熱帶氣旋路徑預報是否已達到可預報性上限？

當前熱帶氣旋路徑預報技巧尚未達到其可預報性的上限，並且將以十年提高一天的速度繼續增加。據推測，這種提高可以再維持25年到30年。

本期嘉賓：

中國科學院大氣物理研究所副研究員周菲凡

美國國家海洋和大氣管理局教授 佐爾坦·託斯

在過去的幾十年中，得益於數值模式的進步、數據同化的改進、主要來自衛星平臺的觀測數據的急劇增加以及集合預報技術的使用，熱帶氣旋路徑預報技術取得了令人難以置信的進步。然而在近幾年，代表其前進步伐的那條一路走低的路徑預報誤差折線最新的「停滯」與「抬升」，正在引起越來越多科學家的關注與擔憂——
我們已經觸碰到熱帶氣旋路徑預報技術的「天花板」了嗎？如果沒有，我們還有多少前進空間，「天花板」會在哪裡出現？

中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室副研究員周菲凡與美國國家海洋和大氣管理局教授佐爾坦·託斯經過研究，給出了一個非常樂觀的答案：預報技巧的提高尚未止步，未來25年到30年，人們將可以繼續享受科學進步在防災減災領域帶來的紅利。

在大氣科學領域，天氣系統存在「固有可預報性極限」：從理論上來講，即使打造出一個幾乎完美的數值預報模式，再匹配幾乎完美的初始及邊界條件，得到的預報誤差仍無法趨近於零。「這種極限來源於事物的本質，不以人的認知為轉移，是由大氣的內在動力系統決定的。」周菲凡說。經過幾十年的探索，科學界已經能大致劃定這個範圍。

不過具體到某一種天氣系統，氣象學家張福青曾提出，不同天氣系統之間，「詳細的誤差增長行為有所不同」。在眾多天氣系統中，2018年，一顆來自東太平洋和大西洋海域的「石子」，激起了關於「熱帶氣旋」這一天氣系統的路徑預報是否達到可預報性極限的討論浪潮。

美國國家颶風中心（NHC）兩位研究人員在對該中心2001年到2017年熱帶風暴以上級別熱帶氣旋的5天預報資料進行統計分析後，得出一個令人震驚的結論：在大西洋海域和東太平洋海域，近5年數值預報關於熱帶氣旋路徑預報誤差的「減小趨勢都不明顯，甚至有所降低」。這個「數字停頓」是否意味著熱帶氣旋路徑預報已經遭遇天花板了呢？

周菲凡和佐爾坦·託斯選擇剝開數據外衣，進入到內裡，從誤差增長的動力學角度來尋找答案。「我們有『一同一不同』，與NHC研究者相比，我們使用的數據完全相同，但根據數據計算得出的『預報誤差』值不同。」

「『預報值』減去『觀測值』，即一般業務上所說『預報誤差』概念。但從本質上來說，『觀測值』並非真實值。」周菲凡介紹，因為熱帶氣旋定位是存在誤差的，風眼是否清晰、熱帶氣旋是強是弱、觀測資料是疏是密，這些因素都會導致誤差的產生。

從實際業務來看，熱帶氣旋定位誤差在20公裡至30公裡左右。受制於客觀條件，誤差不可消除。「但更接近真實預報誤差的數值，則可通過進一步的科學算法去估算。」沿著這個思路出發，團隊避開傳統預報誤差計算，採用「統計分析和預報誤差估計方法」（SAFE）後，一個「真實預報誤差」的變化規律被揭示出來。

「我們發現，估計出來的真實路徑預報誤差具有隨預報時長呈指數增長、分析誤差隨年際呈指數衰減的特徵。」這一研究結論意味著什麼？周菲凡進一步解釋，由於24小時的熱帶氣旋路徑預報誤差增長率具有很小的年際變化特徵，也就是說誤差增長的速度在每一年基本是穩定的，而初始誤差每年又在不斷地減小，因此預報誤差實際上每年也都在減小，即真實的路徑預報誤差實際上一直保持著減小的態勢。

「當然，我們也要理解分析誤差指數衰減投射在實際業務中的意義，舉例來說，對於『100』的初始誤差和『10%』的衰減率，第一年減小10，第二年減小9，第三年只有8.1。這好比做任何事情開始取得進步會比較容易，當達到一定水平後，再向前邁一步就比較難了。」周菲凡說。

站在當下，我們已經梳理出歷史的真實脈絡，那未來這種態勢也將繼續保持下去嗎？在上述特徵的基礎上，研究團隊構建了一個由4個參數組成的模型，根據該模型，可以預測未來的路徑預報誤差的演變趨勢。結果是令人欣喜的：到2031年，72小時的預報技巧將和2016年的36小時預報技巧相當；到2032年，5天的預報技巧將和2012年的3天預報技巧相當。「我們可以明確地說，當前熱帶氣旋路徑預報技巧尚未達到其可預報性的上限，並且將以10年提高1天的速度繼續增加。」周菲凡說。

至此，不免又要回到開頭的「天花板」疑惑：可預報性上限的高懸，必然給這種「增長」以期限，那期限會是多久呢？

在張福青研究的基礎上，周菲凡給這個問題提供了一個初步解答：「根據張福青的研究結論，當誤差減小到『一定程度』，就會進入到一個『不可預報』的量級裡。據此，我們可以推斷，上述預報技巧的提高速度可以再維持25年到30年。」