次季節-季節預測的應用前景與展望
——“次季節-季節預測（S2S）”會議評述

齊艷軍 容新堯

次季節-季節預測的應用前景與展望
——“次季節-季節預測（S2S）”會議評述

齊艷軍 容新堯

由WMO的世界天氣研究計劃(WWRP)/全球觀測系統研究與可預報性試驗(THORPEX)和世界氣候研究計劃(WCRP)聯合舉辦的次季節—季節(Sub-seasonal to Seasonal,S2S)預測研究項目國際研討會,2014年2月10—14日在美國國家環境預報中心(NCEP)召開(詳細信息見http://www.emc.ncep.noaa. gov/gmb/ens/s2s/),來自美國、英國、加拿大、法國、日本、澳大利亞、中國、德國、印度、韓國等多個國家的約150位學者與會,就5個會議主題：(1)S2S預測和可預報性以及與之相關的現象,(2)極端事件預測,(3)模式初始化與擾動預報方法,(4)動力—統計預報系統的設計、偏差訂正、檢驗和量化的不確定性,(5)S2S從預報到業務應用的集成方法,進行了交流。

一、S2S預測項目的科學意義和研究內容

從天氣到氣候的多時間尺度預報預測中,次季節—季節尺度的預測起著關鍵的接口作用,尤其是次季節尺度預測業務的開展將在數值天氣預報與短期氣候預測之間建立起一座橋梁,來填補中長期天氣預報到季節預測之間的縫隙(圖1)。無論從天氣—氣候尺度的無縫隙預報的專業發展還是從社會需求角度,次季節—季節氣候預測的開展和實施都具有重要的科學意義和廣泛的社會應用價值。對于許多管理決策層來說,次季節尺度預測是主動減災的一個關鍵,例如農業,最終的需求是月時間尺度以內(小于30天)的預報,所以發展介于天氣—氣候之間的無縫隙預報將具有潛在的社會和經濟價值。WWRP和WCRP聯合天氣和氣候研究團隊,將S2S預測視為近5年的首要任務,組織制定了“S2S預測計劃”。

S2S項目主要圍繞以下3方面的內容展開研究：(1)針對社會服務為導向的研究——與WWRP/SERA (社會和經濟研究與應用)協力開展基于極端天氣氣候事件的示范性項目的研究和校驗；(2)基礎研究——可預報性來源問題,包括來自熱帶大氣季節內振蕩(MJO)、季風、平流層、積雪/海冰/土壤濕度等陸面因子的影響以及遙相關響應；(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誤差等問題。

次季節時間尺度上有多種重要的潛在可預測性來源，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被認為是預測全球次季節時間尺度的主要來源。

圖1 天氣-氣候無縫隙預報示意圖（引自Yuejian Zhu在S2S會議上的報告）

二、S2S的研究進展和面臨的科學問題

次季節尺度的氣候預測介于較為完善的常規天氣預報和正在發展中的季節預測之間的時間尺度范圍內。對于日常的天氣預報業務,雖然海洋和陸面條件對其有一定影響,但影響短期數值天氣預報準確性的最主要問題還是大氣初始條件；在季節到年際尺度上的預測則更強烈依賴于像海表面溫度這樣緩慢變化的強迫源要素,介于這兩個時間尺度之間的是次季節尺度的變率。目前為止,對次季節尺度的預測與中期天氣預報和季節預測相比,受到的關注程度要少得多,因此一直以來人們都認為次季節尺度的氣候預測是一個“預測沙漠”。

次季節尺度的預測目前仍處于發展初期,在能夠實現對次季節尺度進行較準確的預測之前,仍有許多科學問題和模式物理過程需要解決和改進。最近的研究結果指出,次季節時間尺度上有多種重要的潛

在可預測性來源,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可預測性來源中,作為熱帶大氣季節內變率的主要模態,MJO被認為是預測全球次季節時間尺度的主要來源。研討會上諸多學術報告,展示了各國最先進的研究模式和業務模式對MJO模擬和預測的最新研究結果和進展。

近十年來,動力模式對MJO的預報技巧有了大幅度的提高。例如,美國JPL的Duane Waliser基于大氣季節內變率的回報試驗(ISVHE)得出北半球冬季的MJO信號可提前20～30天預測；ECMWF的模式回報試驗顯示MJO的預報技巧已經超過了30天,同時ECMWF的實時業務月預報也有較高的準確率,對北半球熱帶外預測技巧的提高在很大程度上可以歸因于其對MJO預測水平的提高；MJO任務組(MJOTF)的負責人之一Eric Maloney分別從模式的物理過程、MJO的垂直結構和非絕熱加熱過程、熱帶大氣季節內變率的實時預測評估、CMIP5模式對季節內變率的實時模擬能力、海氣相互作用等方面,對MJOTF的主要研究內容進行了闡述；英國氣象局的大氣模式通過耦合邊界層海洋模式(GA3.0-KPP),并在修改控制深對流夾卷過程的參數后,對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對MJO成功模擬及預測首先需要考慮的重要環節。

MJO的活動異常不僅僅對熱帶地區,同時對中高緯地區的天氣氣候異常也有顯著的影響,加拿大環境部的林海致力于熱帶MJO異常信號對熱帶外動力過程的非線性響應的模式研究,并取得一定進展。英國和德國的科學家在平流層的爆發性增溫影響對流層的次季節時間尺度預測方面指出,能夠提前多長時間可以預測平流層中的動力影響因子,模式中平流層的關鍵物理過程如何更好地描述可預測性信息等都將是需要重點關注和研究的問題。在陸—氣相互作用中,土壤濕度控制著地表水分和能量平衡,通過比較CFS的再回報資料和模式預報結果,美國GMU的Dirmeyer得出改善包含土壤濕度等信息的初始場條件,改進模式物理過程對土壤濕度的描述,將有助于提高CFS的預報水平。中國科學家從歐亞大陸北極海冰的減少對東亞冬季天氣氣候的影響,中國東部地區夏季降水的季節內振蕩,大西洋海溫異常對亞洲夏季風和ENSO關系的影響,以及中國冬季氣溫的季節預報等方面在會議期間做了交流。

在對阻塞高壓、熱帶氣旋、高溫和干旱等極端事件進行模擬研究時,所用模式主要來自美國的NCEP、GFDL、ESRL,歐洲的ECMWF以及澳大利亞的BoM等。雖然在次季節尺度預測方面取得了令人鼓舞的初步成果,但是在業務預測過程中仍存在很多的科學問題沒有得到很好的理解和解決。為了提高數值預報的準確度,以及目前的模式發展水平和不足,S2S科學指導小組建議當前的首要任務是建立一個基于現有次季節尺度業務預測產品的數據庫,類似于TIGGE為中期天氣預報和CHFP為季節預報所建立的數據庫,數據庫的建立能夠促進應用部門對這些預測結果的使用并對預測的不確定性進行評估,使用這一數據庫也有助于評估多模式組合在次季節時間尺度預測上的優勢。

三、東亞地區次季節尺度預測的展望

從本次研討會上科學家們的學術報告中,認識到現階段以及未來的很長一段時間對次季節尺度的預測是一項具有挑戰性的艱巨任務,雖然代表熱帶大氣季節內變率的MJO模態在某些模式中有良好的表現,但是對模式的關鍵物理過程及初值條件仍需要深入的診斷分析,以進一步提高MJO在氣候模式中的代表性,同時也為模式預測熱帶外的大氣季節內變率提供參考依據。在研究不同的極端事件時,更重要的是需要了解各種不同可預測性來源的相對重要性,這些可預測性來源的組合可能是非線性的,不同來源之間如何相互作用還不是很清楚。

針對我國對季節內預測產品的需求,未來應更多關注東亞季風區S2S可預報性來源及相關的物理過程,并研究建立適用于東亞天氣氣候的S2S動力預報系統。這需要研究東亞區域高影響天氣如熱帶氣旋、高溫熱浪以及強降水等事件的次季節尺度特征,加強對這些事件中某一個或幾個變量和氣候發生變化的物理過程的理解。對于東亞區域季節內尺度的模擬和預報,提高大氣模式分辨率以及改進模式的關鍵物理過程是提高對東亞地區短期氣候動力預測技巧的有效途徑,因此,對目前我國數值模式中分辨率的提高和物理參數化過程的改進仍是亟需解決的重要問題。

致謝:感謝武炳義研究員的寶貴建議，感謝評審專家對本文提出的誠懇意見及建議。本文由國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB417205）和中國氣象科學研究院基本科研業務（2009Y006，2010Z003）共同資助。

（作者單位：中國氣象科學研究院）