次季節(jié)-季節(jié)預(yù)測(cè)的應(yīng)用前景與展望
——“次季節(jié)-季節(jié)預(yù)測(cè)（S2S）”會(huì)議評(píng)述

齊艷軍 容新堯

次季節(jié)-季節(jié)預(yù)測(cè)的應(yīng)用前景與展望
——“次季節(jié)-季節(jié)預(yù)測(cè)（S2S）”會(huì)議評(píng)述

齊艷軍 容新堯

由WMO的世界天氣研究計(jì)劃(WWRP)/全球觀測(cè)系統(tǒng)研究與可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)(THORPEX)和世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)聯(lián)合舉辦的次季節(jié)—季節(jié)(Sub-seasonal to Seasonal,S2S)預(yù)測(cè)研究項(xiàng)目國(guó)際研討會(huì),2014年2月10—14日在美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)召開(kāi)(詳細(xì)信息見(jiàn)http://www.emc.ncep.noaa. gov/gmb/ens/s2s/),來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、加拿大、法國(guó)、日本、澳大利亞、中國(guó)、德國(guó)、印度、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家的約150位學(xué)者與會(huì),就5個(gè)會(huì)議主題：(1)S2S預(yù)測(cè)和可預(yù)報(bào)性以及與之相關(guān)的現(xiàn)象,(2)極端事件預(yù)測(cè),(3)模式初始化與擾動(dòng)預(yù)報(bào)方法,(4)動(dòng)力—統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、偏差訂正、檢驗(yàn)和量化的不確定性,(5)S2S從預(yù)報(bào)到業(yè)務(wù)應(yīng)用的集成方法,進(jìn)行了交流。

一、S2S預(yù)測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)意義和研究?jī)?nèi)容

從天氣到氣候的多時(shí)間尺度預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)中,次季節(jié)—季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)起著關(guān)鍵的接口作用,尤其是次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的開(kāi)展將在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與短期氣候預(yù)測(cè)之間建立起一座橋梁,來(lái)填補(bǔ)中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)到季節(jié)預(yù)測(cè)之間的縫隙(圖1)。無(wú)論從天氣—?dú)夂虺叨鹊臒o(wú)縫隙預(yù)報(bào)的專(zhuān)業(yè)發(fā)展還是從社會(huì)需求角度,次季節(jié)—季節(jié)氣候預(yù)測(cè)的開(kāi)展和實(shí)施都具有重要的科學(xué)意義和廣泛的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于許多管理決策層來(lái)說(shuō),次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)是主動(dòng)減災(zāi)的一個(gè)關(guān)鍵,例如農(nóng)業(yè),最終的需求是月時(shí)間尺度以?xún)?nèi)(小于30天)的預(yù)報(bào),所以發(fā)展介于天氣—?dú)夂蛑g的無(wú)縫隙預(yù)報(bào)將具有潛在的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。WWRP和WCRP聯(lián)合天氣和氣候研究團(tuán)隊(duì),將S2S預(yù)測(cè)視為近5年的首要任務(wù),組織制定了“S2S預(yù)測(cè)計(jì)劃”。

S2S項(xiàng)目主要圍繞以下3方面的內(nèi)容展開(kāi)研究：(1)針對(duì)社會(huì)服務(wù)為導(dǎo)向的研究——與WWRP/SERA (社會(huì)和經(jīng)濟(jì)研究與應(yīng)用)協(xié)力開(kāi)展基于極端天氣氣候事件的示范性項(xiàng)目的研究和校驗(yàn)；(2)基礎(chǔ)研究——可預(yù)報(bào)性來(lái)源問(wèn)題,包括來(lái)自熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)、季風(fēng)、平流層、積雪/海冰/土壤濕度等陸面因子的影響以及遙相關(guān)響應(yīng)；(3)模式模擬——模式分辨率、初值條件、多模式集合、海氣耦合與模式的系統(tǒng)誤差等問(wèn)題。

次季節(jié)時(shí)間尺度上有多種重要的潛在可預(yù)測(cè)性來(lái)源，例如MJO、平流層初始條件、陸面的土壤濕度/冰/雪的初始條件以及海表面溫度等，其中MJO被認(rèn)為是預(yù)測(cè)全球次季節(jié)時(shí)間尺度的主要來(lái)源。

圖1 天氣-氣候無(wú)縫隙預(yù)報(bào)示意圖（引自Yuejian Zhu在S2S會(huì)議上的報(bào)告）

二、S2S的研究進(jìn)展和面臨的科學(xué)問(wèn)題

次季節(jié)尺度的氣候預(yù)測(cè)介于較為完善的常規(guī)天氣預(yù)報(bào)和正在發(fā)展中的季節(jié)預(yù)測(cè)之間的時(shí)間尺度范圍內(nèi)。對(duì)于日常的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),雖然海洋和陸面條件對(duì)其有一定影響,但影響短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的最主要問(wèn)題還是大氣初始條件；在季節(jié)到年際尺度上的預(yù)測(cè)則更強(qiáng)烈依賴(lài)于像海表面溫度這樣緩慢變化的強(qiáng)迫源要素,介于這兩個(gè)時(shí)間尺度之間的是次季節(jié)尺度的變率。目前為止,對(duì)次季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)與中期天氣預(yù)報(bào)和季節(jié)預(yù)測(cè)相比,受到的關(guān)注程度要少得多,因此一直以來(lái)人們都認(rèn)為次季節(jié)尺度的氣候預(yù)測(cè)是一個(gè)“預(yù)測(cè)沙漠”。

次季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)目前仍處于發(fā)展初期,在能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)次季節(jié)尺度進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)之前,仍有許多科學(xué)問(wèn)題和模式物理過(guò)程需要解決和改進(jìn)。最近的研究結(jié)果指出,次季節(jié)時(shí)間尺度上有多種重要的潛

在可預(yù)測(cè)性來(lái)源,例如MJO、平流層初始條件、陸面的土壤濕度/冰/雪的初始條件以及海表面溫度等。在這些潛在的S2S可預(yù)測(cè)性來(lái)源中,作為熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率的主要模態(tài),MJO被認(rèn)為是預(yù)測(cè)全球次季節(jié)時(shí)間尺度的主要來(lái)源。研討會(huì)上諸多學(xué)術(shù)報(bào)告,展示了各國(guó)最先進(jìn)的研究模式和業(yè)務(wù)模式對(duì)MJO模擬和預(yù)測(cè)的最新研究結(jié)果和進(jìn)展。

近十年來(lái),動(dòng)力模式對(duì)MJO的預(yù)報(bào)技巧有了大幅度的提高。例如,美國(guó)JPL的Duane Waliser基于大氣季節(jié)內(nèi)變率的回報(bào)試驗(yàn)(ISVHE)得出北半球冬季的MJO信號(hào)可提前20～30天預(yù)測(cè)；ECMWF的模式回報(bào)試驗(yàn)顯示MJO的預(yù)報(bào)技巧已經(jīng)超過(guò)了30天,同時(shí)ECMWF的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)月預(yù)報(bào)也有較高的準(zhǔn)確率,對(duì)北半球熱帶外預(yù)測(cè)技巧的提高在很大程度上可以歸因于其對(duì)MJO預(yù)測(cè)水平的提高；MJO任務(wù)組(MJOTF)的負(fù)責(zé)人之一Eric Maloney分別從模式的物理過(guò)程、MJO的垂直結(jié)構(gòu)和非絕熱加熱過(guò)程、熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)評(píng)估、CMIP5模式對(duì)季節(jié)內(nèi)變率的實(shí)時(shí)模擬能力、海氣相互作用等方面,對(duì)MJOTF的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了闡述；英國(guó)氣象局的大氣模式通過(guò)耦合邊界層海洋模式(GA3.0-KPP),并在修改控制深對(duì)流夾卷過(guò)程的參數(shù)后,對(duì)MJO的振幅及傳播方向和速度的模擬能力有顯著的提高,顯示出海氣相互作用是模式能夠?qū)JO成功模擬及預(yù)測(cè)首先需要考慮的重要環(huán)節(jié)。

MJO的活動(dòng)異常不僅僅對(duì)熱帶地區(qū),同時(shí)對(duì)中高緯地區(qū)的天氣氣候異常也有顯著的影響,加拿大環(huán)境部的林海致力于熱帶MJO異常信號(hào)對(duì)熱帶外動(dòng)力過(guò)程的非線性響應(yīng)的模式研究,并取得一定進(jìn)展。英國(guó)和德國(guó)的科學(xué)家在平流層的爆發(fā)性增溫影響對(duì)流層的次季節(jié)時(shí)間尺度預(yù)測(cè)方面指出,能夠提前多長(zhǎng)時(shí)間可以預(yù)測(cè)平流層中的動(dòng)力影響因子,模式中平流層的關(guān)鍵物理過(guò)程如何更好地描述可預(yù)測(cè)性信息等都將是需要重點(diǎn)關(guān)注和研究的問(wèn)題。在陸—?dú)庀嗷プ饔弥?土壤濕度控制著地表水分和能量平衡,通過(guò)比較CFS的再回報(bào)資料和模式預(yù)報(bào)結(jié)果,美國(guó)GMU的Dirmeyer得出改善包含土壤濕度等信息的初始場(chǎng)條件,改進(jìn)模式物理過(guò)程對(duì)土壤濕度的描述,將有助于提高CFS的預(yù)報(bào)水平。中國(guó)科學(xué)家從歐亞大陸北極海冰的減少對(duì)東亞冬季天氣氣候的影響,中國(guó)東部地區(qū)夏季降水的季節(jié)內(nèi)振蕩,大西洋海溫異常對(duì)亞洲夏季風(fēng)和ENSO關(guān)系的影響,以及中國(guó)冬季氣溫的季節(jié)預(yù)報(bào)等方面在會(huì)議期間做了交流。

在對(duì)阻塞高壓、熱帶氣旋、高溫和干旱等極端事件進(jìn)行模擬研究時(shí),所用模式主要來(lái)自美國(guó)的NCEP、GFDL、ESRL,歐洲的ECMWF以及澳大利亞的BoM等。雖然在次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)方面取得了令人鼓舞的初步成果,但是在業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)過(guò)程中仍存在很多的科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有得到很好的理解和解決。為了提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度,以及目前的模式發(fā)展水平和不足,S2S科學(xué)指導(dǎo)小組建議當(dāng)前的首要任務(wù)是建立一個(gè)基于現(xiàn)有次季節(jié)尺度業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫(kù),類(lèi)似于TIGGE為中期天氣預(yù)報(bào)和CHFP為季節(jié)預(yù)報(bào)所建立的數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)的建立能夠促進(jìn)應(yīng)用部門(mén)對(duì)這些預(yù)測(cè)結(jié)果的使用并對(duì)預(yù)測(cè)的不確定性進(jìn)行評(píng)估,使用這一數(shù)據(jù)庫(kù)也有助于評(píng)估多模式組合在次季節(jié)時(shí)間尺度預(yù)測(cè)上的優(yōu)勢(shì)。

三、東亞地區(qū)次季節(jié)尺度預(yù)測(cè)的展望

從本次研討會(huì)上科學(xué)家們的學(xué)術(shù)報(bào)告中,認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段以及未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)次季節(jié)尺度的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的艱巨任務(wù),雖然代表熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率的MJO模態(tài)在某些模式中有良好的表現(xiàn),但是對(duì)模式的關(guān)鍵物理過(guò)程及初值條件仍需要深入的診斷分析,以進(jìn)一步提高M(jìn)JO在氣候模式中的代表性,同時(shí)也為模式預(yù)測(cè)熱帶外的大氣季節(jié)內(nèi)變率提供參考依據(jù)。在研究不同的極端事件時(shí),更重要的是需要了解各種不同可預(yù)測(cè)性來(lái)源的相對(duì)重要性,這些可預(yù)測(cè)性來(lái)源的組合可能是非線性的,不同來(lái)源之間如何相互作用還不是很清楚。

針對(duì)我國(guó)對(duì)季節(jié)內(nèi)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的需求,未來(lái)應(yīng)更多關(guān)注東亞季風(fēng)區(qū)S2S可預(yù)報(bào)性來(lái)源及相關(guān)的物理過(guò)程,并研究建立適用于東亞天氣氣候的S2S動(dòng)力預(yù)報(bào)系統(tǒng)。這需要研究東亞區(qū)域高影響天氣如熱帶氣旋、高溫?zé)崂艘约皬?qiáng)降水等事件的次季節(jié)尺度特征,加強(qiáng)對(duì)這些事件中某一個(gè)或幾個(gè)變量和氣候發(fā)生變化的物理過(guò)程的理解。對(duì)于東亞區(qū)域季節(jié)內(nèi)尺度的模擬和預(yù)報(bào),提高大氣模式分辨率以及改進(jìn)模式的關(guān)鍵物理過(guò)程是提高對(duì)東亞地區(qū)短期氣候動(dòng)力預(yù)測(cè)技巧的有效途徑,因此,對(duì)目前我國(guó)數(shù)值模式中分辨率的提高和物理參數(shù)化過(guò)程的改進(jìn)仍是亟需解決的重要問(wèn)題。

致謝:感謝武炳義研究員的寶貴建議，感謝評(píng)審專(zhuān)家對(duì)本文提出的誠(chéng)懇意見(jiàn)及建議。本文由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB417205）和中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)（2009Y006，2010Z003）共同資助。

（作者單位：中國(guó)氣象科學(xué)研究院）