中短期數字化天氣預報技術現狀及發展趨勢研究

平涼市氣象局 張鑫

作為傳統天氣預報業務的重要內容之一，中短期預報業務具有發展時間長、基礎好、成熟度高等方面的特點[1-2]。在新形勢和客戶需求不斷變化的情況下，中短期數字化天氣預報技術存在定量化和精細化水平有限、預報員工作強度增加和準確率提升緩慢等方面的問題，對中短期預報業務技術體系發展中有一定的制約作用。因此，需對中短期數字化天氣預報技術體系不斷進行完善。

一、中短期數字化天氣預報技術現狀

（一）數字化預報技術流程

2014年中國氣象局預報司指出了我國預報業務產品在適應氣象服務需求方面的能力相對較弱，為了盡快解決該問題，需要將站點預報、確定性預報分別朝著格點預報以及概率預報進行轉變的發展思路。經過多年的發展，各級氣象業務單位相繼建立起了具有數字化特征的中短期天氣預報技術流程，主要包括了數值模式系統、客觀解釋應用方法、預報主觀編輯制作和精細化格點的處理。其中中短期預報業務的基礎是數值模式系統；在海量及歷史預報和觀測數據的基礎上，對消除預報誤差和提取的有效預報信息進行客觀解釋[3]；預報人員則根據自身掌握的理論知識和經驗，將站點、格點、災害區產品制作時選用主觀編輯工具，使得氣象預報準確率不斷得到提升；最后，在精細格點處理程序后，可以獲取到具有高時空分辨特征的精細化格點產品。

（二）數值模式系統提供基礎

數值模式的不斷發展為增強中短期天氣預報的精準度奠定了基礎。我國的預報人員在業務中可以結合國內外最先進的全球模式產品，如歐洲中期天氣預報中心的全球模式空間分辨率達到9km/137層；我國的T639模式也達到了20km/60層，且數值預報能力不斷增強，我國的T639模式的預報時效性在6.5d左右，而全球確定性模式則達到了8-9d。另外，2016年我國自主研發的GRAPES全部模式系統進入業務流程，通過對我國區域的降水預報進行個例檢驗評估，其準確率要高于T639模式系統。盡管我國中短期業務預報能力隨著全球模式預報性能的提高而不斷增強。但是針對春季和夏季的中小尺度災害性天氣頻繁出現，其一直是氣象部門預報的重點和難點。根據相關因強降雨等引發的洪澇或山體滑坡災害，顯示模式、T639預報模式等存在漏報的情況。這些例子在預報業務中經常出現，說明在開展中短期天氣預報的過程中，若是單純通過全球模式還有一定的局限性。為了提升對中小尺度天氣的業務預報能力，各國都將重點放在了高分辨率業務模式的發展上，例如美國天氣研究和預報模式WRF、英國業務化的UKV對流模式、日本非精力中尺度模式。我國也發展了GRAPESMeso中尺度模式，該模式可以對過程的發生發展情況進行較好地描述，但是針對極端強降水、受地形影響的強降水等，其預報能力有一定局限性。另外，華北和華東區域的WRF模式、華南區域的GRAPES-TMM都得到了建立和業務運行，但是研發應用中還沒有完全形成合力，使得業務支撐能力嚴重不足。

（三）客觀解釋應用方法提取預報信息

客觀解釋應用方法的不斷發展加強，方便了氣象部門從海量預報數據中心對預報信息進行有效提取的能力。自多中心業務數值模式引進以來，特別是集合預報系統業務化的應用，使得傳統以模式雙輸出統計方法為主的客觀預報技術已經不能滿足業務應用需求。需結合不同業務發展需求，對新的客觀預報技術方法進行研發，以快速、有效地對海量模式預報數據進行提取和訂正，降低預報系統誤差，增強預報準確率，使災害性天氣預警能力得到提升，在解放生產力的同時，還能確保預報人員從更高層面對預報信息進行使用。近年來，我國通過對氣象現代化加強建設，使得臺風、強對流、暴雨、高溫、凍雨等災害性天氣的客觀預報技術方法得到了快速增強。如國家氣象中心與福建省氣象臺聯合開發的“臺風路徑集合預報訂正方法”，通過不斷發展完善，可以對預報信息進行有效提取。

如在暴雨天氣預報過程中，國家氣象中心對4種可觀QPF技術的的發展引進，使其得到了廣泛應用，但縱向深入需進一步加強。相關研究結果表明，在多中心海量模式數據的基礎上，對統計處理技術進行應用，可使天氣預報準確度得到有效增強。美國等西方發達國家都對客觀釋用技術進行了研發，通過對海量模式預報數據進行利用，使用最優權重進行指定或計算，可以確保提取的預報信息更為有效。相較于我國來說，對客觀釋用方法深入到業務應用中，還有一些差距存在，主要表現在：預報信息集成度不高，以單模式或幾個模式預報為主，很難對確定性和集合預報提供的海量信息進行充分利用；很難滿足長時效和多類型的預報需求，針對同類型災害天氣的預報方法，其發展水平層次參差不齊；傳遞不確定預報信息有限。

二、中短期數字化天氣預報發展趨勢

（一）提高數值模式系統的支撐作用

開展中短期天氣預報主要以全球數值模式系統為主，為了增強模式的預報性能，各個國家的業務中心都在采用各種方法和手段。除了全球數值模式外，需適當改善中小尺度天氣的預報技巧。Roebber等指出，當前，需要對高分辨數值模式和集合預報系統進行發展，前者主要是開展精細化天氣預報，后者則及時提供不確定氣象信息的預報。采用結合模式預報，可使預報精細化水平得到增強。通過相關調查結果表明，低分辨率的集合模式要高于單個高分辨率模式，且包含有很多預報技巧。結合預報根據自身優勢，可為受眾群體提供概率預報，確保用戶決策的科學性水平。另外，需對模式的再預報技術進行發展，為可觀預報技術方法的應用奠定良好基礎

（二）發展主觀和客觀融合預報技術及工具

結合我國現狀，因數值模式的不斷發展和完善，預報員對可觀方法的深入應用，可為產品提供附加值，但同時還會受到一定的制約。為了對預報員工作中存在的問題和誤差進行解決，需要積極發展將可觀與主管進行結合的預報技術和相關預報工具。為方便預報員正確訂正誤差信息，需保證預報訂正平臺的智能化特征。在完善預報訂正平臺的過程中，可以快速分析和研究海量的數據信息。同時還能對多種預報產品及時進行調整，為預報訂正和智能化水平提供良好的基礎。技術工具需具備支持影響預報的功能，以對預報員相關工作的開展進行協助。預報產品是未來最為重要的工作內容，可以進行預報或者預警提示。因相關基礎數據和技術支撐不足，即使預報準確率較高，也很難確保發布的影響預報具有一定價值。應對支持影響預報的技術和工具進行積極研發。

（三）發展精細化的格點處理技術

格點處理技術可對天氣預報產品進行轉換或者是通過降低尺度為用戶提供精細化的格點產品，主要技術包括：發展預報產品——格點要素場轉換處理技術。對主觀落區或站點預報產品應加大主觀預報反演技術的研發，將其朝著格點場進行轉換，并將預報中丟失的預報信息恢復起來；對地形降尺度技術進行發展統計，以增強格點產品的空間分辨率。積極發展格點產品協調一致性技術。針對預報變量三維空間分布和時間演變，需確保他們的一致性，變量間也要保持一致性。同時還要對上下級、相鄰省份的一種且具有協調性的方法進行發展。