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1、气象部门基层台站职工科学发展主题远程培训讲义第四讲 气象预报预测【内容提要】气象预报预测系统是构建现代气象业务体系的重要组成部分。发展现代气象业务的重点任务之一就是要发展以提高预报预测准确率和精细化为核心的气象预报预测业务。本专题重点围绕气象预报预测业务的现状和发展趋势、存在的主要问题、提高预报预测准确率的主要思路、气象预报预测系统的主要内涵和重点任务以及基层气象台站在预报预测系统中的定位和作用等方面进行阐述。【学习要点】了解当前气象预报预测业务的现状及发展趋势，了解当前提高预报预测准确率的一些主要思路，了解县级气象预报预测业务内容、了解气象预报预测系统的主要内涵和重点任务，以及基层气象台站在
2、该系统中的定位和作用。引 言气象预报预测业务是现代气象业务的核心，提高预报预测准确率和精细化水平是气象预报预测业务的核心。基层气象台站在气象预报预测系统建设中起着举足轻重的作用，是我国气象事业发展的基础。基层气象台站所提供的观测资料，是气象预报预测和科研的基础，提高观测资料质量是基层台站的重要任务。县级气象部门，直接面向气象服务的一线，需要根据当地特点，对上级指导预报产品进行订正，因此，建立一支理论基础扎实、经验丰富的预报员队伍对提高预报预测准确率起着重要作用。第一节 气象预报预测业务现状与发展趋势1.1 气象预报预测业务涉及的一些主要概念（1）天气预报天气预报是指对天气未来发展状况的预估，诸
3、如降水、云、风（风速、风向）以及气温等的未来可能状况。（2）临近和短时预报世界气象组织定义的甚短期预报（very shortrange weather forecasting）即短时预报是指012小时以内的天气预报。而临近预报（nowcasting）只是短时天气预报中的特定内容，专指当时的天气监测和02小时的外推预报。随着近年来气象观测手段的不断提高和数值模式在天气预报中的成功应用，目前在短时临近预报界，基本认为临近预报的预报时效是06小时。我国根据长期工作实际，中国气象局在短时、临近预报业务暂行规定（试行）中规定，短时预报是指未来012小时天气参量的描述，其中02小时预报为临近预报。短时、临
4、近预报业务的工作重点是监测和预警台风、暴雨、飑线、冰雹、雷雨大风、龙卷、雷电、下击暴流、雪暴等灾害性天气。(3)短期天气预报短期天气预报（shortrange weather forecasting）的时效为13天，预报内容包括：常规天气要素预报（包括天空状况、能见度、降水量、最高/低温度、风向、风速、相对湿度、空气污染等）和灾害性天气落区预报（包括台风、暴雨、冰雹、寒潮、大雪、大风、沙尘暴、雷暴、大雾等的出现时段、落区和强度）等。(4)中期天气预报 世界气象组织定义的中期预报（mediumrange weather forecasting）是指72小时以上240小时以内的天气预报。(5)延伸
5、期天气预报世界气象组织定义的延伸期预报（extendedrange weather forecasting）是指11天以上30天以内的天气预报，在该时段里通常用气候距平值来表征。(6)长期天气预报世界气象组织定义的长期预报（longrange forecasting）是指30天至两年的气象预测。（7）（短期）气候预测无论模拟实验还是理论分析都指出，逐日天气预报的理论上限大约是23周，所以，不可能作月、季尺度的逐日天气预报。为了强调预测的对象是气候而不是天气，即预测对象为气象要素的平均值或距平，将月、季尺度预测称为气候预测。同时为了与对温室效应影响的预测区别，称为短期气候预测，有时简称为气候预测
6、（王绍武，2001）。（8）数值预报天气、气候现象是地球大气运动的结果，它们受一定的物理、化学规律的支配，这些定律可以用一组微分方程来表示。从一定的初始状态出发，在一定的环境条件（即边界条件）下求出这一微分方程组的解，就可以对未来的天气或气候状况做出预报。由于方程组的复杂性，这一过程必须借助于现代高性能计算机使用数值方法才能求解，这就是数值预报。根据预报对象的时间尺度，可以将数值预报分为短期或中期数值天气预报、气候模式预测等；而根据预报的空间范围与尺度又可以分为全球数值预报、区域数值预报、中尺度数值预报等。不同对象的数值预报所使用的技术方案与预报产品都有很大区别，例如一般的数值预报关注并预报具
7、体的天气过程与气象要素的演变，而短期气候模式预测则关注、预报月与季节尺度的冷暖、旱涝趋势，而不是具体的天气过程（宇如聪，2007）。数值天气预报的成功是20世纪最重要的科学、技术和社会成就之一。（9）集合预报大气本身的混沌特性使得数值模式对于初始场的微小误差十分敏感，而初始资料的误差和模式的误差带来了大气初始状态的不确定性和大气模式的不确定性，利用数值预报模式在确定性预报的初始场上施加一些能反映初值不确定性的扰动，然后用带有这种扰动的初值制作一系列预报，并将这些预报的集合称之为集合预报（章国材等，2007）。无论是形势场还是要素预报都应从概率观点考虑，目前最好的方法是集合预报，针对中期预报的集
8、合预报技术相对比较成熟，形势场可用预报时效已达78天。（10）数值预报产品释用 即对数值预报产品的进一步解释和应用，具体来说就是利用统计、动力、人工智能等方法，并综合预报经验，对数值预报的结果进行分析、订正，最终给出更为精确的客观要素预报结果或者特殊服务需求的预报产品。（11）气象预报预测业务气象预报预测系统是指由天气、气候、气候变化、应用气象（包括海洋、水文、交通、航运、农业气象、大气环境、空间天气、人工影响天气）等监测分析、预报、预测、预估、预警业务，及其相应的质量检验与评定业务、技术平台和业务流程、应对气候变化与气候资源的开发利用等所组成的一个完整的系统。气象预报预测业务是气象预报预测系
9、统的核心，依据时间尺度的不同可将其划分为天气预报业务和短期气候预测业务。（12）气象灾害及我国主要灾种 气象灾害是指由气象原因造成的灾害，是自然灾害中最常见的一种灾害现象。从全球及我国气象灾害来看，气象灾害的特征主要有：造成的生命和财产损失十分严重；旱涝等灾害持续特征明显；群发性突出，即常常在同一时间段内出现多种气象灾害；具有明显的区域性特征；发生频率高、季节性强；种类多，易引发次生灾害。气象灾害从时间尺度上可分为天气灾害和气候灾害两类。天气灾害：指大范围或局地性、持续性或突发性、短时间强烈的异常天气而带来的灾害，如大范围的寒潮、台风等天气灾害或局地区域所发生的暴雨、冰雹、龙卷风等灾害。这些灾
10、害常伴随有强风、暴雨和降温等。气候灾害：指大范围、长时间的、持续性的气候异常所造成的灾害，如长时间气温偏高、偏低，降水量偏多、偏少而形成的洪灾、干旱、低温冷害等灾害。我国地域辽阔，东部处于东亚季风区，而西部地处内陆，天气气候复杂，是世界上受气象灾害影响最严重的国家之一，气象灾害占我国自然灾害的71%左右，特别是洪涝、干旱、台风、冰雹、雷电、高温热浪、低温冷害、沙尘暴、地质灾害、风暴潮、森林草原火灾等气象灾害及其衍生、次生灾害频繁发生，严重威胁经济社会发展和人民生命财产安全，农业、生态、交通、能源等行业受气象灾害的影响尤为严重（郑国光，2009）。一般来说，中国西北地区及内蒙古、西藏、四川等省（
11、区）属大陆性气候，常年干旱，冬季冻害严重。青藏高原是全国降雹最多的地区，新疆南部和内蒙古、甘肃两省（区）西部沙尘暴发生最频繁。东北、华北、西北东部及黄淮北部一带，干旱和霜冻发生较为频繁。江淮、江南、华南是全国暴雨洪涝、台风（热带气旋）灾害最为严重的地区，也是雷雨大风、龙卷等灾害性天气多发区。西南地区中东部一带地形复杂，干旱、暴雨及引发的泥石流、崩塌、滑坡和冰雹、低温阴雨等灾害发生频繁（）。1.2 气象预报预测业务现状（1）国外气象预报预测业务发展现状在天气预报方面，2008年欧洲中期天气预报中心数值预报产品的可用时效在北半球达8.5天；美国国家水文预报中心1英寸（相当于大雨）24、48小时定量
12、降水预报的Ts评分分别为34%、28%，2英寸（相当于暴雨）24、48小时定量降水预报的Ts评分分别为28%、21%；美国、日本台风路径预报24小时误差分别为106、118千米，48小时误差分别为211、206千米。在短期气候预测方面，国际上一些主要的业务中心，如美国国家环境预测中心（NCEP）、美国气候预测中心（CPC）、哥伦比亚大学国际气候与社会研究院（IRI）、欧洲哈得来中心（Hadley Center）、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）以及亚洲的日本气象厅（JMA）、韩国气象局（KMA）等机构已逐渐从纯粹采用统计预测方法进行短期气候预测转变为以动力学预测为基础的统计预测。在气候监测预
13、测方面，全球极端事件监测已成为各主要气候中心的常规监测业务。一些中心还提供精细化和拓展化程度更高的监测结果，如东京气候中心的全球极端事件监测包括周、月、季及年气候公报。IRI提供的监测事件拓展到与气候相关的其他领域，包括卫生、火险等。国外对海洋监测尤其是ENSO监测预测业务产品比较丰富。在月和季气候预测产品方面，国外主要依赖于模式的预测结果，环流的预测结果以确定性预报形式提供，要素的预测结果以概率预报形式提供。截至2008年底，动力气候模式已经成为世界主要气候中心发布预测产品的最重要途径，各国都在大力发展自己的气候模式。现阶段的动力气候模式不再仅仅考虑海气耦合，而是着手考虑大气圈、水圈、岩石圈
14、、生物圈、冰冻圈等五大圈层间的相互作用。在应用气象方面，ECMWF已经建立了多个服务对象的水资源预报和应用系统，能够提供35千米、15天的局地或者区域洪水预报。美国的气象机构为3400个预报位置提供河流径流量的预报信息。在交通气象预报方面，布设专门的道路天气观测站点，建立了道路天气信息系统，观测路面状况（路面温度、状况及除冰物质浓度）和气象要素（温、湿、风、降雨量及能见度），研究强降雨、积雪、积冰、大雾等高影响天气气象条件对道路交通的不利影响。国际上作物模型技术和地理信息系统（GIS）技术在农业气象中应用较为广泛，美国把作物模型与GIS有机地结合起来，模拟气象条件对农作物生长发育和产量形成的影
15、响，欧盟建立了基于作物模型作物生长监测系统，并在区域和国家尺度上开展了作物长势监测和产量预测业务服务。在预报方法和预报技术的研究开发上，各发达国家根据各自的天气特点，发展具有明确预报理念的预报方法和预报技术。如具有中纬度天气预报技术特色的位涡理论（PV thinking）在法国天气预报业务中获得了充分的应用。中尺度天气预报方法（ingredientsbased forecasting methodology）,即配料法被广泛应用在美国、澳大利亚等国家的中尺度强天气预报中，美国国家强风暴预报中心（SPC）对集合预报产品的解释应用也主要使用该预报方法。澳大利亚的最优化集成释用（OCF）利用基于偏差
16、订正的多模式最优集成预报技术，它对温度预报具有很好的效果。自20世纪90年代，美国国家天气局（NWS）开始开展依靠数值预报模式指导产品来实现预报产品格点化的工作。至此，气象预报预测业务已从人工制作文字预报转变为利用图形软件工具制作图形预报。发达国家的预报平台一般都具有操作简单、调阅方便快捷和多专业版本的特征。其共同特征有：基于 Linux系统，具有快速、集成、自动、交互和报警等功能；多专业化版本；支持模式产品、卫星、雷达、闪电、GIS等各种资料；具有动画、叠加、剖面、时间序列、温度对数压力Tlnp）等图形显示功能。此外，预报平台的开发与预报方法和技术的研发同步发展提供具有特色预报方法和预报产品的集成预报系统是近年来系统开发的主要特点。随着遥感探测资料特别是雷达
