數值天氣預報能力未來將有多強?

　　導讀

　　2017年，世界氣象中心（北京）成為第二批被認定的世界氣象中心，讓中國成為唯一擁有「世界氣象中心」稱號的發展中國家。世界氣象中心的職責不僅局限於本國，還需在全球氣象發展中發揮「中心」的作用和價值。因此，世界氣象中心核心業務能力的高低，成為考量中心含金量的關鍵所在。

　　2018年，中國氣象局開始醞釀製定到2035年的科技發展規劃（以下稱「2035年規劃」）。該規劃瞄準到2025年和2035年世界主要氣象機構核心能力的發展水平，提升我國關鍵預報技術水平，實現到氣象強國的轉變。

　　本文對目前國際主要氣象中心預報預測能力的領先水平，以預報指標為衡量進行梳理，在此基礎上，結合這些「領先水平」的發展痕跡，特別是過去10年裡水平提升的幅度，在給出當前水平（2016—2017年）的同時，對未來10年（2025年）和20年（2035年）國際上預報預測的先進水平將達到的高度進行預測。

　　趨勢一：單一可預報指標「2D」化

　　不同預報要素「隨遇而安」

　　最早，洛倫茨基於大氣混沌本質給出可預報性的邊界值為16.8天。隨著模式模擬技術的發展、學界對非線性過程本質認識的進步和計算、模擬技術的改進帶來的手段更新等，可預報性問題得到了更加清晰的解析和拓展。

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）最近就從模式與預報對象的時空尺度出發，給出了新的可預報「2D」分布，其中的可預報時效大大提高。

　　提前接近1年預報的要素為月海平面溫度距平和厄爾尼諾等氣候信號密切相關的變量統計值。其餘預報要素從易到難排列為：月平均2m溫度和氣壓、遙相關指數、高空場、地面場、降水和氣象極值。而地面場及其後要素可預報的空間尺度均在1000 km以內。

　　趨勢二： 10天左右的預報

　　將更有參考價值

　　各世界氣象中心全球天氣預報業務模式

　　先進的全球集合預報系統大約有20～50個成員，模式的水平解析度在9～50km，垂直100層左右。北半球500hPa高度場最初集合離散度約2.5 m（大約是變率的3%），在預報最初24 h內以指數增長，在10天內發散到70m左右。

　　預報系統性能領先的歐洲中期預報中心（ECMWF），其模式水平解析度達9km，垂直層數137層，預報時效在10～15天之間。2017年歐洲中期預報中心（ECMWF）將其IFS（註：綜合預報系統）升級為IFSCycle 43r3，主要改變有：改進了對流模擬，採用了新的輻射方案和氣溶膠氣候學，以及更好地利用了下投式探空儀數據和其他觀測數據。這次升級換代使其預報技巧，特別對是熱帶氣旋的預報，有了一定提高。

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）北半球中緯度24h降水總量集合預報有效天數變化（2002-2017年，圖中給出預報時效（d, CRPSS≥0.1）的12個月滑動平均值）

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）代表的領先全球模式核心指標現狀

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）在2017年年報中，給出了到2017年底該中心各種核心業務指標的統計。其中影響最大的預報產品——北半球中緯度24h降水集合預報的進步明顯，從本世紀初的2.5天增加到7天左右。預報改進的速度在最近十年明顯「減緩」，但變緩的進步還是讓10天左右的預報具有了價值。

　　全球主要氣象中心預報指標的演變和相互比較顯示，歐洲中期預報中心（ECMWF）本世紀以來的發展趨勢具有一定代表性，都趨於變緩但一直保持進步。

　　數值天氣預報模式2025年和2035年性能進步預測

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）在最新的2016—2025年戰略中，在預報方面明確提出了「2+4+1」戰略，即到2025年：高影響天氣的有效集合預報提前2周；大尺度形勢和機制轉化預報提前4周；全球尺度異常預測提前1年。而未來5年美國國家環境預報中心（NCEP）部分預報系統的升級情況的主要特徵為：解析度進入10km，區域模式和預警服務進入1～3km，集合成員數穩定在20～30個，最長預報時段超過1年達到15個月。

　　以下依據對數值天氣預報過去進步幅度的量化估計，同時參考各種戰略給出的估計，對天氣預報領域一些核心指標未來進步的可能幅度做出初步估計。

　　依據歐洲中期預報中心和美國國家環境預報中心對500hPa位勢高度預報時效的提升率，約每10年提高近2天。目前北半球主要預報指標時效大約6.7天，即基於全球預報過去20年的改進：2025和2035年預報時效將提高到8和10天。

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）高解析度模式系統預報時效最近10年從大約6.0天提高到6.8天，基於高分變率模式過去22年改進：2025年和2035年時效提高到7.6天和8.4天。

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）最近10年溫度和降水預報預報時效的增加在0.8—2天之間，即多種模式要素預報：10年進步在1-2天之間，將全面接近和進入10天有效性階段。

　　趨勢三：更早進行

　　天氣型轉變和氣候預測

　　從世界氣候研究計劃（WCRP）耦合模擬工作組（WGCM）耦合模式比較計劃的發展歷程來看，第三階段（CMIP3）參與模式的典型水平解析度為大氣250km，海洋1.5°。7年後的CMIP5周期中，進步到150km和1°。截止到2016年CMIP6的部分模式能實現大氣至少50km和海洋0.25°。

　　氣候模式50年發展歷程

　　世界天氣研究計劃（WWRP）和世界氣候研究計劃（WCRP）的次季節—季節預報項目(S2S)目前選擇的預測關鍵指標，一為MJO（註：熱帶季節內振蕩）預測技巧，二為天氣型轉變預測。2013—2017年的第一階段實施中，10個S2S模式中有7個MJO預報時效（雙變量相關≥0.5）達到20天，其中最領先的ECWMF模式10年預報時效約增長12天，達到38天。如保持此進步速度，到2025年能達到49天。在天氣型轉變預報方面，北大西洋濤動（NAO）正負轉型預報提前3周，其他天氣型的轉化提前16天預報。

　　再看以Nino3.4海溫距平指標為代表的短期氣候信號預測。2004年NCEP歷史回報提前3和6個月的Nino3.4海溫距平指標相關性約為85%和76%。2018年，氣候系統歷史預報項目（CHFP）集合世界9個中心相應技巧達到90%和82%。即過去15年提前3和6個月的預測水平，相關性分別提高了5%和6%。綜合考慮，未來3個月和6個月針對Nino3.4海溫距平預測的指標，可能分別可以達到93%和86%（2025年）以及96%和90%（2035年）。

　　預報模式發展的一些新趨勢分析

　　天氣和氣候模式的發展，主要以業務預報需求為導向。在當前預報時效已經接近可預報性極限的情況下，數值天氣預報模式領域發展必然會藉助新手段和思路，以及開發新的產品，一些新趨勢有：

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）最新給出了世界領先的5個氣象中心2018年和2017年預報指標的比較。在幾乎所有的預報時段，1年裡的進步都是「可測量」且是正面的，數值天氣預報模式水平提升的腳步沒有停歇。

　　歐洲中期預報中心（ECMWF）2018年在其模式輸出端推出3個新預報場——閃電、總水汽輸送和最大對流有效位能，提升了服務（如閃電）和天氣診斷（如總水汽輸送和對流有效位能）利用的可能。

　　模式解析度繼續提升。未來5—10年，全球數值天氣預報模式業務模式解析度將達到km尺度。其中歐洲中期預報中心（ECMWF）的戰略目標是，到2025年以5km的解析度進行全球集合預報。

　　很多研究揭示了極端事件在可預報性方面，相對所有預報而言，具有一定的優勢。比如北半球冷暖事件預報技巧得分，明顯好於所有預報的平均得分。關鍵要素提升或許也有有力要素。

　　正如NOAA利用機器學習改進了冰雹、雷暴、龍捲風和颶風等高影響天氣的預報，天氣相關數據的潛在來源將繼續急劇增長，AI等創新科技應用於天氣氣候預報將使氣象機構和相關公司更好地利用這些數據。

　　結　　 語

　　正如ECMWF前任中心主任作為作者之一在著名期刊《自然》上發表的評述數值天氣預報模式進步的長篇評述文章時的比喻，天氣氣候預報技術的巨大進步是「靜悄悄的革命」。

　　過去幾十年，氣象預報能力的提升有目共睹，但建立在此發展態勢上，對氣象預報能力發展進行預測，不論是氣候變化導致預報難度增加，還是預報水平逐漸接近可預報性極限，都帶來了很大的不確定性。

　　本文雖然提出了一些量化指標的預測，但其更重要的意義在於，把握世界氣象科學發展趨勢，促進我國氣象現代化建設。特別是在制定未來發展規划過程中，了解世界最前沿的動態。同時意識到，所謂的核心指標，實際上都是對一系列研發工作及其綜合能力在一個總體上的考量。數值天氣預報模式進步需要基於更廣泛領域的科學和技術進步，而數值模式能力的提升，也需要多領域日積月累的創新研發活動才有可能。

　　各國數值天氣氣候預報系統，無論是從系統本身含金量的角度，還是其在國家福祉和防災減災救災過程中的作用來看，無疑都是國家「重器」。它在中國氣象現代化建設中的作用不言而喻，完成這件大國重器的鑄就，無疑是中國氣象人最大和時刻不能忘記的初心。

　　參考文獻

　　本報告主要依據的研究論文和出版物，對世界上主要氣象業務中心預報模式特徵和同化系統能力等方面進行了分析，所列文獻中的重點國外文獻全文，在附錄中給出。

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　　賈朋群（2018）：「他鄉」或許不再是「異鄉」——ECMWF「揭開灰色地帶的謎底」學術會評介，氣象科技進展，8（1）：299-302,304

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