可见，预报的PDF要尽可能狭窄，并且集合平均要尽可能接近检验分析。图1.3说明某一预报时刻气候（平均值为0）与预报的PDF（偏离0平均）示意图。它是由一个初始很狭窄的PDF演变而来。为使EPS可靠起见，在该超前期的检验分析必须落在气候分布区内。彩色区指明落入气候极值区内检验分析的机会，它与由气候分布所预期的机会有很大差别。（取自THORPEX科学报告）区域气候模式—动力Downscaling即把包含最高风险的全球集合成员取出，组成一个子集合集，用高分辨区域模式再做一次预报。这样可充分了解与评估高影响天气可能产生的社会/经济影响。全球EPS的全部成员可做为驱动区域模式的边条件，也可取其中高影响天气潜力最大的子集做为边条件。据此可以得到区域模式的PDF及其不确定性，甚至可以了解边界条件不确定性来自何处。未来集合预报研究方向（THORPEX建议）（1）初条件对预报的不确定性如果小尺度运动的初值有不确定性，可通过逆尺度使预报误差迅速增长。而分析和预报不确定是以缓变，更强的大尺度运动为主。应研究上述与其它初始不确定性在限制预报技巧中的相对作用，应研究更合理的集合预报系统的初始扰动方案。（2）改进集合预报系统这包括集合的初始扰动（陆面和海面），分析不确定性，非参数化，不可分辨现象对可分辨尺度的影响，预报模式（数值计算与参数化）等。还应研究多模式，多参数集合预报方法以及随机参数化和集合样本数的最佳选取。（3）在生成集合中，利用适用方法，包括集合预报系统的构造，使其适合天气状态和用户需求。如分辨率与样本数之间的最佳选取等。（4）多中心集合多模式或多参数化集合会产生另外的有用的散布分布，但这些方法多是特定的。尚不清楚，其收效是由于多种模式的应用，不同模式系统提供的初值差异，还是所用模式中不同偏差相互抵消或上述诸种原因的组合造成。将来可发展和评估一种新的集合系统（称THORPEX交互式大全球集合系统）。它是各数值天气预报中心产生的集合预报的组合。这种方法的优点是用了不同的资料同化，集合生成和NWP模式设计的方法。这种多模式，多分析与多国家集合可为全球用户提供任何地区的高影响天气的集合预报。四、次季节尺度的天气预报：天气与气候预报的交叉（2周以上，月预报以下）简化模式的试验证明，天气预报系统如果改进热带对流的分辨率和加热，则可有更长时期的预报技巧。预报热带对流的爆发和演变要求：（1）非常高的模式分辨率，且以显式分辨对流或改进对流参数化方案。（2）海气耦合预报系统。（3）改进大气和海洋边界的表征。因而为把预报时效扩展到2周或2周以上，必须使预报系统的海洋部分由一简单的一维混合层模式扩展到三维海洋模式。图1.4地球模拟器对降水率的高分辨气候模拟（T1279L96；~10-km水平分辨；500m垂直分辨率）（0.0—30mmh-1：蓝到白色）。海温由T319L24模式提供，初条件为9月初。（取自THORPEX科学报告）图1.5WRF质量纵坐标模式预报的美国中部有组织的对流系统。检验时刻：2003年6月10日1200UTC，模式分辨率：4km，显示积云对流方案。图中是反射率。左：36hr预报，中：12hr预报，右：实测雷达反射率。36-hReflectivity12h-ReflectivityNEXRAD-Radar在天气与气候预报的交叉中有两个重要问题值得考虑（1）气候态与天气过程的相互作用持续的强烈的天气过程或事件可影响气候态从而影响气候预报。例如1999年中国梅雨季（6月下旬）。（2）大尺度流型或气候态可影响天气预报技巧的气候学。这包括：纬向或阻塞状态，低频变化及遥相关，如MJO，PNA，ENSO，NAO，QBO等；Rossby波传播与可预报性。不同大尺度气流状况或气候态下的天气预报技巧是不同的。其中高频天气尺度活动与低频变化的相互作用是十分重要的问题。一方面表现为瞬变天气尺度涡对低频气流的强迫作用，使低频气流维持或变化。另一方面，变化的低频气流可以形成和组织中尺度风暴的活动与演变。气候条件与气候变化可影响天气事件，如气候变暖，气候变冷，Lapsrate。五、天气预报中的主要动力过程主要天气事件包括：（1）温带气旋，它受年际和次季节变率控制；（2）由大尺度Rossby波引起的下游斜压发展形成的温带气旋；（3）锋面及其相关的降水系统，由大尺度形变引起；（4）有组织的中尺度降水系统；（5）热带气旋及变性的系统。两种最重要的动力过程引起上述事件的发生和发展（1）Rossby波列Rossby波列的激发和频散代表了局地扰动对高影响天气的全球性传播。这是天气尺度预报的前提。Rossby波列可由下列因素激发：1）下游的斜压发展；2）温带气流与大尺度地形的相互作用；3）湿热带对流加热的变化（由MJO，ENSO造成）与ITCZ或季风槽中高频对流变率。Rossby波列传播的群速度相当于预报误差向下游散布的速度。两者在12天内在45°N可绕地球一圈。位涡（PV）可描述天气尺度系统之发展，可识别与追踪活动中心。由PV扰动的传播可研究中纬对低纬的影响。Rossby波与PV是强烈互补的（一向北，一向南）。（2）有组织的热带对流及其对全球预报技巧的影响热带对流具有逆尺度组织起来并显示出几天到季节内时间尺度的变率。MJO是一个明显的例