我国短期气候预测的业务技术发展.docx

24 卷 3 期浙江气象1我国短期气候预测的业务技术发展赵振国刘海波(国家气候中心 ,北京 100081)摘要 :首先概述了我国短期气候预测技术和业务现代化发展的历史 近 40 多年来 ,我国短期气候 预测业务技术经历了经验统计分析 、数理统计分析 、物理统计分析 、动力与统计相结合 4 个主要发 展阶段 其次分析了“九五”以来我国短期气候预测技术的新进展 ,通过“九五”攻关研究 ,增强了 我国短期气候预测的物理基础 、综合决策和业务预测能力 ,初步实现了动力与统计相结合 ,提高了 自动化 、客观化 、可视化水平 最后探讨了未来我国短期气候预测技术发展的几个主要问题 ,一方 面要大力发展动力气候模式 ,另一方面要不断改进提高物理统计方法 ,在汛期降水物理统计预测 方法的研究中 ,应重点加强主导因素 、中纬度环流异常 、海洋与大气相互作用 、年代际气候背景与 年际气候异关系的研究 关键词 :短期气候预测技术 ;历史 ;进展 ;问题1引言我国是世界上开展短期气候预测 (长期天气预报) 业务和科研较早的国家之一 ,早在 30 年 代就进行了三大涛动与中国旱涝关系等方面的研究 ,50 年代末在大气环流型和气候要素历史 演变规律等研究的基础上发布长期预报服务 ,至今开展短期气候预测业务也已有 40 多年的历 史 。

短期气候预测的技术方法也是随着观测事实的积累丰富 、短期气候预测理论和计算机技 术的发展而不断发展 、 改 进 、提高的 在“九五”期间 “ 我国短期气候预测系统的研究”被列为国 家重中之重科技攻关项目 ,通过五年的努力 ,建立了新一代动力与统计相结合的短期气候预测业 务系统 ,使我国短期气候预测的技术水平 、业务能力和现代化程度进入了一个新的发展时期 2我国短期气候预测技术的发展历史 近 40 多年来 ,我国短期气候预测技术和业务现代化大体经历了 4 个发展阶段 2. 1第一阶段 :简单的经验统计分析70 年代以前 ,主要是历史资料和天气气候分析 ,包括历史曲线演变 、大气环流型分析 、 天 气周期和韵律活动等方法 ,也从农谚中吸收了不少经验 预报方法基本上是比较简单的天气 气候学的统计相关 、相似和周期分析 通过这个阶段 ,建立了长期预报的基本业务 ,但资料和 方法都比较缺乏 这一阶段 ,从资料计算到预报制作完全是人工操作 2. 2第二阶段 :数理统计方法的广泛应用70 年代到 80 年代 ,各种数理统计方法在短期气候预测中得到了广泛的应用 ,各种统计方 法的应用把过去简单的统计方法提高到了更加客观 、定量的水平 。

这个阶段为长期预报奠定 了扎实的统计基础 ,然而由于资料的缺乏和计算机条件的限制等因素 ,尽管人们也认识到因子收稿日期 :2003 - 04 - 162浙江气象24 卷 3 期分析的重要性 ,并在影响中国夏季降水异常的大气环流特征分析等方面作了大量有益的工作 , 但总体来说 ,物理因子的分析仍是一个薄弱环节 70 年代中期以来开始陆续使用计算机 ,80 年代开始建立了长期预报的资料库和程序库 , 这是短期气候预测向自动化迈进了一大步 ,但仍未完全摆脱手工操作 ,基本处于半自动化状态 2. 3第三阶段 :物理统计方法的深入发展80 年代以来 ,随着短期气候预测理论研究的发展和观测事实的不断揭示 ,物理因子的分 析受到极大重视 ,对影响大气环流变化和气候异常的物理因素的分析 ,无论从广度和深度方面 都得到很大发展 ,如海气相互作用 ,陆地热状况 ,低频振荡 ,遥相关型等等 通过影响因子的分 析 ,建立具有一定物理意义或天气气候概念比较清楚的预报概念模型一直是我们基本的预报 思路 ,这些研究增强了短期气候预测的物理基础和预测能力 80 年代后期开始 ,气象系统各级业务部门都先后建立了第一代以物理统计方法为主的长 期预报自动化业务系统 ,形成了一个完整的客观化 、自动化的业务流程 ,这使短期气候预测向 现代化又迈进了一大步 ,基本结束了资料处理和预报制作的手工和半手工操作局面 。

2. 4第四阶段 :动力与统计相结合的新阶段 用动力气候模式进行长期预报的试验 ,我国起步不晚 ,70 年代以来先后研究提出了距平 滤波模式 、考虑历史演变的动力 - 统计模式 、地温热力学模式等 ,并在业务预报中进行了试用 90 年代以来 ,又先后进行了动力延伸预报和季节数值预报的研究和业务试验 ,取得了可喜成 果 九五”国家重中之重科技攻关项目“我国短期气候预测系统的研究”,不仅研制了一套月 、 季 、年时间尺度的物理统计预测模型 ,而且发展了一套我国月 、季和年际时间尺度的动力气候 数值预报模式系列 ,初步实现了动力与统计相结合 各级气象部门先后建立了新一代动力与统计相结合的短期气候预测业务系统 ,使我国短 期气候预测的业务现代化迈上了一个新台阶 3我国短期气候预测技术的新进展 通过“九五”攻关研究 ,我国短期气候预测技术在以下几个方面取得了新的进展 :3. 1实现了动力与统计相结合 “九五”期间 ,一方面对过去的一些动力气候模式 ,如 OSU 、IAP 等进行了业务预报和集成 决策试验 ,在综合集成决策系统中 ,初步实现了动力气候模式产品与物理统计模型产品的结 合 。

另一方面则集中力量 ,重点研制了月 、 季 、年际动力气候模式系列 ,包括 T63 月动力延伸预 报模式 、T63 全球海气耦合模式 、高分辨区域气候模式和 ENSO 年际预测模式 ,这些模式经过 业务试验都表现出了一定的预报技巧 ,月动力延伸预报模式已投入准业务运行 ,其它模式在 “十五”期间将进一步业务化 ,动力气候模式产品将在业务中得到更加广泛的应用 另外 ,还研 究了动力产品的释用技术和方法 ,为动力产品的业务应用 ,特别是在区域气象中心和省级气象 部门的业务应用提供了条件 3. 2增强了物理基础 (1) 研究提出了 ENSO 事件与中国气候关系的基本模态全面系统地分析了 ENSO 现象与青藏高原积雪 、东亚大气环流的相互关系及与中国气候 的可能联系 ,提出了厄尔尼诺 、拉尼娜事件与青藏高原积雪 、东亚大气环流和中国气候关系的 基本模态 :厄尔尼诺位相时 ,青藏高原冬季多雪 ,东亚冬夏季风偏弱 ,夏季东亚阻塞高压持续发24 卷 3 期浙江气象3展的可能性较大 ,西太平洋副高加强且位置偏南 ,中国夏季主要雨带位置南移 ,华北雨季偏弱 , 长江中下游梅雨期推迟 ,秋冬季降水北少南多 ,温度冬暖夏凉 ,沙尘暴 、台风减少 。

拉尼娜位相 时 ,情况正好相反 2) 研究建立了中国夏季降水物理统计预测模型 广泛深入地分析了影响中国气候变化特别是汛期降水的诸多基本因素 ,包括海温 ( ENSO现象) 、冰雪覆盖 、地温等下垫面热力因素和亚洲季风 、热带对流活动 、赤道辐合带 、越赤道气 流 、青藏高压 、西太平洋副热带高压 、中纬度阻塞高压 、极涡 、遥相关型 、准两年振荡 (QBO) 、 三 大涛动等大气活动中心或大气环流系统 ,以及太阳活动 、天文因素 、地球物理因素等 ,这些因素 涵盖面相当广泛 ,不仅包含了地球系统海洋圈 、冰雪圈 、大气圈 、岩石圈等 ,也有地球系统之外 的太阳活动等 在分析的基础上 ,建立了适合全国或区域的各种物理统计预测概念模型 在上述分析的基础上 ,国家气候中心还重点研究了影响中国夏季降水的东 、 西 、 南 、 北 、 中 5 个方面的主要因素 ,即 :东面的海洋 ,反映太平洋海温异常 ,包括厄尔尼诺和拉尼娜现象等 ; 西面的青藏高原 ,反映高原积雪和位势高度异常 ;南面的季风 ,反映南半球和热带大气环流以 及赤道辐合带的异常 ,即暖湿气流活动异常 ;北面的阻塞高压 ,反映中高纬度大气环流的异常 , 即冷空气活动异常 ;中间的西太平洋副热带高压 ,反映副热带大气环流的异常 ,它决定北方冷 空气和南方暖湿气流交汇的区域 ,即中国夏季主要雨带的位置 。

这 5 大因素中 ,东 、西两环反 映了海洋和陆地下垫面的热力异常 ,它通过激发东亚大气环流异常进而影响中国夏季降水 ; 南 、 北 、中三环则反映了东亚大气环流的异常 ,它是影响中国夏季降水的直接因素 在研究了 这 5 大因素对中国夏季降水的影响及其它们之间的相互关系和其前兆信号之后 ,提出了以这 5 大因素为基础的中国夏季降水物理统计综合预测模型 ,该模型为我国夏季降水提出了一条 新的思路和方法 ,具有较强的物理基础和较好的预测能力 3. 3 增强了综合决策能力 短期气候预测的综合集成决策一直是短期气候预测的技术难点 “九五”期间 ,分别研究了短期气候预测的物理决策 、动力决策和数学决策技术 ,使短期气候预测由经验的主观决策向科 学的客观决策过渡 ,提高了短期气候预测综合集成决策的客观化 、科学化水平 1) 为了提高我国汛期降水预测的物理决策能力 ,一直沿着下述的分析思路逐步深化 :第 一步分析影响中国汛期降水的 10 多个基本因素 ,第二步在前一步的基础上研究影响中国汛期 降水的 5 大主要因素及其相互关系 ,第三步在前两步的基础上探讨影响中国汛期降水的主导 因素 。

最后建立了基于主要影响因素的中国夏季降水物理统计综合决策模型 ,并进一步研究 了诸多影响因素中主导因素的重要作用 ,这将是提高物理决策能力的关键 2) 首次把动力综合决策的技术应用于业务预报 ,在统计分析冬季赤道东太平洋海温 、 西 风漂流区海温 、青藏高原积雪与中国夏季降水关系的基础上 ,用动力诊断技术研究了各因子的 单独贡献和多因子的联合贡献 ,建立了基于 3 因子的动力统计综合决策模型 3) 结合短期气候预测的特点 ,建立了具有一定数学基础的权重集成和正权决策两种短期 气候预测的数学统计综合决策模型 ,为短期气候预测综合集成决策提供了一种科学的客观新 方法 ,使短期气候预测逐步由主观决策向客观决策过渡 以上几种模型 ,除 1999 年决策失误外 ,1998 年 、2000 年和 2001 年汛期降水预测的综合集 成决策结果与实况基本一致 ,取得了良好的效果 4浙江气象24 卷 3 期3. 4增强了业务预测能力 基于物理因子的分析 、动力数值预报产品的应用以及科学的集成决策方法 ,使系统的物理性 、客观性和综合能力 、预测能力明显增强 ,从而提高了系统的预测水平 。

1998～2000 年的 预报表明 ,月 、 季 (汛期) 、年各种时间尺度的短期气候预测效果比“九五”前明显提高 ,国家气候 中心的业务预报准确率提高了 4 % ,各区域气象中心平均提高了 5 %～10 % ,特别是 1998 年 长江仅次于 1954 年的全流域性严重洪涝和嫩江 - 松花江流域超历史记录的严重洪涝 ,以及 2000 年黄淮地区的多雨洪涝和北方的少雨干旱 ,各级气象部门密切配合 ,预报趋势基本正确 , 取得了良好的服务效果和显著的社会 、经济效益 同世界上一些发达国家相比 ,我国短期气候 预测的水平处于国际先进行列 十五”期间 ,将对系统中的各种物理统计方法进行检验 、 淘 汰 、 优 化 ,精练出物理基础较强 、预测能力较好的模型 ,这对提高预报效果仍会有一定的作用 3. 5 提高了现代化水平 (客观化 、可视化 、自动化) 紧密结合短期气候预测资料量巨大等特点 ,采用现代计算机网络技术 ,本着可见即可得和 减少预报员操作以便有更多时间进行预测综合分析的设计思路 ,以当前流行的 Intranet/ Internet 技术为基础建立了 C/ S 结构形式的新一代短期气候预测业务系统框架 ,设置业务服务平台 , 所有的资料处理 、预测模式/。