天氣預報:如何有效應用數值產品

2020-12-05 中國氣象局

　　本期嘉賓：中央氣象臺首席預報員 楊貴名

　　採訪人：本報記者 郭起豪 通訊員 陽揣環

 

　　近年來，我國天氣預報業務有過度依賴數值預報產品的傾向，預報員自身的能動作用沒有得到充分發揮；數值預報產品解釋應用和各類新型氣象資料應用能力不高，在一定程度上制約了大氣要素預報的精細化和準確率。

　　正視數值預報的誤差問題

　　數值天氣預報是根據大氣實際情況，在一定初值和邊值條件下，採用數值計算的方法，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，預報未來天氣的方法。

　　由數值天氣預報定義可見，數值天氣預報依賴於大氣的初始值和邊界值狀態（即觀測數據的準確性和邊界數據的真實合理性），依賴於數值計算中由差商代替微商的截斷誤差和考慮計算收斂性和穩定性的捨入誤差，依賴於大氣物理過程的較準確描述等。

　　20多年來，數值預報的能力大幅提高，其對環流場預報的準確度已經遠遠高於預報員預報的準確度，但是對天氣要素，特別是對災害性天氣的預報，與防災減災的要求和預報精細化的要求距離甚遠，其主要原因是：觀測資料的準確性和觀測資料的有效利用率不高，模式物理過程的真實性、模式對複雜地形的逼真描述不夠，使得數值預報產品依然並將在長時間存在不確定性。這樣就引出了對其預報能力的評價問題，即檢驗其準確性。

　　數值預報產品的科學檢驗

　　既然數值預報產品存在一定的誤差，那麼如何才能應用好數值預報產品呢？檢驗是最重要、最有效的方式之一。為什麼要對數值預報產品進行檢驗呢？

　　中國科學院院士醜紀範曾引用俄國人赫爾岑的話說：「充分地理解過去——我們可以弄清楚現狀；深刻認識過去的意義——我們可以揭示未來的意義；向後看——就是向前進。」其中的「過去」指的就是對模式性能的檢驗。

　　對此，BAMS雜誌以及《科學》雜誌持同樣的觀點：「如果要讓預報是科學的，就必須進行驗證。每一次預報就像是一個科學猜想，而在科學界每一個猜想最終都要被驗證。」

　　誤差分析是科學研究中很重要的部分。只有連續地追蹤檢驗數值模式，了解數值模式的預報誤差或誤差的一致性問題，才會有一定的基礎把握並訂正數值模式。

　　數值預報產品的有效訂正

　　該如何對數值預報產品進行有效訂正呢？不管是依據天氣學原理判斷周圍影響系統的配置、發展關係進行訂正，還是根據某一模式在不同季節、不同區域對不同影響系統預報誤差傾向性以及預報的傾向性、連續性、一致性進行訂正。

　　在此過程中，預報員需根據實測資料對預報模式的初始場進行檢驗；對主要業務預報模式性能或能力進行分析和評估；對預報模式的預報趨勢和偏差進行討論；對不同預報模式間的差別和傾向性進行分析。同時，要非常注重對不同預報模式的比較，不同預報模式對同一天氣系統強度和位置的比較，同一預報模式不同預報時效對同一天氣系統預報的對比，並結合自己的經驗最終做出最合理的選擇和判斷。

　　對於氣象預報員而言，影響系統檢驗是最根本的。降水模式依賴於環流模式，影響檢驗的適應對象是全球環流模式。其檢驗的內容應涵蓋地面鋒面、高空槽、低渦、切變線、（低空）急流、副高（588線、脊線、西脊點、強度），甚至阻塞高壓等影響系統；檢驗的頻度包括經常性檢驗和分不同季節、不同區域、不同系統檢驗。若經過檢驗發現預報誤差較大，給訂正帶來定義上的困難，預報員應清醒地認識到，檢驗畢竟是檢驗歷史，未來的誤差可能會發生一定的轉折，即得考慮未來幾天是否還是這種預報誤差傾向，這其中存在的問題便是「預報誤差傾向的轉折性」。要解決這一問題，唯一的方法是依靠對預報模式的長期分析、檢驗、積累和總結。因此，對於數值預報產品，預報員不可不信，但不能全信。

　　預報員的經驗積累至關重要

　　在現有大氣科學理論、天氣預報技術、科技支撐基礎上，提高天氣預報準確率的關鍵是提升預報員的作用。預報員的知識、理論、實踐類似於醫生，更像是中醫，經驗積累至關重要。

　　「一個有經驗的預報員和一個沒有經驗的預報員做出的預報，其準確率可以相差很大，主觀經驗是很有價值的，應該提倡在實踐中積累經驗。但是經驗沒有歷史，這東西父親不能傳給兒子，丈夫不能傳給妻子，人在經驗在，人亡經驗消。」著名理論氣象學家洛倫茲曾這樣說。

　　按洛倫茲的觀點，經驗是「只可意會、不可言傳」的東西，但現實生活中有這樣的經驗的人並不多。通俗地講，不管是獵人用散沙槍打奔跑中的獵物、用彈弓打鳥，還是現代的體育項目「射擊飛碟」，其歸根結底是速度合成理論外加熟練程度。

　　宏觀上看，對於概念模型的熟練掌握、靈活運用是經驗積累；預報員對天氣過程總結的是經驗積累，對地形的考慮也是長期經驗的積累所得。微觀上看，對於地方臺站的指標法，如利用北京與呼和浩特或北京與二連浩特的氣壓差來預報北京的大風；用850-500百帕的溫度差預報北京冰雹；南寧氣象臺用北海與桂林的氣壓差預報北部灣大風等等，都是經驗積累。

　　預報員對數值預報產品性能或能力的掌握同樣也屬於經驗。如EC850百帕風場預報資料在北緯30度、東經105度格點處的風向風速的變化反映冷空氣是否進入四川盆地；EC850百帕風場與降水落區、量級的關係，西南氣流、偏東急流與降水大小的關係等等，均為經驗積累。

　　所以，一個優秀的預報員要在業務預報實踐中不斷總結、積累經驗，在總結的基礎上結合天氣學、大氣動力學知識深入思考，只有在實踐中勤於總結、善於總結，再加上靈活運用天氣學、大氣動力學知識，才有可能提高天氣預報準確率。「你也許沒有30年的經驗，但你應有一年30次的經歷」（J.Carr1850年）這句話不是沒有道理的。（來源於2008年11月27日《中國氣象報》 作者：郭起豪 陽揣環）

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