馬浩 強(qiáng)玉華

(1. 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017； 2.麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)強(qiáng)降水事件預(yù)報(bào)能力分析
——以2016年4月持續(xù)性強(qiáng)降水過程為例*

馬浩1強(qiáng)玉華2

(1. 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017； 2.麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

延伸期逐日預(yù)報(bào)是現(xiàn)代氣候業(yè)務(wù)整體進(jìn)程中出現(xiàn)的新興業(yè)務(wù)。浙江省氣候中心自2015年開始研發(fā)延伸期逐日預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)，2015年10月發(fā)布測(cè)試版本。2016年4月，受厄爾尼諾事件影響，浙江省降水量異常偏多，出現(xiàn)了4月3—13日、4月18—26日兩次持續(xù)性強(qiáng)降水過程。本文深入分析了延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)這兩次強(qiáng)降水過程的預(yù)報(bào)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)第一次強(qiáng)降水過程的預(yù)報(bào)效果較好，提前20 d預(yù)報(bào)出這一過程且結(jié)果穩(wěn)定；對(duì)第二次強(qiáng)降水過程的預(yù)報(bào)一開始時(shí)段存在較大偏差，隨模式不斷調(diào)整，最終提前16 d預(yù)報(bào)出這一過程。在個(gè)例分析基礎(chǔ)上，總結(jié)了科學(xué)使用延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)的若干策略：關(guān)注動(dòng)態(tài)演變、宏觀把握時(shí)段、與氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)相結(jié)合、與氣溫預(yù)報(bào)相結(jié)合、分析預(yù)報(bào)上限等。

延伸期逐日預(yù)報(bào)；強(qiáng)降水過程；業(yè)務(wù)平臺(tái)；使用策略

0 引 言

延伸期天氣預(yù)報(bào)一般是指時(shí)效為10～30 d之間的預(yù)報(bào)，也被視為短中期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)之間的“縫隙預(yù)報(bào)”[1-2]。近年來，低頻天氣圖的推廣大大推動(dòng)了延伸期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展[3-5]，強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)已成為國(guó)家級(jí)和省級(jí)氣候中心的基本業(yè)務(wù)之一。然而，基于統(tǒng)計(jì)方法的過程預(yù)報(bào)作為一種半定量預(yù)報(bào)，并沒有完全解決延伸期時(shí)段的服務(wù)需求，主要表現(xiàn)在缺少落區(qū)定位、降水強(qiáng)度較粗糙、預(yù)報(bào)時(shí)段較模糊；在業(yè)務(wù)實(shí)踐中，強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)實(shí)際上指示的是“未來某個(gè)時(shí)段(或前后)(時(shí)段伸縮大)在某個(gè)區(qū)域(區(qū)域不確定)可能會(huì)發(fā)生較強(qiáng)(強(qiáng)度不確定)降水過程”，不難看出，諸多“不確定”無形中產(chǎn)生了新的“縫隙”，為延伸期產(chǎn)品的應(yīng)用和服務(wù)帶來了一定困擾。

對(duì)氣象業(yè)務(wù)人員而言，較理想的狀態(tài)是延伸期預(yù)報(bào)產(chǎn)品是短中期天氣預(yù)報(bào)的“自然延伸”，即預(yù)報(bào)逐日要素，然而這就回到了逐日預(yù)報(bào)的本源問題——初值問題的兩周預(yù)報(bào)上限。Lorenz指出，逐日天氣可預(yù)報(bào)時(shí)效的理論上限一般為2周，超過理論上限的預(yù)報(bào)水平不優(yōu)于隨機(jī)猜測(cè)水平，即失去可預(yù)報(bào)性[6]。名不正則言不順，在混沌理論框架下，2周以上的逐日預(yù)報(bào)似乎成為一個(gè)不可能完成的任務(wù)。為延伸期逐日預(yù)報(bào)“正名”的是短期氣候預(yù)測(cè)機(jī)理的形成和集合預(yù)報(bào)理念的提出。在氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域，存在著一個(gè)根本性的概念問題：既然2周以上的天氣尚且不可預(yù)報(bào)，那么月以上時(shí)間尺度的氣候預(yù)測(cè)又是如何做到的？這是由于天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)具有不同的時(shí)間尺度，在天氣預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)，大氣初值信息強(qiáng)烈地發(fā)揮著作用，即天氣預(yù)報(bào)在很大程度上可歸結(jié)為“初值問題”，這也是天氣模式大多采用大氣模式的重要原因；在氣候預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)，初值信息已顯著衰減，而海溫、冰雪、土壤濕度等外強(qiáng)迫信號(hào)開始發(fā)揮作用，因此氣候預(yù)測(cè)在很大程度上可歸結(jié)為“外強(qiáng)迫問題”即“邊值問題”[7-10]，這也是大多數(shù)氣候預(yù)測(cè)模式采用海洋—大氣耦合框架的重要基點(diǎn)。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)采用融合預(yù)報(bào)方案，即10 d以下預(yù)報(bào)采用大氣環(huán)流模式結(jié)果、10 d以上預(yù)報(bào)采用?！?dú)怦詈夏Ｊ浇Y(jié)果，在實(shí)踐中取得了良好的效果[11]。氣候模式能夠提供延伸期時(shí)段的有用信息，從而為延伸期逐日預(yù)報(bào)帶來了曙光。集合預(yù)報(bào)思想從技術(shù)上提高了天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。在集合預(yù)報(bào)框架下，初值并非“一個(gè)”，而是滿足某一誤差分布概率的數(shù)據(jù)集，因此預(yù)報(bào)結(jié)果也是“一組”數(shù)據(jù)的集合[2]。Krishnamurti等基于集合預(yù)報(bào)理念提出了超級(jí)集合算法，大大改進(jìn)了模式計(jì)算誤差、提高了氣候預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率[12]。依托氣候模式、采用集合預(yù)報(bào)策略，使延伸期逐日預(yù)報(bào)成為可能。

浙江省氣候中心自2015年開始研究延伸期逐日預(yù)報(bào)問題，基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)研發(fā)的新一代氣候預(yù)測(cè)模式——CFSv2模式(Climate Forecast System version 2)[13]提供的逐日預(yù)報(bào)結(jié)果，采用5 d集合平均策略，通過雙線性插值最終形成省、市、縣3級(jí)行政區(qū)域逐日氣溫、降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。之所以采用5 d集合平均方案，是因?yàn)榇髽颖厩樾文軌蛟谝欢ǔ潭壬媳ＷC耦合模式預(yù)報(bào)結(jié)果的穩(wěn)定性[14]。業(yè)務(wù)平臺(tái)的測(cè)試版本于2015年10月發(fā)布，目前已運(yùn)行10個(gè)月。

應(yīng)當(dāng)指出，延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)的預(yù)報(bào)性能究竟如何、特別是該平臺(tái)能否提前15～30 d預(yù)報(bào)出強(qiáng)天氣過程，目前仍然是一個(gè)缺乏了解的問題。為了客觀評(píng)估平臺(tái)預(yù)報(bào)能力，我們挑選了2016年4月的兩次強(qiáng)降水過程進(jìn)行檢驗(yàn)；此外，延伸期逐日預(yù)報(bào)產(chǎn)品不能直接視同于“逐日天氣預(yù)報(bào)”，如何科學(xué)地借鑒和應(yīng)用本身也是一個(gè)技巧性的問題，因此有必要對(duì)平臺(tái)的使用策略進(jìn)行深入分析。

1 2016年4月強(qiáng)降水過程

2016年是超強(qiáng)厄爾尼諾事件衰減年，受厄爾尼諾和熱帶印度洋海盆一致模態(tài)(Indian Ocean Basin Mode，IOBM)的共同影響，春季西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱西太副高)異常偏西、偏強(qiáng)，使西南暖濕氣流輸送旺盛、我國(guó)南方地區(qū)降水偏多。從降水過程的時(shí)間演變來看(圖1)，3月降水過程較少，4月初開始降水過程顯著增多、形成持續(xù)性連陰雨過程，5月中旬以后降水過程逐漸減弱。如果以中雨以上量級(jí)(≥10 mm)作為強(qiáng)降水的判別標(biāo)準(zhǔn)，則4月開始主要形成了4月3—13日、4月18—26日、5月2—10日3次強(qiáng)降水過程，其中4月降水的群集性特征尤其突出。2016年4月是降水顯著偏多的月份，從空間分布上來看(圖2)，各地均偏多，全省大部偏多2成以上，其中浙西北大部、嘉興大部偏多1倍以上，共有12個(gè)縣(市、區(qū))降水量破歷史同期最多紀(jì)錄。因此，選取4月強(qiáng)降水過程開展分析具有典型性和代表性。

圖1 2016年3月1日～5月31日逐日全省平均降水量 (單位：mm)

圖2 2016年4月浙江省降水量距平百分率空間分布 (單位：%)

2 延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)4月強(qiáng)降水過程的預(yù)報(bào)能力分析

4月形成了4月3—13日、4月18—26日兩次持續(xù)性強(qiáng)降水過程。關(guān)于第一次過程，由圖3可見，延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)3月14日就預(yù)報(bào)出4月2—13日將發(fā)生一次持續(xù)性強(qiáng)降水過程，且這一預(yù)報(bào)基本穩(wěn)定，3月15、16、17、18日起報(bào)的結(jié)果同樣預(yù)報(bào)出4月3—12日持續(xù)性強(qiáng)降水過程(圖略)，總體而言提前20 d預(yù)報(bào)出這一過程，說明業(yè)務(wù)平臺(tái)基本把握住了該次過程的時(shí)段和強(qiáng)度。需要指出的是，延伸期逐日預(yù)報(bào)結(jié)果不宜與實(shí)況“一一對(duì)應(yīng)”，即不應(yīng)基于平臺(tái)的輸出結(jié)果直接開展延伸期時(shí)段的逐日天氣預(yù)報(bào)，這是因?yàn)樵谘由炱跁r(shí)段，初值信息已大大衰減，外強(qiáng)迫中的強(qiáng)信號(hào)主要表現(xiàn)為大尺度調(diào)控[15]，因此細(xì)化到具體的區(qū)域容易出現(xiàn)時(shí)間、空間上的偏差。從這個(gè)意義上來說，對(duì)延伸期“時(shí)段”的考慮和把握更為重要，關(guān)鍵在于綜合預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)的逐日信息、提煉歸納出典型天氣過程的發(fā)生時(shí)段及強(qiáng)度，以圖3為例，較合理的解讀應(yīng)為：4月上旬前期—中旬前期將發(fā)生一次持續(xù)性強(qiáng)降水過程。

(柱狀圖表示降水量預(yù)報(bào)值，“T”形細(xì)實(shí)線的上端和下端分別表征預(yù)報(bào)上限和預(yù)報(bào)下限)圖3 延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)3月14日起報(bào)3月29—4月13日逐日全省平均降水量

關(guān)于第二次強(qiáng)降水過程，預(yù)報(bào)平臺(tái)給出的信息值得深入研究。3月27日起報(bào)的結(jié)果提示4月11—19日將發(fā)生一次強(qiáng)降水過程(圖4)，預(yù)報(bào)時(shí)段與實(shí)況存在較大偏差，且這一預(yù)報(bào)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，3月28、3月29、3月30、3月31日、4月1日起報(bào)的結(jié)果均指示強(qiáng)降水主要發(fā)生在4月中旬(圖略)，但4月2日起報(bào)的結(jié)果發(fā)生了轉(zhuǎn)折，預(yù)報(bào)強(qiáng)降水時(shí)段為4月17—25日(圖4)，4月3日則更加清晰地指示出了4月18—26日強(qiáng)降水過程(圖4)，與實(shí)況一致，總體而言提前16 d預(yù)報(bào)出這一過程。平臺(tái)預(yù)報(bào)結(jié)果的變化反映了大氣環(huán)流的調(diào)整與轉(zhuǎn)折，事實(shí)上，模式在延伸期時(shí)段內(nèi)的逐日預(yù)報(bào)也往往是這樣一個(gè)“動(dòng)態(tài)演變”的過程，因此不能孤立地看待某一天起報(bào)的結(jié)果，而應(yīng)當(dāng)從連續(xù)多日起報(bào)的結(jié)果中提取重要的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)折性信號(hào)，再通過具體研判確定預(yù)報(bào)。

(柱狀圖表示降水量預(yù)報(bào)值，“T”形細(xì)實(shí)線的上端和下端分別表征預(yù)報(bào)上限和預(yù)報(bào)下限)圖4 3月27日起報(bào)(a)、4月2日起報(bào)(b)、4月3日起報(bào)(c)未來15～30 d逐日全省平均降水量

需要指出的是，逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)不僅對(duì)2016年4月兩次強(qiáng)降水過程表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)能力，對(duì)今年汛期的多次過程(如梅雨期降水)也展現(xiàn)出良好的預(yù)報(bào)效果(圖略)。盡管平臺(tái)尚無法完全準(zhǔn)確地提前15 d以上預(yù)報(bào)出每一次強(qiáng)降水過程，對(duì)典型降水過程強(qiáng)度的預(yù)報(bào)也存在一定偏差(主要表現(xiàn)為量級(jí)偏小)，但總體而言其預(yù)報(bào)能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過隨機(jī)猜測(cè)水平，能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)員提供必要的參考。

3 延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)的使用策略

通過以上分析，不難得出延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)的輸出結(jié)果不宜直接用來制作逐日天氣預(yù)報(bào)，科學(xué)、合理、有策略地使用平臺(tái)，才能取得最佳預(yù)報(bào)效果。除了上文提到的注意把握時(shí)段、關(guān)注動(dòng)態(tài)演變之外，還有以下技巧可供選擇。

1)將氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)與逐日預(yù)報(bào)相結(jié)合。逐日預(yù)報(bào)結(jié)果不能脫胎于氣候背景預(yù)測(cè)，二者互為因果，因此分析趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果有助于更加科學(xué)地看待逐日預(yù)報(bào)。以2016年4月強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)為例，國(guó)家氣候中心4月氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)意見明確給出了北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation，AO)呈現(xiàn)負(fù)位相、西太副高偏強(qiáng)、西伸脊點(diǎn)偏西的結(jié)論，從而有利于冷空氣活動(dòng)及暖濕氣流輸送；同時(shí)，在降水預(yù)測(cè)意見中給出了浙江大部偏多2成以上的判斷；環(huán)流預(yù)測(cè)與降水預(yù)測(cè)結(jié)論為預(yù)報(bào)4月強(qiáng)降水過程提供了堅(jiān)實(shí)的氣候背景支撐。深入研究趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果，有助于對(duì)強(qiáng)天氣過程的時(shí)段和強(qiáng)度(特別是強(qiáng)度)作出正確的分析與取舍。

2)將氣溫預(yù)報(bào)與降水預(yù)報(bào)相結(jié)合。氣溫預(yù)報(bào)所預(yù)示的升溫或降溫過程，往往對(duì)降水預(yù)報(bào)有較好的指示意義。由圖5可見，3月19日起報(bào)平均氣溫，4月3—10日有一次較明顯的降溫過程，與4月3日開始的強(qiáng)降水過程有著良好的對(duì)應(yīng)；4月3日起報(bào)平均氣溫，4月18—25日有一次較明顯的降溫過程，與4月18日開始的強(qiáng)降水過程有著良好的對(duì)應(yīng)。春季臺(tái)風(fēng)影響較弱，冷暖氣流輻合是形成降水的重要原因[3-5]，因此冷空氣活動(dòng)往往對(duì)降水有著較好的參考意義，研判氣溫預(yù)報(bào)有助于對(duì)降水時(shí)段作出正確的把握。

3)關(guān)注預(yù)報(bào)上限。預(yù)報(bào)上限是CFSv2模式80個(gè)成員中降水量預(yù)報(bào)的最大值。誠(chéng)然在絕大多數(shù)情形下，預(yù)報(bào)上限已嚴(yán)重偏離實(shí)況，然而在預(yù)報(bào)上限持續(xù)出現(xiàn)較大數(shù)值時(shí)，往往預(yù)示著強(qiáng)降水過程的出現(xiàn)。以圖3為例，考察3月14日起報(bào)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)4月2日預(yù)報(bào)上限躍升至60 mm左右且持續(xù)至4月5日，說明4月2日前后觸發(fā)強(qiáng)降水過程的可能性很大。

圖5 3月19日起報(bào)(a)、4月3日起報(bào)(b)未來15～30 d逐日全省平均氣溫

4 結(jié) 語

判別延伸期業(yè)務(wù)平臺(tái)的預(yù)報(bào)性能，關(guān)鍵看其能否提前較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)出致災(zāi)性強(qiáng)、破壞性大的極端天氣氣候過程。本文以2016年4月發(fā)生的兩次強(qiáng)降水過程為例，分析了延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)的預(yù)報(bào)能力，發(fā)現(xiàn)總體上平臺(tái)能夠提前10 d以上預(yù)報(bào)出持續(xù)性強(qiáng)降水過程；此外針對(duì)延伸期逐日預(yù)報(bào)產(chǎn)品的特點(diǎn)，指出了科學(xué)應(yīng)用業(yè)務(wù)產(chǎn)品的策略和方法。

延伸期逐日預(yù)報(bào)目前仍是一個(gè)年輕的學(xué)科，尚未形成完善的理論體系和技術(shù)方法。延伸期逐日預(yù)報(bào)平臺(tái)目前僅完成了一期建設(shè)任務(wù)，其預(yù)報(bào)能力仍然較為有限，逐日預(yù)報(bào)產(chǎn)品的生成距離逐日預(yù)報(bào)的真正實(shí)現(xiàn)尚有很長(zhǎng)的路要走；為了有效提升預(yù)報(bào)水平，必須基于客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品研發(fā)與之相適應(yīng)的解釋應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)嘗試開展延伸期概率預(yù)報(bào)，將科技含量注入業(yè)務(wù)平臺(tái)，不斷夯實(shí)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)、豐富產(chǎn)品體系。然而，氣象預(yù)報(bào)有其深刻的自身規(guī)律，也有難以突破的固有邊界。正如天氣預(yù)報(bào)永遠(yuǎn)無法完全替代實(shí)況一樣，延伸期天氣預(yù)報(bào)也永遠(yuǎn)無法達(dá)到天氣預(yù)報(bào)的精度和水平。一直在進(jìn)步，永遠(yuǎn)有遺憾，這或許就是氣候預(yù)測(cè)這門實(shí)踐科學(xué)的神奇與美妙之處。

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2016-08-26

*浙江省氣象局預(yù)報(bào)專項(xiàng)項(xiàng)目(2016YBY26)