數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和無(wú)縫隙預(yù)報(bào)系統(tǒng)

第十三講數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和

無(wú)縫隙預(yù)報(bào)系統(tǒng)丁一匯國(guó)家氣候中心高等天氣學(xué)講座(2014年春季）單元五：天氣預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)員心中的苦楚自己知道，心里的喜樂(lè)，外人無(wú)干。(NapierShaw,改變自圣經(jīng)（箴言第14章第10節(jié)）

引自K.Emanuel,2005）一、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的進(jìn)展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功是20世紀(jì)最重要的科學(xué)，技術(shù)和社會(huì)成就之一。在過(guò)去25年，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的技巧有明顯提高。至少是每十年增加1天。

1980—2004年南北半球溫帶地區(qū)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)技巧的演變。ECMWF500hPa高度距平相關(guān)系數(shù)（ACC）。陰影區(qū)是南北半球技巧差

（Hollingsworthetal.,2003）NMC/NCEP模式北美地區(qū)500hPa(ghm)36hr預(yù)報(bào)誤差，從1950年代開(kāi)始用數(shù)值模式以來(lái)誤差一直穩(wěn)定下降。存在兩個(gè)問(wèn)題（1）高影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率需要提高。高影響天氣：對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生重大影響的天

氣現(xiàn)象與事件，如對(duì)流性和地形降水造成的洪水、暴

雨雪、沙塵暴，破壞性地面大風(fēng)等。也包括高溫/冷害、

干旱、影響空氣質(zhì)量的氣候條件以及具有高度社會(huì)和

經(jīng)濟(jì)影響的非極端天氣等。它們一般由包含有中尺度

天氣的溫帶和熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)引起。高影響天氣

事件的發(fā)生是小概率事件，但風(fēng)險(xiǎn)很高，其后果可能

是災(zāi)難性的。改進(jìn)高影響天氣的預(yù)報(bào)技巧是21世紀(jì)重

大科學(xué)與社會(huì)挑戰(zhàn)之一。THORPEX計(jì)劃的建立即是應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。目前已具備五個(gè)條件來(lái)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)：

對(duì)大氣可預(yù)報(bào)性的理論和實(shí)際界限的認(rèn)識(shí)在深入，包括年際與季節(jié)內(nèi)氣候變率對(duì)預(yù)報(bào)技巧的影響；地球系統(tǒng)觀測(cè)的擴(kuò)展；能夠同化各種觀測(cè)資料的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的迅速發(fā)展；具有先進(jìn)的預(yù)報(bào)方法，如數(shù)值方法改進(jìn)，物理過(guò)程表述更準(zhǔn)確合理，集合天氣預(yù)報(bào)方法應(yīng)用，超級(jí)計(jì)算速度和存儲(chǔ)猛增等；對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的創(chuàng)新理念與途徑，據(jù)此將大大促進(jìn)天氣信息的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)利用。（2）預(yù)報(bào)時(shí)效要進(jìn)一步從7天擴(kuò)展到14天，

即達(dá)到中短期天氣預(yù)報(bào)的極限值。再進(jìn)

一步，與氣候預(yù)報(bào)相銜接，要共同解決2周到幾周的天氣預(yù)報(bào)，這是目前無(wú)縫

隙預(yù)報(bào)的主要問(wèn)題。二、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題所謂可預(yù)報(bào)性是指天氣預(yù)報(bào)在時(shí)效上的一種上限。這由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的不確定性造成：（1）模式中表征物理過(guò)程或計(jì)算近似造成的

不確定性，也稱模式誤差，尤其是方程

中求解的數(shù)值近似與不可分辨（次網(wǎng)格）

運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化。由此造成的物理過(guò)程與

發(fā)生在大氣中實(shí)際的物理過(guò)程不一致。（2）預(yù)報(bào)初值條件的不確定性。由觀測(cè)的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差，

時(shí)空分布的不均勻性，觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)預(yù)報(bào)模式可分辨的

時(shí)空尺度的代表性，以及資料同化系統(tǒng)的近似性等造

成。簡(jiǎn)言之，這是由于大氣實(shí)際的初始狀態(tài)與用于模

式初值之間的差別造成。初始誤差隨時(shí)間增長(zhǎng)，3—5

天時(shí)，誤差變成2倍，對(duì)于小的誤差增長(zhǎng)更快。短期天

氣預(yù)報(bào)誤差的最大貢獻(xiàn)是由初始條件不確定性造成。

“經(jīng)典”的可預(yù)報(bào)性理論的研究是把大氣處理成一種不

穩(wěn)定的非線性湍流系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，任何擾動(dòng)，

不管它是怎樣小，最終都會(huì)發(fā)展到超過(guò)系統(tǒng)的確定性

變化。除系統(tǒng)的氣候狀態(tài)之外，一切都將被破壞。經(jīng)

典理論最主要內(nèi)容是估計(jì)小誤差的增長(zhǎng)率。對(duì)一些早期模式實(shí)驗(yàn)的誤差增長(zhǎng)率研究發(fā)現(xiàn)，剩余均方差誤差大約5天增加一倍。但后來(lái)又發(fā)現(xiàn)，誤差增長(zhǎng)率與模式的空間分辨率有關(guān)，在高分辨時(shí)，誤差加倍時(shí)間減少到3天左右。Lorenz試圖從實(shí)際大氣觀測(cè)中估計(jì)誤差增長(zhǎng)率，這可避免模式的影響。他估計(jì)出小誤差的加倍時(shí)間約為2.5天。根據(jù)湍流理論所做的誤差增長(zhǎng)率計(jì)算大致也是這個(gè)量值。增長(zhǎng)率的快慢與可預(yù)報(bào)性密切相關(guān)，如果誤差增長(zhǎng)很快，則可預(yù)報(bào)性短，如果增長(zhǎng)很慢，可預(yù)報(bào)性就長(zhǎng)。用數(shù)值模式進(jìn)行的可預(yù)報(bào)性研究還清楚地表明，理論預(yù)報(bào)誤差的增長(zhǎng)與大氣尺度有關(guān)。換句話說(shuō)，可預(yù)報(bào)性與所預(yù)報(bào)的運(yùn)動(dòng)尺度有密切關(guān)系。大尺度運(yùn)動(dòng)比較小尺度有更大的可預(yù)報(bào)性。用正壓模式進(jìn)行的可預(yù)報(bào)性理論研究表明，20000km波的可預(yù)報(bào)性幾乎比5000km的波大4倍。（3）固有不確定性或剩余不確定性。由不可分辨運(yùn)動(dòng)造成，這種運(yùn)動(dòng)

是獨(dú)立于預(yù)報(bào)模式分辨的運(yùn)動(dòng)。主要由有限模式分辨率產(chǎn)生。不

論譜模式或格點(diǎn)模式，這種由離散網(wǎng)格點(diǎn)代替連續(xù)時(shí)空的計(jì)算方

法都會(huì)帶來(lái)一定誤差。根據(jù)實(shí)際資料進(jìn)行的數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到的有用可預(yù)報(bào)性為4~5天（預(yù)報(bào)誤差達(dá)到氣候方差的時(shí)候）。另外并得到：（1）在預(yù)報(bào)開(kāi)始，誤差增長(zhǎng)要快得多；（2）對(duì)某些模式，超長(zhǎng)波的可預(yù)報(bào)性比較小尺度的波動(dòng)??；（3）所有數(shù)值模式都產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，且具有特征的地理分布；（4）每天、每段時(shí)間的可預(yù)報(bào)性變化都很大。分析表明，預(yù)報(bào)開(kāi)始的時(shí)候，誤差的迅速增長(zhǎng)最可能由初始狀態(tài)規(guī)定的不確定引起，尤其是位相誤差可引起初始誤差很快的增長(zhǎng)。如果模式的水平和垂直分辨率不足或物理參數(shù)化模式過(guò)于簡(jiǎn)化，則超長(zhǎng)波的誤差增長(zhǎng)率較高。但一般復(fù)雜的預(yù)報(bào)模式對(duì)超長(zhǎng)波預(yù)報(bào)得較好，如歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的模式，報(bào)超長(zhǎng)波比中間尺度的波要好。系統(tǒng)誤差與長(zhǎng)波誤差有關(guān)。因?yàn)榇蟪叨乳L(zhǎng)波具有特征的大尺度地理分布，故大尺度系統(tǒng)誤差反映了長(zhǎng)波系統(tǒng)的預(yù)報(bào)誤差，這些誤差在冬季最明顯，其共同特征是在大西洋西部預(yù)報(bào)的高度值偏高，而東大西洋地區(qū)偏低。太平洋地區(qū)有類似的誤差分析?？深A(yù)報(bào)性隨時(shí)間有很大的變化。根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心高分辨全球格點(diǎn)模式7次計(jì)算表明，可預(yù)報(bào)性從不到5天到8天以上。在有些天，所有預(yù)報(bào)都不好，而另些天，都不錯(cuò)?？深A(yù)報(bào)性這種隨時(shí)間變化的原因還不清楚。三、氣象預(yù)報(bào)中的混沌問(wèn)題什么是混沌？撇開(kāi)數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的定義不談，從物理上，我們可以說(shuō)混

沌是在決定性（deterministic）動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種貌似隨機(jī)的

運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)通常由微分方程、差分方程或簡(jiǎn)單的迭代方程所描

述，“決定性”指方程中的系數(shù)都是確定的，沒(méi)有概率性因素。從數(shù)

學(xué)上說(shuō)，對(duì)于確定的初始值，決定性的方程應(yīng)給出確定的解，描述著

系統(tǒng)確定的行為。但在某些非線性系統(tǒng)中，這種過(guò)程會(huì)因初始值極微

小的擾動(dòng)而產(chǎn)生很大的變化，即系統(tǒng)對(duì)初值依賴的敏感性。由于這種

初值敏感性，從物理上看，過(guò)程好像是隨機(jī)的。這種“假性隨機(jī)”與

方程中有反應(yīng)外界干擾的隨機(jī)項(xiàng)或隨機(jī)系數(shù)而引起的隨機(jī)性不同，是

決定系統(tǒng)內(nèi)部所固有的，可稱之為內(nèi)稟隨機(jī)性（intrinsic

stochasticity).

（引自趙凱華，羅蔚茵，2010；Stocker，2007）與混沌有關(guān)的名詞解釋耗散系統(tǒng)：系統(tǒng)在它的時(shí)間發(fā)展中能量有損耗。吸引子和決定系統(tǒng)長(zhǎng)期行為的極限環(huán)的存在是耗散系統(tǒng)的特征?；煦缦到y(tǒng)：系統(tǒng)具有對(duì)初始條件敏感的依賴性，但是它僅存在于有限的相空間之內(nèi)。吸引子：相空間里的某個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)一旦到達(dá)后就再不能離開(kāi)。奇異吸引子：即在該處系統(tǒng)性質(zhì)敏感地依賴于初始條件的吸引子，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入奇異吸引子，它的運(yùn)動(dòng)是混沌的。極限環(huán)：當(dāng)瞬態(tài)（瞬時(shí)振動(dòng)）衰竭后系統(tǒng)“進(jìn)入”的周期性運(yùn)動(dòng)。如果系統(tǒng)具有極限環(huán)，對(duì)于許多不同的初始條件，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，系統(tǒng)將進(jìn)入極限環(huán)，并且不會(huì)再離開(kāi)它，有關(guān)初始的信息將極大程度地喪失。態(tài)空間和相空間：

組態(tài)空間：物理系統(tǒng)各變量組建的空間，如x-t圖，經(jīng)

典力學(xué)中的位置函數(shù)的組建空間，即運(yùn)動(dòng)在其中的空間

（一般是三維空間：

V（x,y,z））

相空間：是由位置變量x及其相應(yīng)的動(dòng)量變量組建的空

間。對(duì)于經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)，它就是態(tài)空間，如數(shù)學(xué)擺由空

間變量θ（偏角）和它的時(shí)間微商dθ/dt構(gòu)成（理想擺

軌跡是橢圓，周期性運(yùn)動(dòng)；阻尼擺是螺旋線），也可用

x-y圖描繪出相空間中系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)軸代表相空間

的一個(gè)坐標(biāo)。閉合的相空間軌跡代表周期運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式可預(yù)報(bào)多長(zhǎng)的天氣變化?進(jìn)一步,由復(fù)雜的耦合氣候模式預(yù)測(cè)的將來(lái)氣候變化是否可靠？有多大程度上是可信的？這是許多人經(jīng)常提出的一個(gè)科學(xué)問(wèn)題?；煦缋碚摳嬖V我們，在混沌系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有對(duì)初始條件敏感的依賴性，也就是系統(tǒng)的初始條件僅僅稍有改變，足夠長(zhǎng)時(shí)間后，系統(tǒng)將達(dá)到完全不同的狀態(tài)。由于初始條件總不能精確地知道，即使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是嚴(yán)格確定的，但是人們?nèi)詿o(wú)法預(yù)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期行為（確定性混沌）。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，系統(tǒng)是確定的，但不可預(yù)測(cè)。長(zhǎng)期以來(lái)，牛頓

動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為是高度確定性的，因而原則上可預(yù)測(cè)的。但

這種可預(yù)報(bào)性最先在1903年前后被法國(guó)數(shù)學(xué)家龐加萊所質(zhì)

疑，他研究了牛頓動(dòng)力學(xué)下物體運(yùn)動(dòng)的近似解，發(fā)現(xiàn)一些

解并不收斂，他認(rèn)識(shí)到在這些情況下，實(shí)際解一定是高度

依賴于初條件，致使實(shí)際的可預(yù)報(bào)不復(fù)存在。這種微小差

異的初始條件可導(dǎo)致不同預(yù)報(bào)結(jié)果的不可預(yù)報(bào)的混沌行為，

在上世紀(jì)六十年代得到了廣泛的研究。并且第一次被洛倫

茲（E.N.Lorenz）用于大氣模式中，得到了著名的Lorenz吸引子，并形象地把這種大氣的混沌行為描繪為

“蝴蝶效應(yīng)”。（Lorenz，1993）

應(yīng)該指出，Lorenz揭示的混沌行為是所謂的確定性混沌?？梢赃@樣

理解：混沌不是隨機(jī)的。任何混沌系統(tǒng)的現(xiàn)在狀態(tài)仍然按照自然定

律與過(guò)去和未來(lái)狀態(tài)相關(guān)，但是將來(lái)的行為只是有限度地可預(yù)報(bào)。

對(duì)初值的敏感性意味著，由觀測(cè)引起的不確定性比系統(tǒng)按自然規(guī)律

隨時(shí)間的演變?cè)鲩L(zhǎng)得愈來(lái)愈快。結(jié)果既使其觀測(cè)精度倍增，用最完

善的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，其有用的預(yù)報(bào)期也遠(yuǎn)不能延長(zhǎng)一倍。因而其預(yù)

報(bào)時(shí)限或可預(yù)報(bào)性是有上限的，大致在2周左右。除了對(duì)初值極其敏

感以外，混沌系統(tǒng)的另一特征是：它們永遠(yuǎn)不會(huì)完全一樣的重復(fù)自

己，但可以大致相似的循環(huán)方式演變。換言之，每隔一段時(shí)間，在

某些地區(qū)，我們只能看到大致相似的天氣系統(tǒng)，而看不到完全雷同

的天氣系統(tǒng)。其原因是在混沌系統(tǒng)中（即使簡(jiǎn)單的混沌系統(tǒng)）存在

非線性關(guān)系。

(a)由一個(gè)長(zhǎng)10cm的線和其末端的擺錘組成一個(gè)單擺系于一個(gè)懸掛點(diǎn)上，它隨著一個(gè)線性振蕩的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，這個(gè)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的周期和單擺的共振頻率f0非常接近。(b)和(c)表明擺錘在水平面上運(yùn)動(dòng)的狀況，標(biāo)度是cm。(b)當(dāng)強(qiáng)迫頻率正好高于f0時(shí)，擺錘的運(yùn)動(dòng)處在一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則形狀。(c)當(dāng)強(qiáng)迫頻率正好低于f0時(shí)，擺錘給出混沌狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)（盡管運(yùn)動(dòng)被包含在處于給定區(qū)域內(nèi)），這種運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)變化的，不連續(xù)的，它是初始狀態(tài)的函數(shù)。（Houghton，2013）（a）蝴蝶效應(yīng)：用同樣的Lorenz大氣模式進(jìn)行兩次運(yùn)算，所有條件皆同，只是初條件略有不同?？梢钥吹饺我贿x取的變量之變化并不相似。在整個(gè)積分期的后三分之二時(shí)段完全不相似。這表明預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)初值的差別十分敏感；（b）具有不能預(yù)期轉(zhuǎn)換的近似重復(fù)性：

當(dāng)對(duì)流單體成滾軸狀圍繞著一水平軸時(shí)，代表對(duì)流模式狀態(tài)連續(xù)演變序列的線依其自身而不斷轉(zhuǎn)換

（Mcilveen，

2010）混沌的畫(huà)像簡(jiǎn)短的歷史說(shuō)明

在19世紀(jì)牛頓力學(xué)認(rèn)為：一個(gè)物理系統(tǒng)的現(xiàn)在條件必然與它過(guò)去和將來(lái)的條件相關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，根據(jù)這些自然定律由現(xiàn)在的條件可以“決定”其將來(lái)的條件。法國(guó)自然哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家Laplace在1812年對(duì)這些自然定律更進(jìn)一步擴(kuò)大稱：對(duì)宇宙萬(wàn)物現(xiàn)在狀態(tài)的完美認(rèn)知與對(duì)其所有行為的自然定律的完美了解將“決定”宇宙的將來(lái)，直到時(shí)間終結(jié)。這就是當(dāng)年盛行一時(shí)的拉普拉斯決定論。不可避免的，20世紀(jì)初的氣象學(xué)家也繼承了這種信念。他們開(kāi)始用基本物理定律制作天氣預(yù)報(bào)。最著名的例子就是Richardson在上世紀(jì)初進(jìn)行的第一次數(shù)值預(yù)報(bào)嘗試。兩位科學(xué)家對(duì)拉普拉斯決定論的挑戰(zhàn)

在上世紀(jì)初，HeuryPoincate在一篇名為“科學(xué)與方法”的文章中指出：若我們明確知道自然定律與宇宙初始時(shí)刻的狀態(tài)，我們就能夠正確預(yù)測(cè)出相同宇宙在下一時(shí)刻的狀態(tài)……但情況不會(huì)一直如此，初始條件的微小差異導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)的重大差異是可能會(huì)發(fā)生的。先前的小誤差將會(huì)引起后來(lái)的巨大誤差。預(yù)測(cè)變得不可能，總有意想不到的地方（轉(zhuǎn)引自K.Emanuel，吳俊杰，金棣譯，2005）。

后來(lái)，拉普拉斯決定論進(jìn)一步從物理上在1920年代被量子力學(xué)理論和觀測(cè)結(jié)果所動(dòng)搖，此即海森伯（Heisenberg）不確定度關(guān)系。這個(gè)關(guān)系說(shuō)明所有（如其軌道）原子和亞原子粒子，都因受到不確定性而模糊不定。也就是說(shuō)，在量子力學(xué)中，粒子軌道，即粒子作為時(shí)間的函數(shù)概念失去意義，粒子的坐標(biāo)與動(dòng)量不可能同時(shí)具有確定值。

這種不確定性只有通過(guò)考慮大量小粒子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果才能得以減少。雖然拉普拉斯確定論受到上述兩個(gè)方面的沖擊，但大氣預(yù)報(bào)仍然遵循拉普拉斯確定論，認(rèn)為是確定性的，直到上世紀(jì)六十年代。

熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)的混沌問(wèn)題我們必須在混沌的流場(chǎng)中處理天氣系統(tǒng)的混淆軌跡?；煦缋碚摳嬖V我們，不確定性一直存在，而且有的會(huì)特別高，如一個(gè)接近鞍形流場(chǎng)中鞍點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)，它可走向完全相反的路徑，這只取決于初始位置上的極小差異。颶風(fēng)運(yùn)動(dòng)的8個(gè)預(yù)報(bào)，用同一個(gè)模式，但8個(gè)不同的渦旋初始位置（右下方）所做出來(lái)的預(yù)測(cè)

大氣(包含天氣和氣候)是一種混沌現(xiàn)象,它具有明顯的湍流或非周期性運(yùn)動(dòng)。它的長(zhǎng)期行為是否可預(yù)測(cè)？如果可預(yù)測(cè)，是否存在一個(gè)預(yù)測(cè)的極限？這涉及到天氣與氣候的可預(yù)測(cè)性問(wèn)題。由于時(shí)間所限，這里將不再詳細(xì)討論大氣或氣候系統(tǒng)（如海洋）的混沌特性與行為，以及如何研究其可預(yù)報(bào)性，而只提供一些重要的證據(jù)和理由來(lái)說(shuō)明天氣與氣候模式的預(yù)測(cè)結(jié)果在什么情況下和在多大程度上是可預(yù)報(bào)的，因而其預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)該是可靠的。（1）初值決定的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)其理論可預(yù)報(bào)上限為2周，但

如果數(shù)值模式十分完善，初始條件誤差很小，預(yù)報(bào)時(shí)

限可延長(zhǎng)到3周，這可能是用確定性的動(dòng)力模式方法獲

得有用預(yù)報(bào)的最長(zhǎng)時(shí)效。但是對(duì)于某些天氣和氣候形

勢(shì)下的預(yù)報(bào)尚可維持延長(zhǎng)，甚至達(dá)到近4周的時(shí)間。這

主要是對(duì)冬季中緯度大尺度大振幅準(zhǔn)定常波的預(yù)報(bào)。

它們常常表現(xiàn)為具有持續(xù)性高氣壓區(qū)的阻塞形勢(shì)。另

外模式中對(duì)熱帶大氣環(huán)流和行星尺度波動(dòng)描述的改進(jìn)

也能顯著改進(jìn)中高緯度天氣和氣候異常的預(yù)報(bào)。（2）對(duì)于月以上的氣候預(yù)報(bào)如季節(jié)和年際預(yù)報(bào)，耦合強(qiáng)迫（如海洋與

陸面過(guò)程，包括積雪覆蓋）對(duì)氣候異常起著非常重要的作用。例

如中東赤道太平洋海表溫度一旦出現(xiàn)明顯異常（變暖或變冷），

會(huì)形成厄爾尼諾或拉尼娜現(xiàn)象。目前已可依據(jù)這種海洋對(duì)大氣的

耦合強(qiáng)迫作用提前1年做出全球氣候變化或異常的預(yù)報(bào)。另外，海

洋和陸面過(guò)程可以引起大氣環(huán)流的優(yōu)勢(shì)模態(tài)，這種環(huán)流的優(yōu)勢(shì)模

態(tài)可持續(xù)數(shù)年或數(shù)十年，從而造成大范圍甚至全球的氣候異?；?/p>

氣候變化。這種行星尺度的環(huán)流優(yōu)勢(shì)模態(tài)或者由耦合強(qiáng)迫產(chǎn)生；

也可能在人類引起的氣候變化條件下產(chǎn)生?，F(xiàn)在大多數(shù)國(guó)際上先

進(jìn)的復(fù)雜耦合氣候模式能預(yù)測(cè)這種環(huán)流的優(yōu)勢(shì)模態(tài)，它們對(duì)于區(qū)

域氣候變化的預(yù)報(bào)尤其重要。從動(dòng)力系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，這反映了海

洋或陸面強(qiáng)迫或日益增加的人類活動(dòng)引起的溫室氣體造成的輻射

強(qiáng)迫影響的氣候吸引子幾何形狀會(huì)發(fā)生什么變化?；煦缋碚摰难?/p>

究表明，雖然在混沌系統(tǒng)中，個(gè)別軌跡可以是不可預(yù)報(bào)的，但整

個(gè)幾何形狀的變化是完全可預(yù)報(bào)的。上述氣候變率優(yōu)勢(shì)模態(tài)的存

在和演變，反映了吸引子幾何形狀和優(yōu)勢(shì)極性的改變。（3）氣候變化的預(yù)測(cè)不同于幾周時(shí)間尺度的天氣的可預(yù)報(bào)

性，后者主要依賴于初值，而前者即依賴初始條件，

也依賴邊界條件或者完全依賴于邊條件。較短時(shí)間尺

度的氣候預(yù)測(cè)或短期氣候預(yù)測(cè)，就是依賴于上兩種條

件，因而在模式中邊界條件的變化如上邊界太陽(yáng)輻射

的季節(jié)循環(huán)，下邊界的海表溫度的變化都包含在模式

中。這種可預(yù)報(bào)性被洛侖茲稱為第一類可預(yù)報(bào)性。對(duì)

于長(zhǎng)期（幾十年或幾百年）的氣候變化預(yù)測(cè)，如由人

類活動(dòng)造成的溫室氣體增加引起的全球氣候變化，將

不依賴于大氣的初始條件，這是由于在模式長(zhǎng)期積分

之后，將完全喪失對(duì)初條件的記憶，因而失去它的影

響。這種完全依賴于詳細(xì)邊界條件變化的氣候預(yù)測(cè)被洛侖茲稱為第二類可預(yù)報(bào)性，其可預(yù)報(bào)性決定于外界強(qiáng)迫變化的時(shí)間尺度。由于氣候系統(tǒng)的慣性，即使施加于邊界（包括CO2增加）的外強(qiáng)迫消失之后很久，氣候系統(tǒng)還將繼續(xù)變化相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，甚至長(zhǎng)達(dá)千年以上。海平面上升的響應(yīng)就是一個(gè)例子。從外強(qiáng)迫引起的輻射平衡的變化看（即輻射強(qiáng)迫），由人類活動(dòng)造成溫室氣體的增加與火山爆發(fā)，太陽(yáng)活動(dòng)等外強(qiáng)迫在引起全球輻射不平衡上是相當(dāng)?shù)暮偷刃У?。古氣候模擬表明，氣候模式對(duì)于自然的外強(qiáng)迫響應(yīng)是比較合理的與正確的，因而有理由認(rèn)為，氣候模式對(duì)于溫室氣體增加的氣候響應(yīng)也應(yīng)是基本正確的。這就是氣候變化預(yù)測(cè)可靠性的基本科學(xué)基礎(chǔ)。

從混淆理論觀點(diǎn)看，這種結(jié)果是令人十分意外的。它反映了氣候系統(tǒng)的某種規(guī)則性，表明對(duì)于一些大的氣候變化，氣候系統(tǒng)并不是強(qiáng)混沌性質(zhì)的，而是以大致可預(yù)報(bào)的方式響應(yīng)米蘭科維奇的強(qiáng)迫作用。這種強(qiáng)迫產(chǎn)生于地球軌道變化引起的地球上太陽(yáng)輻射分布的變化。前面已經(jīng)指出，由溫室氣體增加所引起的全球氣候變化也是被大氣頂輻射狀況的變化驅(qū)動(dòng)。從性質(zhì)上它與米蘭科維奇強(qiáng)迫產(chǎn)生的輻射狀況變化并無(wú)不同，因而可以認(rèn)為，從這個(gè)方面看溫室氣體增加將也應(yīng)該導(dǎo)致基本可預(yù)測(cè)的全球氣候響應(yīng)。由于預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)初始條件的敏感性，首先是要改進(jìn)全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)，以為氣候模式提供更準(zhǔn)確的初始場(chǎng)。但要做到這一點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是有困難的，因而目前的解決辦法是用數(shù)學(xué)方法對(duì)觀測(cè)的初值進(jìn)行擾動(dòng)，得到在觀測(cè)和分析誤差范圍之內(nèi)相差甚小的一群初始值，它們代表在初始時(shí)刻可能出現(xiàn)的所有觀測(cè)場(chǎng)，其數(shù)量可達(dá)50個(gè)以上。以后用每一初始值進(jìn)行預(yù)報(bào)，最后把所有個(gè)別預(yù)報(bào)成員用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行集合。如果各預(yù)報(bào)成員的結(jié)果具有低離散度，則預(yù)報(bào)具有較高的技巧和可信度。反之如果個(gè)別成員的預(yù)報(bào)相互之間有很大的離散度，則預(yù)報(bào)技巧偏低。集合氣候預(yù)測(cè)的示意圖。依據(jù)十分接近的一組初始條件制作的30天氣候預(yù)測(cè)。有些集合預(yù)報(bào)整體上表現(xiàn)出低的離散度，有些則表現(xiàn)高度散度，低離散度的集合預(yù)報(bào)可用于實(shí)際的預(yù)報(bào)，它具有更大的可信度。

另一方面，天氣與氣候模式并不是十分完善的，尤其是對(duì)于中小尺度（如云）和湍流運(yùn)動(dòng)的描述是比較粗的，它們主要采用物理參數(shù)化方法，即以大尺度變量表征它們的總體效應(yīng)，這也會(huì)導(dǎo)致天氣與氣候氣候預(yù)測(cè)的誤差，因而繼續(xù)改進(jìn)和完善天氣與氣候模式是另一方面的發(fā)展方向。由于目前各國(guó)氣候預(yù)報(bào)中心使用的模式并不完全相同，各具特點(diǎn)，因而也可以采用數(shù)學(xué)方法對(duì)各種模式的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行集合，這叫做超級(jí)集合方法。但有一個(gè)前提，就是參加模式超級(jí)集合的各氣候模式一般要有較好的預(yù)報(bào)性能。通過(guò)集合之后一方面可使模式的隨機(jī)誤差或噪音相互抵消以及系統(tǒng)偏差減小，另一方面可突顯出由耦合強(qiáng)迫與外強(qiáng)迫在模式中產(chǎn)生的有用氣候信號(hào)，以提高集合預(yù)報(bào)的信噪比。因而目前和將來(lái)的天氣和氣候預(yù)測(cè)是多初值與多模式集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。因而，從本質(zhì)上看，天氣和氣候預(yù)報(bào)演變成一種概率預(yù)報(bào)。為了給公眾和用戶一個(gè)確定性的預(yù)報(bào)結(jié)果，目前是對(duì)各成員用算術(shù)平均（等權(quán)重）或加權(quán)平均得到。這在某種程度上，是解決作為混沌現(xiàn)象的天氣和氣候變化的一個(gè)很好的途徑。

四、天氣預(yù)報(bào)方法的分類天氣預(yù)報(bào)方法總的可分為兩類：一是經(jīng)驗(yàn)方法，也稱主觀預(yù)報(bào)方法。主要依據(jù)天氣圖、衛(wèi)星和雷達(dá)資料以及各種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和統(tǒng)計(jì)圖表由預(yù)報(bào)員綜合作出。因而預(yù)報(bào)的正確性很大程度上取決于預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)。這種方法的缺點(diǎn)是不夠客觀和定量，但它有重要作用。本節(jié)不討論這種預(yù)報(bào)方法。第二類是客觀預(yù)報(bào)方法。這包括數(shù)值預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)。近三十年來(lái)，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)又與數(shù)值預(yù)報(bào)相結(jié)合發(fā)展成統(tǒng)計(jì)－動(dòng)力（或數(shù)值）預(yù)報(bào)方法。從五十年代開(kāi)始就研究數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法。到六十年代初，不少國(guó)家都已建立了數(shù)值預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。目前數(shù)值預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力不斷提高，它是實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)客觀化定量化的主要手段?？偟膩?lái)說(shuō)，由于數(shù)值預(yù)報(bào)的不斷改進(jìn)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率到九十年代增加了一倍，從30％增加到60％（正確率的評(píng)分為2×(70－S1)，如得毫無(wú)價(jià)值的預(yù)報(bào)圖，得0，此時(shí)S1＝70；對(duì)實(shí)際完全正確的預(yù)報(bào)圖得100（％），此時(shí)S1＝20）。環(huán)流的預(yù)報(bào)能力也從3天增加到一周或10天。從數(shù)值模式看，也變得愈來(lái)愈復(fù)雜和完善。最早用的是正壓模式和地轉(zhuǎn)模式，以后變成半球的原始方程模式，又發(fā)展到全球模式，并用實(shí)際風(fēng)觀測(cè)資料直接輸入。同時(shí)為滿足要素預(yù)報(bào)又發(fā)展了區(qū)域模式，細(xì)網(wǎng)格模式和套網(wǎng)格模式（用大網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)結(jié)果為中、小網(wǎng)格預(yù)報(bào)模式提供邊界條件）。目前數(shù)值預(yù)報(bào)還有許多問(wèn)題需要解決，例如對(duì)于可移動(dòng)的套網(wǎng)格有限區(qū)模式，不少國(guó)家都十分重視，但目前大部分這種模式都是所謂單向的，即只有大尺度模式通過(guò)邊界條件影響有限區(qū)模式。目前正研究使用可移動(dòng)的雙向相互作用的細(xì)網(wǎng)格模式來(lái)作某些重要天氣系統(tǒng)（如溫帶氣旋和臺(tái)風(fēng)）的預(yù)報(bào)。對(duì)于中尺度模式的試驗(yàn)和研究也在積極進(jìn)行，其分辨率為50～70km到幾km。這種中尺度模式對(duì)于預(yù)報(bào)暴雨，強(qiáng)天氣爆發(fā)是十分重要的。但一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是如何取得合理的初始資料問(wèn)題。另外，時(shí)間尺度1個(gè)月的延伸數(shù)值預(yù)報(bào)雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有不少問(wèn)題需要解決。這種預(yù)報(bào)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的價(jià)值非常大。中期預(yù)報(bào)是一個(gè)難題，目前正在一些國(guó)家進(jìn)行。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)的水平超過(guò)了氣候預(yù)報(bào)和持續(xù)性預(yù)報(bào)。但是要把預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供一定的程度還有許多的問(wèn)題需要解決。上述預(yù)報(bào)模式主要涉及中高緯地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)，雖然進(jìn)展明顯，但在熱帶預(yù)報(bào)方面則進(jìn)展不太大。為改進(jìn)熱帶預(yù)報(bào)尚需要許多研究工作。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法在最近30年進(jìn)展也十分明顯。在統(tǒng)計(jì)方法中，未來(lái)的天氣狀況可以根據(jù)現(xiàn)在天氣狀態(tài)和氣候平均的時(shí)間滯后相關(guān)用回歸方程估計(jì)。統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是它以觀測(cè)的實(shí)際大氣的特點(diǎn)為依據(jù)。不足之處在于，根據(jù)現(xiàn)有的氣候資料序列建立起來(lái)的一些簡(jiǎn)單的回歸方程具有顯著的抽樣誤差，也不能反映大氣中復(fù)雜的非線性物理過(guò)程和動(dòng)力過(guò)程。統(tǒng)計(jì)方法的可預(yù)報(bào)性極限，可以從時(shí)間滯后函數(shù)趨于零這一觀測(cè)事實(shí)來(lái)確定。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)的效用越來(lái)越小。有二種主要的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法，一種是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法（CS）。它需要得到初條件與某個(gè)以后時(shí)刻條件之間的統(tǒng)計(jì)后延關(guān)系。例如用這種關(guān)系可直接由今天的觀測(cè)資料預(yù)報(bào)明天或后天的天氣。這種方法完全不考慮數(shù)值預(yù)報(bào)或動(dòng)力模式的結(jié)果，是一種純統(tǒng)計(jì)方法。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法很多，這包括：概率天氣預(yù)報(bào)方法、分類預(yù)報(bào)（是/否預(yù)報(bào)，多類預(yù)報(bào)）、相關(guān)回歸預(yù)報(bào)（一元或多元回歸，逐次回歸，事件概率回歸等），判別分析（二元與多元判別，逐步判別），時(shí)間序列分析（平穩(wěn)分析，譜波分析）、譜分析與過(guò)濾技術(shù)等。第二種是統(tǒng)計(jì)－動(dòng)力預(yù)報(bào)方法，這又包括完全預(yù)報(bào)法（PP）和模式輸出統(tǒng)計(jì)方法（MOS）。完全預(yù)報(bào)法是建筑在數(shù)值預(yù)報(bào)模式能作出較好的環(huán)流型預(yù)報(bào)的條件上。如同CS方法中一樣，它用長(zhǎng)期實(shí)測(cè)歷史資料（氣象要素和各層形勢(shì)場(chǎng)）統(tǒng)計(jì)得到局地天氣和氣象預(yù)報(bào)因子（由環(huán)流等表征）間的預(yù)報(bào)方程。這個(gè)關(guān)系是同時(shí)期的，不是落后的。在作預(yù)報(bào)時(shí)，用各層形勢(shì)場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果代入預(yù)報(bào)方程就可得到每天的要素預(yù)報(bào)。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是數(shù)值預(yù)報(bào)的誤差不可避免的全部進(jìn)入這種統(tǒng)計(jì)方法的預(yù)報(bào)結(jié)果中去。即它認(rèn)為數(shù)值預(yù)報(bào)是完全對(duì)的，因而它與數(shù)值預(yù)報(bào)模式的改進(jìn)關(guān)系很大。一般當(dāng)數(shù)值模式有改進(jìn)時(shí)，PP方法也有改進(jìn)。這種方法不適用概率預(yù)報(bào)。其優(yōu)點(diǎn)是由于用了較長(zhǎng)時(shí)間的資料樣本，所得到的預(yù)報(bào)方程比較穩(wěn)定，并且在推導(dǎo)方程時(shí)不需要用數(shù)值預(yù)報(bào)的樣本，也不受數(shù)值模式改進(jìn)的影響。MOS方法與PP方法相似也是把動(dòng)力與統(tǒng)計(jì)方法組合在一起，得到瞬時(shí)的預(yù)報(bào)關(guān)系，也即根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)的形勢(shì)和物理量場(chǎng)的預(yù)報(bào)資料與所報(bào)的氣象要素直接聯(lián)系建立統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程。這種方法不必使用長(zhǎng)期的觀測(cè)資料。MOS中的樣本通常是一較短時(shí)期數(shù)值預(yù)報(bào)模式作出的各種預(yù)報(bào)量。一般可把這種預(yù)報(bào)資料存檔，并且把這種資料與當(dāng)?shù)靥鞖饽Ｊ较鄬?duì)應(yīng)，然后用各種統(tǒng)計(jì)方法最后建立一套統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程。這個(gè)模式大的優(yōu)點(diǎn)是在建立預(yù)報(bào)方程時(shí)自動(dòng)地考慮了數(shù)值預(yù)報(bào)的系統(tǒng)誤差及局地氣候?qū)W，同時(shí)大量利用了數(shù)值預(yù)報(bào)的物理量場(chǎng)，效果往往較好。但是由MOS得到的預(yù)報(bào)關(guān)系每當(dāng)數(shù)值模式改變時(shí)，也要求有相應(yīng)的改變?？傊钣杏玫氖荕OS方法，它適于報(bào)天氣尺度12～60小時(shí)的預(yù)報(bào)，可用一天兩次的高空資料作出。至于更長(zhǎng)時(shí)期，PP是主要方法。對(duì)中尺度和短于12小時(shí)的預(yù)報(bào)，CS是主要方法?，F(xiàn)在MOS已被廣泛地用來(lái)代替PP，CS方法。對(duì)中長(zhǎng)期，一旦將來(lái)有了更長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)，也可進(jìn)一步被應(yīng)用。對(duì)于短期天氣預(yù)報(bào)，尤其是中尺度和局地預(yù)報(bào)，可用MOS＋CS，并且每小時(shí)更新一次。因而有人預(yù)計(jì)，MOS將成為局地和氣象要素（包括城市天氣）的主要預(yù)報(bào)工具。天氣預(yù)報(bào)雖然有了明顯的進(jìn)展，但一些關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)折性天氣或強(qiáng)烈天氣的突然爆發(fā)的預(yù)報(bào)仍然常常失敗。Ramage曾指出，這是因?yàn)榇髿馔牧骱軓?qiáng)和各向異性的性質(zhì)所決定，也即大多數(shù)能量都是在不到5～10％的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)的。這種大氣的爆發(fā)性質(zhì)是無(wú)法用動(dòng)力學(xué)或數(shù)值預(yù)報(bào)報(bào)出的，如積云的發(fā)展，雷暴或颮線的爆發(fā)，臺(tái)風(fēng)和溫帶氣旋的生成，厄爾尼諾現(xiàn)象等只能用統(tǒng)計(jì)方法作出。他特別強(qiáng)調(diào)要研究大氣中這種“爆發(fā)”的發(fā)展過(guò)程以及導(dǎo)致爆發(fā)的先決條件。這種意見(jiàn)與數(shù)值模式的研究者是不同的，后者認(rèn)為大氣的運(yùn)動(dòng)是決定性的，只要有了好的觀測(cè)網(wǎng)和完善的模式，強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)，是能夠作出正確的天氣預(yù)報(bào)來(lái)?，F(xiàn)在天預(yù)報(bào)也正是沿著這兩條路向前發(fā)展。近幾十年來(lái)又把兩者結(jié)合起來(lái)使預(yù)報(bào)正確率有了相當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>

中短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)天氣預(yù)報(bào)和大氣模擬從時(shí)間尺度可以分為短中期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，前者主要取決于大氣的初始狀態(tài)；而中期預(yù)報(bào)，雖然主要考慮運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，但目前認(rèn)為，也要盡可能考慮決定最終平衡的外部強(qiáng)迫作用。前面已經(jīng)說(shuō)明了短期數(shù)值預(yù)報(bào)的情況。最早的中期預(yù)報(bào)試驗(yàn)是在六十年代末開(kāi)始，當(dāng)時(shí)進(jìn)行了一系列的半球的兩周預(yù)報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果是令人鼓舞的。大大促進(jìn)了中期預(yù)報(bào)的發(fā)展。1979年8月1日歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）開(kāi)始發(fā)布10天以內(nèi)的中期數(shù)值預(yù)報(bào)。通常采用高度距平場(chǎng)的相關(guān)作為評(píng)價(jià)中短期預(yù)報(bào)的客觀指標(biāo)。所謂高度距平場(chǎng)的相關(guān)，也就是全球某一地區(qū)一個(gè)或幾個(gè)等壓面高度的觀測(cè)值與預(yù)報(bào)值對(duì)其氣候平均的離差之間的相關(guān)。這個(gè)方法給出的預(yù)報(bào)技巧的評(píng)價(jià)一般是可靠的。通常認(rèn)為距平相關(guān)達(dá)到50％或60％，就可定義為有用的預(yù)報(bào)。下圖a是北半球中高緯地區(qū)1980年12月500和1000hPa高度場(chǎng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的平均距平相關(guān)系數(shù)。圖中表明，500hPa預(yù)報(bào)普遍優(yōu)于1000hPa預(yù)報(bào)。另外，預(yù)報(bào)技巧隨著預(yù)報(bào)時(shí)限的增長(zhǎng)而減小。在這個(gè)冬季月，1000和500hPa距平相關(guān)達(dá)50％的時(shí)間分別為預(yù)報(bào)的第6.5天和第7.2天。另外，兩次的高度場(chǎng)預(yù)報(bào)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于持續(xù)性預(yù)報(bào)。下圖b是不同波組的高度距平相關(guān)系數(shù)?？梢钥吹?，大尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確一些。波數(shù)在10～20之間的緯向波動(dòng)代表較短的天氣尺度的預(yù)報(bào)，比大尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)差的多。這一結(jié)果反映，即使天氣形勢(shì)的總體報(bào)得較好，但各種天氣現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)度有可能報(bào)錯(cuò)。b20°N-82.5°N范圍內(nèi)1980年12月各次預(yù)報(bào)的平均距平相關(guān)系數(shù)。（a）1000和500hPa高度場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)。同時(shí)給出了1000hPa持續(xù)性預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)；（b）根據(jù)1000～200hPa之間各標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度計(jì)算；計(jì)算是對(duì)不同緯向波數(shù)帶分布進(jìn)行的可預(yù)報(bào)性也有一定的空間變化。對(duì)1980年12月，歐洲500hPa高度距平相關(guān)系數(shù)在預(yù)報(bào)第4天達(dá)80％，第5.8天達(dá)60％。相應(yīng)在東亞地區(qū)同樣的相關(guān)值出現(xiàn)在第4.1天和第6.1天。這說(shuō)明亞洲地區(qū)有更高的可預(yù)報(bào)性。業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的效果隨時(shí)間也有明顯變化。首先可預(yù)報(bào)性有顯著的月際變化。從這一個(gè)月到下一個(gè)月，50％相關(guān)出現(xiàn)的時(shí)間可相差一天。除月際變化之外，預(yù)報(bào)技巧也有明顯的季節(jié)變化。如對(duì)北半球，夏季的可預(yù)報(bào)性普遍低于冬季，這在東亞和北美尤為顯著。在有些時(shí)候，可預(yù)報(bào)性較低，而在另一些時(shí)段可預(yù)報(bào)性相對(duì)比較高，可預(yù)報(bào)性的這種非季節(jié)性變化并不是純偶然的現(xiàn)象，可能與某種持續(xù)性的長(zhǎng)時(shí)間尺度的天氣過(guò)程有關(guān)，這種過(guò)程一般是容易預(yù)報(bào)一些。熱帶地區(qū)的預(yù)報(bào)效果并沒(méi)有中高緯度好。一般數(shù)值模式都會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差問(wèn)題。在65oN500hPa處，對(duì)流層溫度偏低，其極大值達(dá)3K，平流層溫度偏低的程度更明顯。500hPa以下，溫度偏低的程度隨緯度變化很少。模式中的緯向風(fēng)普遍較實(shí)際情況偏強(qiáng)。在高層，緯向平均副熱帶急流向極地方向移動(dòng)。850hPa溫度的緯向平均誤差不大?？梢钥吹皆诒泵缆浠?，阿爾卑斯山和亞洲的天山為明顯的負(fù)偏差，而在東南太平洋，大西洋和東南亞地區(qū)為大面積正偏差區(qū)。美國(guó)氣象中心（NMC）也有類似的系統(tǒng)誤差，在歐洲和亞洲有相同的相對(duì)最大和最小誤差位置。兩模式的最大差別是在北極，這種系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一個(gè)原因是對(duì)地形強(qiáng)迫估計(jì)過(guò)低。地形上處理不當(dāng)還可引起虛假的降水。例如青藏高原下風(fēng)方會(huì)產(chǎn)生大范圍虛假降水區(qū)。目前解決問(wèn)題的方法有：靜力扣除法，包括地形，重力波拖曳法等。實(shí)況澳大利亞模式20年中國(guó)的模式國(guó)內(nèi)外中國(guó)地區(qū)多年模擬的平均降水場(chǎng)比較單位：mm加拿大模式22年下圖說(shuō)明了最近30年北半球中短期業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)的進(jìn)展。1972年的曲線是1972年Miyakoda等給出的12個(gè)冬季個(gè)例的500hPa高度場(chǎng)的中短期數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，它代表了70年代初的水平?？梢钥吹?天半以后，距平相關(guān)系數(shù)小于0.6，即預(yù)報(bào)不可用。到了79/80年，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的冬季有用預(yù)報(bào)提高到了5天半，到2001/2002年，冬季預(yù)報(bào)進(jìn)一步提高到8天半。也就是說(shuō)，在過(guò)去30年中對(duì)北半球冬季大尺度氣流場(chǎng)的預(yù)報(bào)技巧提高了5天，最近20年也提高了3天。北半球500hPa位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)。圖中的1972代表Miyakoda等的結(jié)果，1979/1980代表歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心1979年12月～1980年2月的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)結(jié)果，2001/2002代表ECMWF2001年12月～2002年2月的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)結(jié)果（取自Hollingsworth等，2003）在最近20年，南半球的數(shù)值預(yù)報(bào)也有了顯著進(jìn)展，對(duì)于南半球，代表性的地區(qū)是澳大利亞與新西蘭地區(qū)。因?yàn)檫@個(gè)地區(qū)有南半球最好的地面與高空觀測(cè)網(wǎng)，其驗(yàn)證結(jié)果較為可靠。下圖給出了近20年ECMWF，英國(guó)氣象局（UKMetOffice）和日本氣象廳（JMA）對(duì)這個(gè)地區(qū)1，3和5天的預(yù)報(bào)技巧。這里的預(yù)報(bào)技巧是用SI（技巧分）表示的，它度量一組固定觀測(cè)點(diǎn)（通過(guò)取探空站點(diǎn)間或網(wǎng)格點(diǎn)間）之間高度梯度的均方根誤差（rms），也可近似為地轉(zhuǎn)風(fēng)的rms誤差。如SI＝0，則代表最高技巧的預(yù)報(bào)；如果SI＝20，則為高技巧誤差。由下圖可見(jiàn)，四個(gè)預(yù)報(bào)中心（ECMWF，JMA和GASP（澳大利亞氣象局））對(duì)1，3，5天的預(yù)報(bào)皆有明顯的改進(jìn)，尤其是在90年代中期，其中期預(yù)報(bào)水平幾乎與北半球相當(dāng)。這可能是由于（1）新的衛(wèi)星資料的增加，即新的高頻微波探測(cè)資料（AMSU），ERS和Quikscat散射儀資料；（2）模式的物理與分辨率的改進(jìn)；（3）資料同化系統(tǒng)的應(yīng)用。澳大利亞與新西蘭地區(qū)24，72與120小時(shí)，海平面氣壓預(yù)報(bào)的SI評(píng)分變化，該結(jié)果由澳大利亞氣象廳驗(yàn)證。SI是月滑動(dòng)平均值（取自Hollingsworth等，2003）隨著形勢(shì)預(yù)報(bào)的明顯改進(jìn)，天氣要素的預(yù)報(bào)也有相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。下圖給出了ECMWF降水（24小時(shí)降水大于5mm的降水事件）預(yù)報(bào)的改進(jìn)情況。所用的指數(shù)是公平威脅分（ETS：equitablethreatscores）?？梢钥吹?，在歐洲地區(qū)，在檢驗(yàn)的三個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)段（18～42小時(shí)，42～66小時(shí)與66～90小時(shí)的累計(jì)降水）其預(yù)報(bào)技巧穩(wěn)定地上升，大致相應(yīng)于每十年盈得1天的技巧。根據(jù)上面的討論，可以知道歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的預(yù)報(bào)是很成功的，10天以內(nèi)的預(yù)報(bào)都優(yōu)于持續(xù)性預(yù)報(bào)。一般來(lái)說(shuō)，北半球熱帶以外地區(qū)3～4天預(yù)報(bào)的質(zhì)量是好的。5～7天的預(yù)報(bào)通?？梢詧?bào)出總的天氣形勢(shì)。而7～10天的預(yù)報(bào)由于系統(tǒng)性誤差較大等原因，只能參考。降水和溫度等的預(yù)報(bào)也在不斷的改進(jìn)。

1993～2001年ECWMF制作的日降水預(yù)報(bào)ETS（EquitableThreatScores）逐季時(shí)間序列。預(yù)報(bào)區(qū)間為18～42小時(shí)（實(shí)線），42～66小時(shí)（點(diǎn)線）和66～90小時(shí)（虛線））。所檢驗(yàn)地區(qū)是歐洲，所取降水事件是日累計(jì)降水量大于5mm。（取自Lalaurette與Ferranti，2001）

五、集合預(yù)報(bào)解決初值條件誤差和模式誤差的途徑是使用集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（EPS），以此估計(jì)可能預(yù)報(bào)結(jié)果發(fā)生的概率。EPS是由略微不同的初值或不同模式作出個(gè)別預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)成員）的集合。集合平均代表EPS確定性的預(yù)報(bào)結(jié)果，各成員對(duì)集合平均的散布或標(biāo)準(zhǔn)差，代表EPS的不確定性，一般認(rèn)為由內(nèi)部變率造成。任一地點(diǎn)和任一變量的EPS不確定性可由概率密度函數(shù)（PDF）表征。它是由不同集合成員構(gòu)成的一種頻率分布。業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)于1992年在美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）開(kāi)始使用，近年來(lái)在其它國(guó)家的氣象中心也使用了這種預(yù)報(bào)方法。集合預(yù)報(bào)是用某種方法生成不同的初值，然后得到不同的預(yù)報(bào)結(jié)果或預(yù)報(bào)成員，然后用概率方法對(duì)所有的預(yù)報(bào)成員進(jìn)行集合，最后得到最可能的預(yù)報(bào)結(jié)果。由于預(yù)報(bào)模式分辨率，集合成員數(shù)，擾動(dòng)初值的方法和模式本身的不斷改進(jìn)，促使了集合預(yù)報(bào)方法的迅速發(fā)展，并且檢驗(yàn)和使用集合預(yù)報(bào)的方法也得到了相應(yīng)的發(fā)展。集合預(yù)報(bào)的目的有三個(gè)：第一是通過(guò)集合平均提高預(yù)報(bào)質(zhì)量，其提高之處在于集合平均有過(guò)濾掉預(yù)報(bào)中不確定成分（集合成員彼此不同）而保留下集合成員中一致的部分的傾向。濾波只能在擾動(dòng)的非線性演變中進(jìn)行，如果從分析中加上或減去擾動(dòng)場(chǎng)，當(dāng)擾動(dòng)保持線性時(shí)集合平均預(yù)報(bào)就和對(duì)照預(yù)報(bào)相同。和對(duì)照試驗(yàn)相比，幾天之后的NCEP全球預(yù)報(bào)集合平均預(yù)報(bào)的改進(jìn)是非常明顯的。集合預(yù)報(bào)的第二個(gè)目的是提高預(yù)報(bào)的可靠性。如果集合預(yù)報(bào)每個(gè)成員之間有很好的一致性，那么就有更多理由相信所做的預(yù)報(bào)。集合離差（spread）和預(yù)報(bào)誤差之間的定量關(guān)系（或者反過(guò)來(lái)說(shuō)在預(yù)報(bào)一致性和預(yù)報(bào)技巧之間）還尚待進(jìn)一步的確認(rèn)，但已經(jīng)在日常預(yù)報(bào)中被預(yù)報(bào)員們所考慮。集合預(yù)報(bào)的第三個(gè)目的是為概率預(yù)報(bào)提供定量基礎(chǔ)。在下圖的例子中，我們可以說(shuō)，集合表明A簇的概率是40%，而B(niǎo)簇為60%。(a)典型的集合預(yù)報(bào)分量示意圖。（1）對(duì)照預(yù)報(bào)（標(biāo)有C），從真實(shí)大氣初始狀態(tài)的最好估計(jì)分析場(chǎng)開(kāi)始（用x表示）；（2）兩個(gè)擾動(dòng)集合預(yù)報(bào)（標(biāo)有P+和P-），從對(duì)照?qǐng)鲋屑由虾蜏p去初始擾動(dòng)；（3）集合平均，用A表示；（4）大氣“真實(shí)”演變，用T表示。這是一個(gè)“好”集合，因?yàn)椤罢鎸?shí)”狀態(tài)看起來(lái)是集合的一個(gè)合理成員。集合成員的均值趨于比對(duì)照預(yù)報(bào)更加接近“真實(shí)”大氣（Toth和Kalnay,1997）。（b）一個(gè)“不好”的集合預(yù)報(bào)示意圖，其中預(yù)報(bào)誤差由系統(tǒng)誤差所控制（比如模式缺陷）。在這個(gè)例子中，集合對(duì)預(yù)報(bào)無(wú)用，但它能幫助我們確定預(yù)報(bào)誤差可能是由于系統(tǒng)誤差的存在引起的，而不是由于初始條件誤差的混沌增長(zhǎng)所造成的。

集合預(yù)報(bào)示意圖。從表示初始條件的不確定性（理想的是分析誤差協(xié)方差）的圓內(nèi)出發(fā)根據(jù)擾動(dòng)初始條件的個(gè)別預(yù)報(bào)的軌跡，結(jié)束于可能的解范圍之內(nèi)。對(duì)較短時(shí)期而言，預(yù)報(bào)之間比較接近，可以看成是確定性的。但超過(guò)一段時(shí)間后，可能的解差別很大，必須認(rèn)為是隨機(jī)的。對(duì)大尺度流動(dòng)預(yù)報(bào)而言，過(guò)渡時(shí)間為2~3天，而對(duì)單個(gè)風(fēng)暴等中尺度而言短到只有幾個(gè)小時(shí)，對(duì)強(qiáng)非線性參數(shù)而言過(guò)渡時(shí)間要短一些；即使對(duì)大尺度場(chǎng)，降水預(yù)報(bào)表現(xiàn)出顯著的發(fā)散，比500hPa場(chǎng)發(fā)散得快。預(yù)報(bào)場(chǎng)可能向A或者B子集集聚（選自Tracton和Kalnay，1993）最近變得比較流行的另外一種方法是多系統(tǒng)集合。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到來(lái)自不同業(yè)務(wù)中心的業(yè)務(wù)全球預(yù)報(bào)的集合平均要比最好的單個(gè)預(yù)報(bào)的技巧高得多（比如，Kalnay和Ham，1989，F(xiàn)ristch等，2000和其中的參考文獻(xiàn)）。人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于區(qū)域模式的較短期的集合也是如此（Hou等，2001），這樣人們就可以把使用多系統(tǒng)進(jìn)行集合預(yù)報(bào)推廣到短期預(yù)報(bào)中。Krishnamurti等（2001）發(fā)現(xiàn)如果用回歸方法對(duì)多系統(tǒng)集合誤差進(jìn)行訂正的話，集合系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步顯著提高。Krishnamurti等（2001）把這種多系統(tǒng)方法稱為“超級(jí)集合”。多系統(tǒng)集合的優(yōu)勢(shì)并不奇怪。這些優(yōu)勢(shì)不是向初始分析加上擾動(dòng)并向?qū)φ漳Ｊ絽?shù)化引入擾動(dòng)，而是多系統(tǒng)方法采用了最好（對(duì)照）初始條件和各個(gè)預(yù)報(bào)中心最好（對(duì)照）的模式，這些中心運(yùn)行具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代化業(yè)務(wù)分析和模式預(yù)報(bào)。這樣，多系統(tǒng)可能提供的真正不確定無(wú)論在初始條件還是在模式上都要比后引入某單個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的任何擾動(dòng)好得多。下圖是1995～2002年3～4天內(nèi)日累計(jì)降水概率集合預(yù)報(bào)的Brier技巧分曲線。結(jié)果表明，集合預(yù)報(bào)對(duì)于四種降水事件（降水>1mm,>5mm,>10mm,與>20mm）均有明顯改進(jìn)的趨勢(shì)。這可能是由于2000年11月開(kāi)始ECMWF集合預(yù)報(bào)模式的分辨率增加的結(jié)果（由譜TL159（～120km）分辨率增加到TL255（～80km）分辨率）。集合預(yù)報(bào)可以對(duì)控制預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確性的概率分布函數(shù)進(jìn)行定量估算，概率分布函數(shù)本質(zhì)上是多變量的，可用于估算同時(shí)超過(guò)規(guī)定閾值的一些變量的概率。利用集合預(yù)報(bào)輸出的結(jié)果可以驅(qū)動(dòng)各種應(yīng)用模式（如有限區(qū)模式，水文模式，化學(xué)輸送模式，火災(zāi)模式，電價(jià)模式等）。估算由這些模式得到的控制預(yù)報(bào)的不確定性。檢驗(yàn)這種“下游”集合預(yù)報(bào)有重要的實(shí)際意義，也具有診斷分析的價(jià)值。

1995～2002年3～4天日降水量概率集合預(yù)報(bào)Breier技巧分的時(shí)間序列。已進(jìn)行了12月月滑動(dòng)平均。這是對(duì)歐洲地區(qū)四種降水事件：>1mm（實(shí)線），>5mm（點(diǎn)線），>10mm（虛線），>20mm>（點(diǎn)虛線）。檢驗(yàn)是在歐洲的SYNOP上進(jìn)行的（Mullen與Buizza，2001）

ECMWF對(duì)風(fēng)暴“Lother”海平面氣壓（1999年12月24日）的集合預(yù)報(bào)（TL255）。上圖左：確定性預(yù)報(bào)，上圖右：驗(yàn)證分析。下面的50幅小圖是集合預(yù)報(bào)的各個(gè)成員?？梢钥吹诫m然確定性預(yù)報(bào)并沒(méi)有抓住這個(gè)極端事件，但其中14個(gè)成員預(yù)報(bào)出了強(qiáng)度大致相近的風(fēng)暴

（取自THORPEX科學(xué)計(jì)劃，2004年）高影響天氣集合預(yù)報(bào)的例子模式不同得到的超級(jí)集合不確定性。初值相同，各模式有不同的結(jié)果，但前三天預(yù)報(bào)大致向北移動(dòng)，但三天之后分成2條主要路徑：向西北和向東北方向。這造成了三天之后路徑預(yù)報(bào)的很大不確定性。這種情況下，一個(gè)解決的方法是考慮這些模式的模擬和回報(bào)性能，確認(rèn)哪些模式是可靠的，哪些誤差較大，然后進(jìn)行加權(quán)平均以增加選擇三天后預(yù)報(bào)路徑的信心。這可減少預(yù)報(bào)的不確定性。2003年凱特颶風(fēng)的數(shù)值預(yù)報(bào)路徑。每一個(gè)路徑表示不同模式的預(yù)測(cè)，初始位置為凱特颶風(fēng)的觀測(cè)值，在北大西洋中部。（K.Emanuel，2005)集合預(yù)報(bào)可看做是計(jì)算條件概率分布的一種過(guò)程，即用一特定預(yù)報(bào)模式和初條件計(jì)算由一預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)得到的PDF。在預(yù)報(bào)開(kāi)始的時(shí)候，PDF開(kāi)始很狹窄，預(yù)報(bào)成員的初始離散度反映的是分析的不確定性。隨著預(yù)報(bào)超前期增加，初始小擾動(dòng)出現(xiàn)混沌增長(zhǎng)，這使預(yù)報(bào)變得越來(lái)越不確定，并且在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)小尺度系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性不斷消失，以后是大尺度系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性也消失。一個(gè)有技巧的PDF旨在抓住這種PDF的演變，因而PDF是隨地點(diǎn)與時(shí)間而變，例如對(duì)一個(gè)發(fā)展的氣旋2天預(yù)報(bào)的不確定性可能比一準(zhǔn)靜態(tài)反氣旋大。為了使一個(gè)EPS具有技巧，PDF必須具備兩個(gè)特性：（1）須包括事件發(fā)生的天氣，即檢驗(yàn)觀測(cè)；（2）在比可預(yù)報(bào)性上限短的預(yù)報(bào)超前期，PDF必須較窄或者

具有不同于氣候概率分布的平均值（最好是一個(gè)窄的

偏離氣候平均的分布），這表明所得的結(jié)果是適合要

預(yù)報(bào)的特定氣象條件。如果PDF滿足上兩個(gè)條件，所給

出的預(yù)報(bào)將比相關(guān)的氣候條件具有更多的技巧。由上

可見(jiàn)，預(yù)報(bào)的PDF要盡可能狹窄，并且集合平均要盡可

能接近檢驗(yàn)分析。

說(shuō)明某一預(yù)報(bào)時(shí)刻氣候（平均值為0）與預(yù)報(bào)的PDF（偏離0平均）示意圖。它是由一個(gè)初始很狹窄的PDF演變而來(lái)。為使EPS可靠起見(jiàn)，在該超前期的檢驗(yàn)分析必須落在氣候分布區(qū)內(nèi)。彩色區(qū)指明落入氣候極值區(qū)內(nèi)檢驗(yàn)分析的機(jī)會(huì)，它與由氣候分布所預(yù)期的機(jī)會(huì)有很大差別。（取自THORPEX科學(xué)報(bào)告）區(qū)域氣候模式—?jiǎng)恿ownscaling即把包含最高風(fēng)險(xiǎn)的全球集合成員取出，組成一個(gè)子集合集，用高分辨區(qū)域模式再做一次預(yù)報(bào)。這樣可充分了解與評(píng)估高影響天氣可能產(chǎn)生的社會(huì)/經(jīng)濟(jì)影響。全球EPS的全部成員可做為驅(qū)動(dòng)區(qū)域模式的邊條件，也可取其中高影響天氣潛力最大的子集做為邊條件。據(jù)此可以得到區(qū)域模式的PDF及其不確定性，甚至可以了解邊界條件不確定性來(lái)自何處。未來(lái)集合預(yù)報(bào)研究方向（THORPEX建議）（1）初條件對(duì)預(yù)報(bào)的不確定性如果小尺度運(yùn)動(dòng)的初值有不確定性，可通過(guò)逆

尺度使預(yù)報(bào)誤差迅速增長(zhǎng)。而分析和預(yù)報(bào)不確

定是以緩變，更強(qiáng)的大尺度運(yùn)動(dòng)為主。應(yīng)研究

上述與其它初始不確定性在限制預(yù)報(bào)技巧中的

相對(duì)作用，應(yīng)研究更合理的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的初

始擾動(dòng)方案。（2）改進(jìn)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)

這包括集合的初始擾動(dòng)（陸面和海面），分析

不確定性，非參數(shù)化，不可分辨現(xiàn)象對(duì)可分辨

尺度的影響，預(yù)報(bào)模式（數(shù)值計(jì)算與參數(shù)化）

等。還應(yīng)研究多模式，多參數(shù)集合預(yù)報(bào)方法以

及隨機(jī)參數(shù)化和集合樣本數(shù)的最佳選取。（3）在生成集合中，利用適用方法，包括集合預(yù)報(bào)

系統(tǒng)的構(gòu)造，使其適合天氣狀態(tài)和用戶需求。

如分辨率與樣本數(shù)之間的最佳選取等。（4）多中心集合

多模式或多參數(shù)化集合會(huì)產(chǎn)生另外的有用的散布分布，

但這些方法多是特定的。尚不清楚，其收效是由于多

種模式的應(yīng)用，不同模式系統(tǒng)提供的初值差異，還是

所用模式中不同偏差相互抵消或上述諸種原因的組合

造成。將來(lái)可發(fā)展和評(píng)估一種新的集合系統(tǒng)（稱THORPEX交互式大全球集合系統(tǒng)）。它是各數(shù)值天氣預(yù)

報(bào)中心產(chǎn)生的集合預(yù)報(bào)的組合。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是用

了不同的資料同化，集合生成和NWP模式設(shè)計(jì)的方法。

這種多模式，多分析與多國(guó)家集合可為全球用戶提供

任何地區(qū)的高影響天氣的集合預(yù)報(bào)。簡(jiǎn)短的小結(jié)上世紀(jì)六十和七十年代科學(xué)家提出了大氣運(yùn)動(dòng)的混沌性和非線性理論，后來(lái)又提出動(dòng)力隨機(jī)預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)，對(duì)大氣的可預(yù)報(bào)問(wèn)題（即天氣是否可以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，最長(zhǎng)能報(bào)多長(zhǎng)時(shí)段）的重要性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果導(dǎo)致了在九十年代初，世界主要?dú)庀笾行慕⒘思项A(yù)報(bào)系統(tǒng)。集合預(yù)報(bào)本質(zhì)上是一種概率預(yù)報(bào)，它既提供確定性信息，也提供不確定性信息，因而它不是完全被公眾已普遍接受的單一值的確定性預(yù)報(bào)。由于它還包含了不確定信息部分，故被稱為“完全預(yù)報(bào)”。后者被稱為“不完全預(yù)報(bào)”。對(duì)于大多數(shù)公眾和用戶而言，他們可能不理解，不能接受或不會(huì)應(yīng)用這種常常包含幾種可能性的帶有不確定性的定量預(yù)報(bào)結(jié)果。目前他們已成為世界上主要數(shù)值預(yù)報(bào)中心日常業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一部分，并且逐步趨于成熟，已為預(yù)報(bào)員認(rèn)可，成為日常天氣和氣候預(yù)報(bào)的一部分，尤其是歐洲，美國(guó)和日本。目前中國(guó)才開(kāi)始起步不久，根據(jù)最近的調(diào)查（杜均，康志明，2014），雖然數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品已成為中國(guó)預(yù)報(bào)員在制作天氣預(yù)報(bào)中不可缺少的工具，但只約有超過(guò)半數(shù)的預(yù)報(bào)員對(duì)其預(yù)報(bào)不確定性有一些了解。有三分之一的預(yù)報(bào)員對(duì)其尚無(wú)認(rèn)識(shí)。因而，公眾普遍認(rèn)為：天氣是應(yīng)該可以被準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出來(lái)，這種錯(cuò)誤的印象在不知不覺(jué)中提高了公眾對(duì)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的期望值。因而對(duì)天氣預(yù)報(bào)的現(xiàn)有水平與不可能完全準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)天氣的思想應(yīng)通過(guò)一定的途徑讓公眾知曉，讓公眾應(yīng)理解天氣預(yù)報(bào)的不確定性源自何處，預(yù)報(bào)難處和不確定性，從而降低人們對(duì)天氣預(yù)報(bào)的期望值，即使在將來(lái)氣象科學(xué)更加完善，也不能做到預(yù)報(bào)完全準(zhǔn)確，只能逐步逼近它。七、無(wú)縫隙預(yù)報(bào)系統(tǒng)從未來(lái)預(yù)報(bào)時(shí)效、原理和方法上區(qū)分氣象預(yù)報(bào)可分為三種類型：天氣預(yù)報(bào)，短期氣候預(yù)測(cè)和氣候變化預(yù)估。由于后兩種預(yù)報(bào)的差別主要在時(shí)間尺度上，所以可統(tǒng)稱為氣候預(yù)測(cè)。因而氣象預(yù)報(bào)簡(jiǎn)單地說(shuō)包括天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)。但近年來(lái)，也有人認(rèn)為天氣預(yù)報(bào)與短期氣候預(yù)測(cè)都依賴于初始條件，只是預(yù)報(bào)期延伸的長(zhǎng)度不同，應(yīng)統(tǒng)稱天氣—?dú)夂蝾A(yù)報(bào)，而氣候變化僅取決于外強(qiáng)迫作用，不同于前兩種或天氣—?dú)夂蝾A(yù)報(bào)。天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的區(qū)別

氣候預(yù)測(cè)與天氣預(yù)報(bào)相比有三個(gè)方面的難點(diǎn)：（1）預(yù)報(bào)時(shí)間長(zhǎng)。天氣預(yù)報(bào)一般為1-7天，將來(lái)最長(zhǎng)可延伸到2周。這

主要是天氣預(yù)報(bào)作為一個(gè)初值問(wèn)題受到可預(yù)報(bào)性上限的限制。而

氣候預(yù)測(cè)是對(duì)月、季、年以及十年和百年長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變率

或異常狀態(tài)與進(jìn)行預(yù)測(cè)或預(yù)估。眾所周知，預(yù)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，不確

定因素越多，越復(fù)雜，因而預(yù)測(cè)的難度越大，預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性

也較低。（2）氣候預(yù)測(cè)的原理和方法復(fù)雜，尚處于研究階段。雖然氣候模式基

本上由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式演變而來(lái)，但氣候預(yù)測(cè)不能完全沿用中

短期天氣預(yù)報(bào)的原理與方法，必須發(fā)展新的氣候預(yù)測(cè)理論與方法。（3）資料和數(shù)據(jù)不足。由于氣候預(yù)測(cè)需要各圈層，即整個(gè)氣候系統(tǒng)的

資料，因此困難比天氣預(yù)報(bào)要嚴(yán)重的多。

數(shù)值天氣和氣候預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題許多理論和數(shù)值研究表明，大氣存在著內(nèi)在的可預(yù)報(bào)性，即使以最理想的觀測(cè)系統(tǒng)也只能作出2～3周有用的預(yù)報(bào)。我們知道，制約大氣預(yù)報(bào)正確性一般有兩個(gè)因素：（1）模式誤差，這是因?yàn)轭A(yù)報(bào)模式中考慮和表示的物理過(guò)程與發(fā)生在大氣中的實(shí)際物理過(guò)程不一致，例如在物理參數(shù)化處理中，是通過(guò)一種平均過(guò)程將次網(wǎng)格的動(dòng)力過(guò)程和物理過(guò)程對(duì)網(wǎng)格以上尺度的平均影響表示出來(lái)。這種情況下，對(duì)平均影響的偏離即是誤差的一個(gè)來(lái)源。另外無(wú)論是格點(diǎn)大氣模式或譜模式，其空間分辨率都受到計(jì)算能力的限制；（2）初始誤差，這是因?yàn)榇髿鈱?shí)際的初始狀態(tài)與用于模式初始值的資料之間有差別。許多人研究了初始誤差的問(wèn)題，考察它在時(shí)間積分過(guò)程中是如何向后傳播的，直到所得到的解不再能與隨機(jī)過(guò)程區(qū)別開(kāi)來(lái)為止。對(duì)于初始誤差一般是用概率論和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究。關(guān)鍵的問(wèn)題是天氣預(yù)報(bào)從數(shù)學(xué)上被看作初始問(wèn)題，只要有足夠準(zhǔn)確的初始場(chǎng)和完善的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，隨著不斷的向前積分，模式能夠做出1-7天或到10天的準(zhǔn)確天氣預(yù)報(bào)。但是氣候預(yù)測(cè)，僅考慮初始對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響尚不夠（主要是對(duì)短期氣候預(yù)測(cè)），更主要的是考慮大氣層上下邊界的外強(qiáng)迫作用（如海洋、陸面、太陽(yáng)輻射、火山爆發(fā)）以及由人類活動(dòng)排放的溫室氣體與氣溶膠的作用，土地利用變化的作用等。由于這些因子與大氣圈的相互作用過(guò)程與機(jī)理十分復(fù)雜，目前對(duì)他們的了解十分不足，這大大增加了氣候預(yù)測(cè)的不確定性。另外由于大氣內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和動(dòng)力學(xué)上的混沌性質(zhì)，也大大限制了氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。這種差異主要反映在天氣預(yù)報(bào)模式主要考慮的是流體動(dòng)力學(xué)原理，而氣候預(yù)測(cè)除此之外，還必須重點(diǎn)考慮全球大氣的輻射傳輸和長(zhǎng)時(shí)期能量平衡問(wèn)題，這對(duì)十年—百年尺度的氣候預(yù)測(cè)尤其重要。地球的能量平衡或收