李婧華 田曉陽(yáng) 賈朋群

（中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

0 引言

世界氣象組織（WMO）為了促進(jìn)氣象科學(xué)的發(fā)展，將天氣和氣候預(yù)報(bào)更加廣泛地應(yīng)用于世界各國(guó)，尤其是發(fā)展中國(guó)家，從而提升全球人民福祉，近年來(lái)特別加強(qiáng)和突出了對(duì)世界氣象中心的建設(shè)。在1967年認(rèn)定了美國(guó)、俄羅斯和澳大利亞等3個(gè)世界氣象中心之后，2017年，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、英國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)成為第二批被認(rèn)定的世界氣象中心。世界氣象中心在推進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）業(yè)務(wù)化進(jìn)程中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。并且，在全球化背景下，氣象業(yè)務(wù)中心的職責(zé)還需在世界氣象發(fā)展中發(fā)揮“中心”的作用和價(jià)值[2]。

WMO作為聯(lián)合國(guó)旗下各國(guó)氣象部門的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，一直關(guān)注作為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)能力核心工具的各國(guó)業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式能力的提升。在2011年第16次WMO大會(huì)上，通過(guò)了在基本系統(tǒng)委員會(huì)（CBS）建立一個(gè)評(píng)估確定性NWP預(yù)報(bào)的驗(yàn)證中心（WMO LC-DNV）的決議，ECMWF被指定為該中心的責(zé)任機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)和分階段針對(duì)各國(guó)NWP模式指標(biāo)給出匯總和評(píng)價(jià)。

如何預(yù)測(cè)以上述氣象中心為代表的氣象預(yù)報(bào)能力的發(fā)展，具有很大的挑戰(zhàn)性。尤其是，當(dāng)預(yù)報(bào)水平更加接近可預(yù)報(bào)性的極限，預(yù)報(bào)能力的遞增速度在最近10年已出現(xiàn)減緩的跡象。在這樣的背景下，對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，不確定性會(huì)大幅度增加。

本文所指的“主要?dú)庀髽I(yè)務(wù)中心”，包含了截至2018年7月，在LC-DNV網(wǎng)頁(yè)上針對(duì)各國(guó)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式能力進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證的約10個(gè)國(guó)家氣象業(yè)務(wù)中心。目前，進(jìn)入實(shí)時(shí)驗(yàn)證結(jié)果監(jiān)測(cè)的國(guó)家氣象業(yè)務(wù)中心的數(shù)量還在增加。本文借助近年來(lái)針對(duì)主要?dú)庀髽I(yè)務(wù)中心模式預(yù)報(bào)能力的對(duì)比分析結(jié)果，用核心預(yù)報(bào)指標(biāo)梳理了這些中心預(yù)報(bào)能力的進(jìn)步，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合“領(lǐng)先水平”的發(fā)展痕跡，特別是過(guò)去10年里預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)水平提升的幅度，在給出當(dāng)前水平（2016—2017年）的同時(shí)，對(duì)未來(lái)10年（2025年）和20年（2035年）國(guó)際上預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的先進(jìn)水平將可能達(dá)到的高度進(jìn)行討論。

1 模式的可預(yù)報(bào)性

經(jīng)典天氣預(yù)報(bào)理論中，洛倫茨基于大氣混沌的本質(zhì)，認(rèn)為天氣的可預(yù)報(bào)性為16.8 d。隨著模式模擬技術(shù)的發(fā)展、學(xué)界對(duì)非線性過(guò)程認(rèn)識(shí)的進(jìn)步以及計(jì)算、模擬技術(shù)改進(jìn)帶來(lái)的手段更新等，可預(yù)報(bào)性問(wèn)題得到了更加清晰的解析和拓展。在2014年WMO世界天氣公開(kāi)科學(xué)會(huì)議上，多位學(xué)者從動(dòng)力、數(shù)值方法、云及輻射和陸-氣、海-陸等相互作用的角度，梳理了科學(xué)界對(duì)可預(yù)報(bào)性的最新認(rèn)識(shí)進(jìn)展[3]。Buizza等[4]重新綜合審視可預(yù)報(bào)性時(shí)，從模式與預(yù)報(bào)對(duì)象的時(shí)空尺度出發(fā)，給出了新的可預(yù)報(bào)性2D分布（圖1）?？深A(yù)報(bào)性時(shí)效大大提高，其中可提前接近1年預(yù)報(bào)的要素為月平均海面溫度距平和厄爾尼諾等與氣候信號(hào)密切相關(guān)的變量統(tǒng)計(jì)值。其余預(yù)報(bào)要素從易到難的排列為：月平均2 m溫度和氣壓、遙相關(guān)指數(shù)、高空?qǐng)?、地面?chǎng)、降水和極端天氣。這些要素的可預(yù)報(bào)性空間尺度范圍從1萬(wàn)千米的大陸尺度到100千米及以下的中小尺度。

圖1 洛倫茨經(jīng)典可預(yù)報(bào)理論（a）和最新研究給出的可預(yù)報(bào)性2D分布（b）Fig. 1 Classical predictability theory by Lorenz (a) and 2D distribution of most recent predictability (b)

從更廣泛的視野審視與預(yù)報(bào)相關(guān)的時(shí)空和地球圈層之間的聯(lián)系，可以得到針對(duì)大氣、陸地和海洋的可預(yù)報(bào)性分布。短期天氣（7 d以內(nèi)）和月預(yù)報(bào)之間時(shí)間尺度的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，含有復(fù)雜的大氣-陸地-海洋相互作用機(jī)制，而季節(jié)內(nèi)到季節(jié)（S2S）預(yù)報(bào)中更多的信號(hào)來(lái)自海洋。

2 NWP全球業(yè)務(wù)模式核心指標(biāo)

2.1 目前主要?dú)庀笾行牡娜蛱鞖忸A(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式

全球模式是氣象業(yè)務(wù)中心開(kāi)展確定性預(yù)報(bào)的核心工具，基于以往研究[5-13]，表1梳理了目前部分氣象中心業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的情況。當(dāng)前全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式主要基于初始時(shí)間概率分布函數(shù)估計(jì)模型，通過(guò)集合系統(tǒng)對(duì)天氣演變進(jìn)行預(yù)報(bào)。先進(jìn)的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)大約有20～50個(gè)成員，模式水平分辨率在9～50 km，垂直層數(shù)為100層左右。北半球500 hPa高度場(chǎng)最初集合離散度約2.5 m（大約是變率的3%），在預(yù)報(bào)最初24 h內(nèi)以指數(shù)增長(zhǎng)，10 d內(nèi)發(fā)散到70 m左右。

預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能領(lǐng)先的ECMWF，其模式水平分辨率達(dá)9 km，垂直層數(shù)為137層，預(yù)報(bào)時(shí)效在10～15 d。2017年，ECMWF將其綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）升級(jí)為IFS Cycle 43r3：改進(jìn)了對(duì)流模擬，采用了新的輻射方案和氣溶膠氣候?qū)W，并且更好地利用了下投式探空儀數(shù)據(jù)和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)。

未來(lái)5～10年，隨著各國(guó)氣象部門業(yè)務(wù)主模式的更新?lián)Q代以及高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，全球NWP業(yè)務(wù)模式分辨率將達(dá)到千米尺度。其中ECMWF的戰(zhàn)略目標(biāo)是，到2025年以5 km的分辨率進(jìn)行全球集合預(yù)報(bào)。

表1 部分氣象中心全球業(yè)務(wù)模式Table 1 Overviews of some operational NWP systems

反映各國(guó)NWP預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能的指標(biāo)，幾乎與系統(tǒng)可輸出變量一樣多，但其中最關(guān)鍵的兩項(xiàng)指標(biāo)，是ECMWF認(rèn)定的最能反映預(yù)報(bào)系統(tǒng)整體性能的500 hPa位勢(shì)高度和850 hPa溫度的可預(yù)報(bào)時(shí)效。本節(jié)主要圍繞這兩項(xiàng)指標(biāo)及其他類似指標(biāo)（如降水預(yù)報(bào)）展開(kāi)。

2.2 ECMWF為代表的全球領(lǐng)先模式核心指標(biāo)現(xiàn)狀

ECMWF給出的截至2017年底各種核心業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)[14]中，影響最大的預(yù)報(bào)產(chǎn)品——北半球中緯度24 h降水集合預(yù)報(bào)的進(jìn)步明顯，從21世紀(jì)初的2.5 d增加到7 d左右。盡管如此，對(duì)比21世紀(jì)前10年和最近10年的預(yù)報(bào)進(jìn)步幅度，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)的改進(jìn)速度明顯“減緩”（圖2），且在更多變量和時(shí)次預(yù)報(bào)中也是如此，但變緩的進(jìn)步仍使10 d左右的預(yù)報(bào)具有價(jià)值。

從全球主要?dú)庀笾行牡念A(yù)報(bào)指標(biāo)演變和相互比較中看出，21世紀(jì)以來(lái)ECMWF的發(fā)展趨勢(shì)也代表了世界預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)整體上的進(jìn)步。從圖3中多個(gè)氣象中心指標(biāo)進(jìn)步速度的比較[15]可以看出，21世紀(jì)以來(lái)，第二個(gè)10年與第一個(gè)10年相比，各主要?dú)庀髽I(yè)務(wù)中心的預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能提升速率都明顯放緩。此外，在這張比較圖中加入了再分析數(shù)據(jù)。這是因?yàn)槟Ｊ降谋憩F(xiàn)不僅依賴于預(yù)報(bào)系統(tǒng)，還與大氣的可預(yù)報(bào)性和活躍程度等有關(guān)。再分析數(shù)據(jù)的加入，可以將某個(gè)時(shí)段內(nèi)的實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)表現(xiàn)與幾年內(nèi)不變的參考系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，從而更加清晰地解讀出預(yù)報(bào)系統(tǒng)的相對(duì)進(jìn)步。

圖2 ECMWF北半球中緯度24 h降水總量集合預(yù)報(bào)有效天數(shù)變化（2002—2017年）（圖中給出預(yù)報(bào)時(shí)效（CRPSS≥0.1）的12個(gè)月滑動(dòng)平均值）Fig. 2 Ensemble forecast skill of predicting 24-hour precipitation totals in the northern hemisphere extratropics from 2002 to 2017. The computation of skill is based on the continuous ranked probability skill score (CRPSS).The chart shows 12-month running average values of the forecast range at which the CRPSS drops below 0.1

3 全球NWP模式2025和2035年性能進(jìn)步預(yù)測(cè)

圖3 世界上6個(gè)主要?dú)庀笾行?002—2017年業(yè)務(wù)系統(tǒng)北半球中緯度500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)有效（距平相關(guān)≥80%）預(yù)報(bào)的天數(shù)變化，圖中還給出2個(gè)再分析結(jié)果用于參考Fig. 3 Lead time of anomaly correlation for 500 hPa geopotential in the northern hemisphere extratropics at global forecasting centres from 2002 to 2017. ERA-Interim and ERA5 are also shown for reference

對(duì)世界上主要?dú)庀髽I(yè)務(wù)中心在未來(lái)10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)預(yù)報(bào)水平提升幅度的估計(jì)，有多種方法和渠道。首先，各國(guó)氣象部門在其戰(zhàn)略中，定性或定量提出未來(lái)核心指標(biāo)的改進(jìn)目標(biāo)，例如ECMWF制定的2016—2025年戰(zhàn)略，在預(yù)報(bào)方面明確提出了“2+4+1”戰(zhàn)略，即到2025年高影響天氣的有效集合預(yù)報(bào)提前2周，大尺度形勢(shì)和機(jī)制轉(zhuǎn)化預(yù)報(bào)提前4周，全球尺度異常預(yù)測(cè)提前1年[16]。NOAA天氣氣候預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)NCEP提出，未來(lái)5年部分預(yù)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)的主要特征為：水平分辨率進(jìn)入10 km，區(qū)域模式和預(yù)警服務(wù)進(jìn)入1～3 km，集合成員數(shù)穩(wěn)定在20～30個(gè)，最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)段超過(guò)1年，達(dá)到15個(gè)月[17]。此外，在最新發(fā)表的一些評(píng)述文章中[4,18]，基于過(guò)去模式性能改進(jìn)的技術(shù)和科學(xué)推動(dòng)以及未來(lái)新技術(shù)在獲取新資料和改進(jìn)模式分辨率等方面發(fā)力的分析，給出了未來(lái)預(yù)報(bào)模式改進(jìn)的樂(lè)觀估計(jì)，以及面臨的挑戰(zhàn)（圖4）。

3.1 基于全球預(yù)報(bào)過(guò)去20年的改進(jìn)：2025和2035年預(yù)報(bào)時(shí)效將分別提高到8.5和10.5 d

圖5分別給出過(guò)去22和18年ECMWF與NCEP全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)時(shí)效的改進(jìn)進(jìn)程[4,19]。ECMWF當(dāng)前5 d預(yù)報(bào)與22年前的2 d預(yù)報(bào)相當(dāng)，而目前的15 d預(yù)報(bào)與過(guò)去的10 d預(yù)報(bào)相當(dāng)；NCEP在截止2017年的過(guò)去18年里，預(yù)報(bào)時(shí)效提高了4 d。綜合兩個(gè)機(jī)構(gòu)的預(yù)報(bào)時(shí)效提升速率，即如果平均每10年提高近2 d的進(jìn)程在未來(lái)20年里持續(xù)，那么目前主要預(yù)報(bào)指標(biāo)大約6.7 d的時(shí)效，在2025和2035年可分別提高到8.5和10.5 d。

3.2 基于高分辨率模式過(guò)去22年的改進(jìn)：2025和2035年時(shí)效分別提高到7.6和8.4 d

高分辨率模式是目前各國(guó)氣象部門、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的預(yù)報(bào)工具，其意義不僅在于大幅度提升觀測(cè)大數(shù)據(jù)和區(qū)域預(yù)報(bào)兩端的數(shù)據(jù)吸納和服務(wù)能力，更在于未來(lái)人工智能（AI）更多地介入NWP后[20]，高分辨率模式可成為支持全球模式通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)解讀更多模擬中“灰色”地帶的有效手段。圖6給出過(guò)去20年，ECMWF高分辨率模式系統(tǒng)預(yù)報(bào)時(shí)效的改進(jìn)：最近10年預(yù)報(bào)時(shí)效增加了0.8 d，從大約6.0 d提高到6.8 d[4]。未來(lái)10～20年，預(yù)報(bào)時(shí)效持續(xù)進(jìn)步將使高分辨率預(yù)報(bào)系統(tǒng)的時(shí)效分別提升到7.6和8.4 d，接近同期集合預(yù)報(bào)水平。

圖4 未來(lái)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)領(lǐng)域。預(yù)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步來(lái)自計(jì)算科技的革新、物理過(guò)程的參數(shù)化表達(dá)、地球系統(tǒng)構(gòu)件的耦合、先進(jìn)觀測(cè)資料同化算法的使用、通過(guò)集成方法對(duì)不確定性的一致描述以及它們?cè)诓煌叨鹊南嗷プ饔玫取E圓部分表示數(shù)值模式中解析的10-2～104 km尺度范圍內(nèi)的主要現(xiàn)象，并展示出從小尺度范圍流動(dòng)到完全耦合地球系統(tǒng)的模擬復(fù)雜性；框表示未來(lái)預(yù)測(cè)技術(shù)改進(jìn)遇到的最重要挑戰(zhàn)；箭頭表示跨分辨率尺度和地球系統(tǒng)顯現(xiàn)的誤差傳播重要性Fig. 4 Key challenge areas for NWP in the future.Advances in forecast skill will come from scientific and technological innovation in computing, the representation of physical processes in parameterizations, coupling of Earth-system components, the use of observations with advanced data assimilation algorithms, and the consistent description of uncertainties through ensemble methods and how they interact across scales. The ellipses show key phenomena relevant for NWP as a function of scales between 10-2 and 104 km resolved in numerical models and the modelled complexity of processes characterizing the small-scale flow up to the fully coupled Earth system.The boxes represent scale-complexity regions where the most significant challenges for future predictive skill improvement exist. The arrow highlights the importance of error propagation across resolution range and components of the Earth system

3.3 多種模式要素預(yù)報(bào)：過(guò)去10年進(jìn)步在1～2 d

圖7給出過(guò)去20年，ECMWF在溫度和降水預(yù)報(bào)上的改進(jìn)：其中最近10年預(yù)報(bào)時(shí)效增加了0.8～2 d，這些要素在未來(lái)10～20年持續(xù)改進(jìn)，將讓這些關(guān)鍵預(yù)報(bào)分別得到可期待的1～2 d和2～4 d的改進(jìn)[4]。對(duì)比前面針對(duì)可預(yù)報(bào)性的討論，到2035年前后，各類集合和確定性模式預(yù)報(bào)的水平，預(yù)報(bào)有效性將全面接近和進(jìn)入10 d，也更加接近可預(yù)報(bào)性的極限。

圖5 ECMWF（a）和NCEP（b）預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)指標(biāo)的進(jìn)步歷程Fig. 5 Improvement of forecast skill of 500 hPa geopotential height at ECMWF (a) and NCEP (b)

圖6 ECMWF高分辨預(yù)報(bào)系統(tǒng)HRES對(duì)500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)的進(jìn)步歷程Fig. 6 Improvement of 500 hPa geopotential height prediction by ECMWF high resolution model HRES

4 耦合氣候模式和地球系統(tǒng)模式核心能力指標(biāo)

圖7 ECMWF 1998—2017年850 hPa溫度（a）、降水總量（SEEPS驗(yàn)證，b）和降水（分級(jí)概率技巧，c）預(yù)報(bào)進(jìn)步歷程和最近10年的進(jìn)步幅度Fig. 7 Forecast improvement of 850 hPa temperature (a),total precipitation (SEEPS, b) and precipitation (CRPSS, c)at ECMWF from 1998 to 2017

1967年，Manabe等[21]論述一維輻射對(duì)流平衡模式的論文，被認(rèn)為是現(xiàn)代數(shù)值氣候模式研究的起點(diǎn)[22]。在20世紀(jì)隨后的時(shí)間里，氣候模式被加入了更多的要素，模式的結(jié)構(gòu)和計(jì)算也走向精細(xì)化。Manabe等最初的輻射對(duì)流模式已經(jīng)演化為輻射驅(qū)動(dòng)，計(jì)算的復(fù)雜化也使模式發(fā)展成當(dāng)前多圈層耦合的地球系統(tǒng)模式。最新地球系統(tǒng)模式的突出特點(diǎn)是包含了生物圈等相互作用，如碳循環(huán)、陸地海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)、大氣化學(xué)以及自然和人為干擾[23]。

20世紀(jì)90年代起，世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）耦合模擬工作組（WGCM）組織開(kāi)展耦合模式比較計(jì)劃（CMIP）。前兩個(gè)階段影響范圍局限在氣候模式界，第三階段（CMIP3）起，模式結(jié)果的公開(kāi)性大大增加，開(kāi)始為其他研究團(tuán)體所用。2008年啟動(dòng)的CMIP5，已成為政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）評(píng)估報(bào)告的重要參考。當(dāng)前試驗(yàn)階段為CMIP6[24]，共44家機(jī)構(gòu)參與。參與CMIP6的氣候中心及其耦合模式或氣候系統(tǒng)模式的情況，能夠給出當(dāng)前此類模式的全球概覽。

4.1 耦合氣候模式和地球系統(tǒng)模式的核心指標(biāo)

關(guān)于模式分辨率，CMIP3周期的典型水平分辨率為大氣250 km，海洋1.5°。7年后的CMIP5周期中，分別緩慢進(jìn)步到150 km和1°。截止到2016年，CMIP6部分模式分辨率能實(shí)現(xiàn)大氣至少50 km和海洋0.25°。對(duì)于氣候預(yù)測(cè)相關(guān)指標(biāo)，CMIP6的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)及時(shí)高效并長(zhǎng)期的模式基準(zhǔn)測(cè)試和評(píng)估，并將其發(fā)展為常規(guī)操作[25]。WGCM會(huì)議上，通過(guò)了兩個(gè)將用于CMIP6系統(tǒng)性和即時(shí)性能評(píng)估的工具ESMValTool（Earth System Model Evaluation Tool）[26]和PMP（PCMDI Metrics Package）[27]。這兩個(gè)工具選擇的指標(biāo)基于IPCC AR5第一工作組報(bào)告第9章，該章中給出了針對(duì)大氣、臭氧和氣溶膠、碳循環(huán)、海洋等35個(gè)指標(biāo)。其他一些指標(biāo)的選擇思路[28]，如對(duì)CMIP5部分模式進(jìn)行的回顧性評(píng)估中，選用的是與地球能量收支相關(guān)的44個(gè)指標(biāo)。CMIP6的最新評(píng)估結(jié)果在兩個(gè)工具網(wǎng)站上保持更新，這項(xiàng)工作可對(duì)未來(lái)氣候預(yù)測(cè)核心指標(biāo)的選取起到重要指示作用。

世界天氣研究計(jì)劃（WWRP）和WCRP S2S項(xiàng)目選擇的關(guān)鍵指標(biāo)，一為MJO預(yù)測(cè)技巧，二為天氣型轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)。在2013—2017年的第一階段實(shí)施中，10個(gè)S2S模式中，有7個(gè)MJO提前20天預(yù)報(bào)的雙變量相關(guān)技巧（bivariate correlation skill）超過(guò)0.5，只有1個(gè)模式（ECMWF）預(yù)報(bào)時(shí)效達(dá)到30天（圖8）[4,29]；在天氣型轉(zhuǎn)變預(yù)報(bào)方面，北大西洋濤動(dòng)（NAO）正負(fù)轉(zhuǎn)型預(yù)報(bào)可提前3周，其他天氣型的轉(zhuǎn)化提前16天預(yù)報(bào)。

圖8 10個(gè)S2S模式模型集合均值與ERA Interim之間的MJO雙變量相關(guān)性相對(duì)提前期的演變Fig. 8 Evolution of MJO bivariate correlation compared to lead time between the mean values of 10 S2S model sets and ERA-Interim

NOAA氣候預(yù)測(cè)中心對(duì)季節(jié)溫度的預(yù)報(bào)指標(biāo)在2018年1月技巧達(dá)到36.9，超過(guò)該年度的目標(biāo)（26），過(guò)去10年實(shí)現(xiàn)有效預(yù)報(bào)占比也保持上升[30]。英國(guó)氣象局季節(jié)和年代際預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)NAO的冬季預(yù)測(cè)技巧發(fā)展指出[31]，1993—2016年間季節(jié)預(yù)報(bào)相關(guān)技巧為62%，對(duì)下一個(gè)冬天預(yù)測(cè)的技巧為42%[32]，并且隨著集合成員增加，未來(lái)季節(jié)預(yù)報(bào)有可能接近0.8。

4.2 氣候預(yù)測(cè)主要指標(biāo)的進(jìn)步和未來(lái)指標(biāo)預(yù)測(cè)

根據(jù)ECMWF模式對(duì)MJO預(yù)報(bào)時(shí)效的發(fā)展，2006—2016年，預(yù)報(bào)時(shí)效（雙變量相關(guān)≥0.5）10年約增加12 d[15]。如保持此進(jìn)步速度，到2025年將達(dá)到49 d。

在2004年NCEP召開(kāi)的紀(jì)念全球NWP業(yè)務(wù)開(kāi)展50周年的學(xué)術(shù)會(huì)議上，Lord[33]對(duì)那時(shí)NCEP的預(yù)報(bào)水平進(jìn)行了闡述，用Ni?o 3.4海溫距平指標(biāo)，給出從1997年冬季到2003年冬季的歷史回報(bào)結(jié)果（圖9a），其中提前3和6個(gè)月的相關(guān)性分別約為85%和76%（取6個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)的中數(shù)）。同樣的指標(biāo)，當(dāng)前預(yù)報(bào)也有很多可比較的量化結(jié)果，例如氣候系統(tǒng)歷史預(yù)報(bào)項(xiàng)目（CHFP）集合世界9個(gè)中心對(duì)1992—2010年歷史回報(bào)3和6個(gè)月技巧分別能達(dá)到90%和82%（圖9b）[34]。這樣的對(duì)比結(jié)果表明，在Ni?o 3.4海溫距平指標(biāo)為代表的短期氣候信號(hào)預(yù)測(cè)方面，過(guò)去15年提前3和6個(gè)月的預(yù)測(cè)水平，相關(guān)性分別提高了5%和6%。

綜合考慮，上述相差大約15年的氣候預(yù)測(cè)指數(shù)的進(jìn)展，以及目前指標(biāo)已經(jīng)非常接近100%的情況，未來(lái)3和6個(gè)月針對(duì)Ni?o 3.4海溫距平預(yù)測(cè)的指標(biāo)，分別可能達(dá)到93%和86%（2025年）以及96%和90%（2035年）的水平。

5 討論

天氣和氣候模式的發(fā)展，主要以業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需求為導(dǎo)向。在當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)效已經(jīng)接近可預(yù)報(bào)性極限的情況下，借助高性能計(jì)算新技術(shù)和AI等新手段和思路，以及圍繞預(yù)報(bào)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品支持各種業(yè)務(wù)服務(wù)，成為推動(dòng)模式預(yù)報(bào)有效性及其應(yīng)用的主要手段。其中，新預(yù)報(bào)量的設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)化、下一代預(yù)報(bào)模式和資料同化技術(shù)的研發(fā)等，成為目前NWP領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)。

5.1 NWP水平提升的腳步?jīng)]有停歇

ECMWF最新給出了世界領(lǐng)先的5個(gè)氣象業(yè)務(wù)中心2018年和2017年3—5月預(yù)報(bào)指標(biāo)的比較（圖10）。其中，在幾乎所有的預(yù)報(bào)時(shí)段，1年里的進(jìn)步都是“可測(cè)量”且是正面的。ECMWF在不斷改進(jìn)和升級(jí)其業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式的同時(shí)，2018年，在其模式輸出端新增加了3個(gè)重要變量的模式預(yù)報(bào)場(chǎng)：閃電、總水汽輸送和最大對(duì)流有效位能，以支持更多的模式應(yīng)用和研究。這些新的預(yù)報(bào)產(chǎn)品提升了服務(wù)（如閃電）和天氣診斷（如總水汽輸送和對(duì)流有效位能）利用的可能。

圖9 2000年前后NCEP（a）和CHFP項(xiàng)目給出的9個(gè)主要?dú)夂蝾A(yù)測(cè)中心（b）針對(duì)Nino3.4海溫距平指標(biāo)的歷史回報(bào)結(jié)果Fig. 9 Hindcast results of Nino-3.4 SST anomaly at NCEP from DJF 1997/1998 to DJF 2003/2004(a) and 9 climate prediction centres in CHFP project(b)

圖10 2017和2018年ECMWF（紅色）、UKMO（深藍(lán)）、NCEP（綠色）、JMA（橙色）和CMC（淺藍(lán)）對(duì)北半球中緯度地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)技巧得分對(duì)比Fig. 10 Forecast skill scores of north hemisphere 500 hPa geopotential at ECMWF (red), UKMO (dark blue), NCEP(green), JMA (orange) and CMC (blue) in 2017 and 2018

ECMWF已經(jīng)明確將其業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的分辨率從當(dāng)前的18 km提高到5 km，且試驗(yàn)表明，提高預(yù)報(bào)系統(tǒng)分辨率，將提升預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。針對(duì)2017年9月Irma颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)表明，5 km模式試驗(yàn)結(jié)果顯示出更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。而當(dāng)集合預(yù)報(bào)模式的分辨率提高之后，ECMWF當(dāng)前集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式數(shù)量（50個(gè)）是否可以大幅度減少，仍然在試驗(yàn)中。目前的試驗(yàn)表明，減少模式數(shù)量會(huì)使中期概率預(yù)報(bào)的技巧降低。

5.2 2025和2035年兩個(gè)時(shí)段可期的預(yù)報(bào)指標(biāo)

針對(duì)學(xué)者最新給出的可預(yù)報(bào)性2D分布圖[4]，基于文獻(xiàn)研究成果，本節(jié)選取了反映世界氣象中心的核心業(yè)務(wù)指標(biāo)，給出當(dāng)前以及未來(lái)10和20年可能的發(fā)展趨勢(shì)（表2）。在分析這些指標(biāo)過(guò)去10～20年進(jìn)步的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了指標(biāo)接近可預(yù)報(bào)極限，增幅減緩的可能。

表2中反映氣象業(yè)務(wù)中心整體能力的所謂核心指標(biāo)，實(shí)際上是氣象業(yè)務(wù)中心一系列研發(fā)工作及其綜合能力在一個(gè)總體上的考量。要有效地提升核心能力指標(biāo)，WMO天氣公開(kāi)科學(xué)會(huì)議[3]提出至少以下8個(gè)方面高水平的研發(fā)工作：1）理論進(jìn)步；2）重大國(guó)際外場(chǎng)試驗(yàn)和觀測(cè)技術(shù)（雷達(dá)、廓線儀和衛(wèi)星等）復(fù)雜研發(fā)互動(dòng)；3）數(shù)值方法挖掘（譜方法、有限元等）；4）次網(wǎng)格尺度物理參數(shù)化（深對(duì)流、云、山脈等）；5）大氣-海洋-海冰和陸面-水文耦合；6）大氣擴(kuò)散和空氣質(zhì)量；7）地面、高空和衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的資料同化；8）高性能計(jì)算系統(tǒng)。

目前世界上領(lǐng)先的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)ECMWF，在醞釀其2016—2025年戰(zhàn)略時(shí)，前任中心主任作為作者之一，在著名期刊Nature上發(fā)表了評(píng)述NWP進(jìn)步的評(píng)述文章，指出天氣氣候預(yù)報(bào)技術(shù)的巨大進(jìn)步是“靜悄悄的革命”，文后給出了多達(dá)100篇文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)在指明了NWP進(jìn)步所依據(jù)的更廣泛領(lǐng)域科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，更意味著數(shù)值模式能力的提升，需要多領(lǐng)域日積月累的創(chuàng)新研發(fā)活動(dòng)才有可能。

表2 世界領(lǐng)先水平核心預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)指標(biāo)目前值和未來(lái)（2025年和2035年）估計(jì)Table 2 Current values of state-of-the-art core forecast indicators and their extend values in the future (2025 and 2035)