短期气候预测业务系统 丁一汇 国家气候中心 随着我国国民经济迅速的发展 国家不但需要更准确的中短期天气预报 而 且还迫切需要更长时期的气候预报 尤其是国家计划 农业 水利和防灾减灾等 部门 短期气候预测是国际大气科学和地球科学领域的前沿课题 也是极其困难的 跨学科难题 短期气候预测当前面临三大方面的难题 首先是预报的时间长度很 长 天气预报一般是 1 7 天 而短期气候预测需预测未来一个月 一个季和下 一年的气候变化 时间越长 不确定因素越多 预测的难度越大 第二是它们所 依据的预报原理不同 对天气预报 只要知道了大气的初始状况 就可以用一套 描述大气运动的方程组来预测未来的天气 它涉及的主要是大气圈 而气候预测 则不同 它是从全球各圈层的变化及其与大气圈的相互作用来预测未来的气候变 化 因而它涉及的是地球上的五个圈层 即大气圈 岩石圈 生物圈 冰雪圈和 水圈 它所用的方程组极其复杂 并且从数学和物理上如何正确表征各圈层相互 作用 还没有完全解决 因而面临着预测理论的困难 所以短期气候预测不能沿 用中短期天气预报的原理与方法 必须面对整个复杂的气候系统及其变化研制新 的理论和方法 因而它的技术水平也受到其它相关学科发展的制约和限制 第三 是资料和数据不足 由于气候预测需要各圈层即整个气候系统的资料 因此困难 比天气预报要严重得多 进一步 中国的短期气候预测具有更大的科学难度 中国由于有青藏高原 亚洲季风和太平洋的共同影响 气候成因极其复杂和特殊 一般性气候理论和方 法不能解决中国的气候预测问题 必须根据中国的气候特点 研究适用于中国的 气候预测理论与方法 下面这张图说明了影响中国气候的主要因子 可以看到不 但要考虑太平洋和印度洋的影响 还要考虑欧亚积雪 青藏高原与陆面状况的影 响 以及大气环流本身变化等一系列因子的作用 影响中国气候的主要因子 成因极其复杂和特殊 1 1996-2000 年科技部设立了 九五 科技攻关项目 我国短期气候预测系统 的研究 由于这个项目具有重大社会经济意义和科学难度 被列为国家“九五” 期间16 个重中之重攻关项目之中 攻关的目标是在国家和七个大区两级 建立新一代短期气候监测 预测 影 响评估和服务综合业务系统 特别是研制可用于业务预测的气候模式系统 使短 期气候预测水平比“八五”期间有明显的提高 以初步满足国民经济发展和防灾减 灾的迫切需求 并达到同期国际先进水平 攻关的关键科学问题有三个 作为研究的切入点 首先根据长期资料的分析 寻找有先兆意义的预测因子和气候信号 据此研制基于统计关系 但有明确物理 依据的预测模型 第二是根据揭示的预测信号设计和研制可用于我国业务预报的 气候模式系统 它能合理包含上述影响中国气候变化的各种主要物理过程 虽然 比较简化的气候模式在攻关前也有研究 但正式在国家级的业务应用上几乎是空 白 因而这是攻关的核心部分 第三也是最后目标 是把研究的各部分在巨型计 算机上进行科学集成 总装和运行 有机地形成一个用于气候业务监测 预测 灾害评估和服务的综合业务系统 通过全国400 多位科学家 其中有5 位院士和近80 位教授和研究员 五年 攻关研究 实现了攻关的总目标 建立了国家和地区第一代短期气候监测 预测 评价和服务业务系统 至今已成功运行了三年 系统的预测能力和准确性比过去 有明显增强 客观化 定量化 自动化水平大大提高 为国内外用户提供了 14 种以上的气候产品 大大提高了我国气象业务现代化整体技术水平 科研成果主要有三个方面 第一是揭示出影响中国气候异常的最强气候信号 是厄尔尼诺事件 高原积雪和季风 根据这些信号已研制出新的物理概念预测模 型 为我国气候预测提供了有物理依据的新思路和实用方法 过去对厄尔尼诺信 号能否和如何影响中国降水的问题国际上知之甚少 从近期国外发布的厄尔尼诺 事件对世界各地气候异常影响图上可见到这一点 不朽情缘下载的研究发现 厄尔尼诺现 象对中国降水有重要影响 但其主要不在发生的当年 而是次年我国北方及长江 流域以南多雨 黄淮地区少雨 呈现南北两条雨带的分布 第二 我们对青藏高 原如何影响中国气候的问题也进行了大量研究 发现由于全球变暖 虽然欧亚积 雪不断减少 但青藏高原冬季的积雪在不断增加 它对中国气候的影响在不断加 强 特别是它明显地影响中国夏季的降水 从近40 年青藏高原积雪与中国夏季 降水的相关图可见 青藏高原前冬积雪多 长江流域及华南多雨 北方少雨 第 三 不朽情缘下载的研究还发现南海季风爆发早晚与以后夏季降水有很好的负相关关系 季风爆发早 雨带偏北 爆发晚 雨带偏南 南海季风强 雨带偏北 反之则偏 南 上述前兆气候信号的发现 明显增强了业务应用的可靠性和准确性 而且也 为我们设计和研制气候模式系统 提供了基本指导和实际数据 科研成果的第二点 也是核心部分 是发展并建立了复杂的全球与区域动力 气候模式预测系统 该模式系统包括五个模式 即T63L16 全球大气环流模式 高分辨率区域气候模式 T63L30 全球海洋模式和海冰模式 太平洋和印度洋高 2 分辨率海洋模式和厄尔尼诺预测模式 这是通过国内这个领域中许多著名科学家 的联合攻关完成的 与国际上同类型模式相比 我们研制的气候模式有下列重大 创新 用新的日通量距平耦合和三维嵌套方法实现了气候系统中主要圈层的耦合 及不同用途模式的嵌套 稳定和合理的动力框架 复杂和先进的物理参数化方案 与青藏高原大地形的合理处理方法 更精细 合理的积雪模式和陆面过程模式 较高的垂直与水平分辨率 相匹配的多种资料同化分析系统 上述创新成果的应 用解决了国内外气候模式普遍存在的下列问题 1 保证了气候模式系统能够稳 定和准确的长期积分 这是制作气候预测的必备前提 2 基本消除了海气耦合 模式常有的气候漂移 也即系统性误差 3 消除了由青藏高原大地形处理不当 造成的大范围虚假降水 4 用高分辨区域模式 更精细预测中国雨带的移动和 降水强度 弥补了全球模式预报较粗的缺点 5 可更准确地预测厄尔尼诺的发 生与衰减趋势 作为一个例子 我们看下面的图 澳大利亚和加拿大的气候模式 都在中国中部地区模拟和预报出大范围虚假的降水区 这主要是由于青藏高原大 地形处理不当引起 本项目研制的气候模式由于引入了重力扣除法等新技术方案 而消除了这种虚假降水 从而保证了降水预报的可信性 根据不朽情缘下载的气候模式所做的20 年历史回报 汛期降水的距平相关系数 全 国平均为0.08 在旱涝多发的长江流域和华南地区高达0.12 0.36 这与国际上 是完全可以相比的 0.07 0.20 值得提出的是对 1998 年夏季长江大暴雨/洪水 的预报 那时候我们用初步研制成的气候模式提前三个月对 1998 年夏季中国大 暴雨/洪水作出了正确预报 而同时期著名的国际气候预测研究院 IRI 对亚洲 1998 年夏季降水的预测结果是 长江大暴雨未报出 东北报反 其它几年的预 报情况这里就不再给出了 今年大家很关心中国夏季的淮河暴雨和长江与华南的 持续高温 虽然中国气象局通过对多家预报结果综合后对外发布的2003 年汛期 降水预报 没有报出6 月下旬到7 月上旬的淮河暴雨洪涝 但用本项目研制的高 分辨区域气候模式预报的淮河暴雨获得了成功 这种模式的分辨率(60 公里) 比全 球气候模式(200 公里)提高3 倍 有能力预测降水区的细致分布与中尺度系统的 作用 此外 今年对南方的伏旱和黄河流域的多雨也是预报出来的 成果的第三点也是本项目的一个突出特点 是通过不同部委的合作攻关 本 系统是在高性能计算机和网络的支持下建立了完整的业务应用系统 可以满足国 民经济多部门的需求 它不仅提供短期气候预测信息 而且可以根据预测的气候 情景 快速 客观 准确地给出气候变化对水资源 农业 林业 交通 电力 重大工程等国民经济重要部门和关键地区的影响 及时为决策部门提供决策服 务 在分布式异构数据库技术 跨平台的软件开发技术和系统集成等方面均有突 出的创新点 1998 年开始应用以来 国家和大区两级整体预报水平比“九五” 以前20 年的 平均提高了6 10% 预测与实况的相关系数提高了0.07 特别是 1998 年长江 全流域的严重暴雨洪涝和近3 年北方地区的少雨干旱以及厄尔尼诺预报 冬季暖 冬的预报 都相当成功 下表给出了攻关前后预报水平的比较 这是项目专门设 3 立的一个预报水平评估组全程跟踪项目的进展而得到的结果 攻关前预报准确率 为59 65% 相关系数为0.05 美国为0.06 攻关后 准确率提高了6 10% 相关系数达到了0.12 与一些先进国家的水平相当 0.07 0.20 特别值得一提 的 最近几年来我国北方蒙受了连续的严重干旱 尤其是2000 2002 年出现了 三年连旱 从表中可以看到 不朽情缘下载的预报系统对干旱预报准确率更高 达77.08% 相关系数达0.15 这个结果是很容易理解的 因为我们研制的气候预测系统主要 的预测能力是表现在预测大范围 持续性的气候异常方面 而干旱正具有这种特 征 预报水平的比较 月与季降水预报 预报指标 准确率 P 距平相关系数 ACC 59-65% 0.05 1988-1997 国内 1978-1997 攻关前 0.06 美国 1959-1988 国际 62-70% 0.12 1998-2003 1998-2000 北方干旱 0.15 国内 66.5% 攻关后 1998-2003 北方干旱 77.1% 0.07-0.20 美国等国 个别年 国际 作为一个例子给出月降水预报水平的评估结果 可以看到近年来预报技巧一 直是增加的 最近六年 1998 2003 年 在国家气候中心制作的汛期降水预报 水平的总结表明 正确预报的年份有4 年 即1998 2000 2001 和2002 年 预 报基本趋势正确 但区域洪涝未报出的年份有2 年 即1999 和2003 年 这两年 分别在太湖和淮河地区发生了短时期的强暴雨/洪涝 这表明本项目研究的预报 系统的预报能力表现在对大范围长时期旱涝趋势预报较好 而对短时 区域性暴 雨洪涝的气候预报能力较弱 厄尔尼诺预报在国际上也是衡量一个国家气候预测水平高低的指标 用项目 研究的模式 我们成功地预报了自 1997 年以来发生的所有厄尔尼诺和拉尼娜事 件 从表征厄尔尼诺事件的热带东太平洋海表温度的预测精度看 趋势十分一致 量值差别也不太大 相关系数达到了0.7 如果看一下20 世纪最强的厄尔尼诺事 件 1997.6 1998.10 预报检查结果和对比 则我们预报的相关系数为0.78 明

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