短期气候预测业务系统

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1、 1 短期气候预测业务系统 丁一汇 国家气候中心 随着我国国民经济迅速的发展国家不但需要更准确的中短期天气预报而 且还迫切需要更长时期的气候预报尤其是国家计划农业水利和防灾减灾等部门 短期气候预测是国际大气科学和地球科学领域的前沿课题 也是极其困难的跨学科难题短期气候预测当前面临三大方面的难题首先是预报的时间长度很 长天气预报一般是 17 天而短期气候预测需预测未来一个月一个季和下一年的气候变化时间越长不确定因素越多预测的难度越大第二是它们所 依据的预报原理不同对天气预报只要知道了大气的初始状况就可以用一套描述大气运动的方程组来预测未来的天气 它涉及的主要是大气圈而气候预测 则不同 它是从全球

2、各圈层的变化及其与大气圈的相互作用来预测未来的气候变化因而它涉及的是地球上的五个圈层即大气圈岩石圈生物圈冰雪圈和 水圈它所用的方程组极其复杂并且从数学和物理上如何正确表征各圈层相互作用还没有完全解决因而面临着预测理论的困难所以短期气候预测不能沿 用中短期天气预报的原理与方法 必须面对整个复杂的气候系统及其变化研制新的理论和方法 因而它的技术水平也受到其它相关学科发展的制约和限制第三 是资料和数据不足由于气候预测需要各圈层即整个气候系统的资料因此困难比天气预报要严重得多 进一步中国的短期气候预测具有更大的科学难度中国由于有青藏高原亚洲季风和太平洋的共同影响气候成因极其复杂和特殊一般性气候理论和方

3、 法不能解决中国的气候预测问题必须根据中国的气候特点研究适用于中国的气候预测理论与方法下面这张图说明了影响中国气候的主要因子可以看到不 但要考虑太平洋和印度洋的影响还要考虑欧亚积雪青藏高原与陆面状况的影响以及大气环流本身变化等一系列因子的作用 影响中国气候的主要因子成因极其复杂和特殊 2 1996-2000 年科技部设立了九五科技攻关项目我国短期气候预测系统 的研究由于这个项目具有重大社会经济意义和科学难度被列为国家“九五”期间 16 个重中之重攻关项目之中 攻关的目标是在国家和七个大区两级建立新一代短期气候监测预测影响评估和服务综合业务系统 特别是研制可用于业务预测的气候模式系统使短 期气候

4、预测水平比“八五”期间有明显的提高 以初步满足国民经济发展和防灾减灾的迫切需求并达到同期国际先进水平 攻关的关键科学问题有三个作为研究的切入点首先根据长期资料的分析寻找有先兆意义的预测因子和气候信号据此研制基于统计关系但有明确物理 依据的预测模型 第二是根据揭示的预测信号设计和研制可用于我国业务预报的气候模式系统它能合理包含上述影响中国气候变化的各种主要物理过程虽然 比较简化的气候模式在攻关前也有研究 但正式在国家级的业务应用上几乎是空白因而这是攻关的核心部分第三也是最后目标是把研究的各部分在巨型计 算机上进行科学集成总装和运行有机地形成一个用于气候业务监测预测灾害评估和服务的综合业务系统 通

5、过全国 400 多位科学家其中有 5 位院士和近 80 位教授和研究员五年攻关研究 实现了攻关的总目标 建立了国家和地区第一代短期气候监测 预测 评价和服务业务系统至今已成功运行了三年系统的预测能力和准确性比过去有明显增强客观化定量化自动化水平大大提高为国内外用户提供了 14 种以上的气候产品大大提高了我国气象业务现代化整体技术水平 科研成果主要有三个方面 第一是揭示出影响中国气候异常的最强气候信号 是厄尔尼诺事件 高原积雪和季风根据这些信号已研制出新的物理概念预测模型为我国气候预测提供了有物理依据的新思路和实用方法过去对厄尔尼诺信 号能否和如何影响中国降水的问题国际上知之甚少 从近期国外发布

6、的厄尔尼诺事件对世界各地气候异常影响图上可见到这一点我们的研究发现厄尔尼诺现 象对中国降水有重要影响但其主要不在发生的当年而是次年我国北方及长江流域以南多雨黄淮地区少雨呈现南北两条雨带的分布第二我们对青藏高 原如何影响中国气候的问题也进行了大量研究 发现由于全球变暖虽然欧亚积雪不断减少但青藏高原冬季的积雪在不断增加它对中国气候的影响在不断加 强特别是它明显地影响中国夏季的降水从近 40 年青藏高原积雪与中国夏季降水的相关图可见青藏高原前冬积雪多长江流域及华南多雨北方少雨第 三我们的研究还发现南海季风爆发早晚与以后夏季降水有很好的负相关关系季风爆发早雨带偏北爆发晚雨带偏南南海季风强雨带偏北反之则

7、偏 南上述前兆气候信号的发现明显增强了业务应用的可靠性和准确性而且也为我们设计和研制气候模式系统提供了基本指导和实际数据 科研成果的第二点也是核心部分是发展并建立了复杂的全球与区域动力 气候模式预测系统该模式系统包括五个模式即 T63L16全球大气环流模式 高分辨率区域气候模式T63L30 全球海洋模式和海冰模式太平洋和印度洋高3 分辨率海洋模式和厄尔尼诺预测模式 这是通过国内这个领域中许多著名科学家 的联合攻关完成的 与国际上同类型模式相比我们研制的气候模式有下列重大创新 用新的日通量距平耦合和三维嵌套方法实现了气候系统中主要圈层的耦合 及不同用途模式的嵌套 稳定和合理的动力框架复杂和先进的

8、物理参数化方案与青藏高原大地形的合理处理方法更精细合理的积雪模式和陆面过程模式 较高的垂直与水平分辨率相匹配的多种资料同化分析系统上述创新成果的应用解决了国内外气候模式普遍存在的下列问题1 保证了气候模式系统能够稳 定和准确的长期积分这是制作气候预测的必备前提2基本消除了海气耦合模式常有的气候漂移也即系统性误差3消除了由青藏高原大地形处理不当 造成的大范围虚假降水4用高分辨区域模式更精细预测中国雨带的移动和降水强度弥补了全球模式预报较粗的缺点5可更准确地预测厄尔尼诺的发 生与衰减趋势作为一个例子我们看下面的图澳大利亚和加拿大的气候模式都在中国中部地区模拟和预报出大范围虚假的降水区 这主要是由于

9、青藏高原大 地形处理不当引起 本项目研制的气候模式由于引入了重力扣除法等新技术方案而消除了这种虚假降水从而保证了降水预报的可信性 根据我们的气候模式所做的 20 年历史回报汛期降水的距平相关系数全国平均为 0.08在旱涝多发的长江流域和华南地区高达 0.120.36这与国际上 是完全可以相比的0.070.20值得提出的是对 1998 年夏季长江大暴雨/洪水的预报那时候我们用初步研制成的气候模式提前三个月对 1998 年夏季中国大 暴雨/洪水作出了正确预报而同时期著名的国际气候预测研究院IRI对亚洲1998 年夏季降水的预测结果是长江大暴雨未报出东北报反其它几年的预 报情况这里就不再给出了 今年

10、大家很关心中国夏季的淮河暴雨和长江与华南的持续高温虽然中国气象局通过对多家预报结果综合后对外发布的 2003 年汛期 降水预报没有报出 6 月下旬到 7 月上旬的淮河暴雨洪涝 但用本项目研制的高分辨区域气候模式预报的淮河暴雨获得了成功 这种模式的分辨率(60 公里)比全 球气候模式(200 公里)提高 3 倍有能力预测降水区的细致分布与中尺度系统的作用此外今年对南方的伏旱和黄河流域的多雨也是预报出来的 成果的第三点也是本项目的一个突出特点是通过不同部委的合作攻关本系统是在高性能计算机和网络的支持下建立了完整的业务应用系统 可以满足国 民经济多部门的需求它不仅提供短期气候预测信息而且可以根据预测

11、的气候情景快速客观准确地给出气候变化对水资源农业林业交通电力 重大工程等国民经济重要部门和关键地区的影响及时为决策部门提供决策服务 在分布式异构数据库技术跨平台的软件开发技术和系统集成等方面均有突 出的创新点 1998 年开始应用以来国家和大区两级整体预报水平比“九五”以前 20 年的 平均提高了 610% 预测与实况的相关系数提高了 0.07特别是 1998 年长江全流域的严重暴雨洪涝和近 3 年北方地区的少雨干旱以及厄尔尼诺预报 冬季暖 冬的预报都相当成功下表给出了攻关前后预报水平的比较这是项目专门设4 立的一个预报水平评估组全程跟踪项目的进展而得到的结果 攻关前预报准确率 为 5965%

12、相关系数为 0.05美国为 0.06攻关后准确率提高了 610%相关系数达到了 0.12与一些先进国家的水平相当0.070.20特别值得一提 的最近几年来我国北方蒙受了连续的严重干旱尤其是 20002002 年出现了三年连旱 从表中可以看到 我们的预报系统对干旱预报准确率更高 达 77.08% 相关系数达 0.15 这个结果是很容易理解的因为我们研制的气候预测系统主要的预测能力是表现在预测大范围持续性的气候异常方面而干旱正具有这种特 征 预报水平的比较月与季降水预报 预报指标 准确率P 距平相关系数ACC 国内 59-65%1978-1997 0.051988-1997 攻关前 国际 0.06

13、美国1959-1988 国内 62-70%1998-2000 66.5%1998-2003 北方干旱77.1% 0.121998-2003 北方干旱0.15 攻关后 国际 0.07-0.20美国等国个别年 作为一个例子给出月降水预报水平的评估结果 可以看到近年来预报技巧一 直是增加的最近六年19982003 年在国家气候中心制作的汛期降水预报水平的总结表明正确预报的年份有 4 年即 199820002001 和 2002 年预 报基本趋势正确但区域洪涝未报出的年份有 2 年即 1999 和 2003 年这两年分别在太湖和淮河地区发生了短时期的强暴雨/洪涝这表明本项目研究的预报 系统的预报能力表

14、现在对大范围长时期旱涝趋势预报较好而对短时区域性暴雨洪涝的气候预报能力较弱 厄尔尼诺预报在国际上也是衡量一个国家气候预测水平高低的指标 用项目研究的模式我们成功地预报了自 1997 年以来发生的所有厄尔尼诺和拉尼娜事 件 从表征厄尔尼诺事件的热带东太平洋海表温度的预测精度看 趋势十分一致量值差别也不太大相关系数达到了 0.7 如果看一下 20 世纪最强的厄尔尼诺事 件1997.61998.10预报检查结果和对比则我们预报的相关系数为 0.78明显高于国外模式预测的结果 从 1998 年开始研制的系统已逐步成为国家气候中心和七大区域气象中心5 的主要业务系统发挥了骨干作用并且以不同的媒介形式定期

15、和不定期向国内 外发布各种气候产品和信息 另一方面由本项目建立的中国短期气候系统在国际上进行了推广应用工 作 拥有越来越多的用户 通过每年中 日韩定期主办的东亚国际气候预测会为东亚和东南亚地区提供冬夏季和跨年度气候预报奠定了国家气候中心升级 为世界气象组织下属的亚洲区域气候中心的基础 将为该地区各国提供更多的气候产品和服务另外受政府间亚太网络组织APN资助已建立了亚洲及太平 洋地区厄尔尼诺监测和预测网络在国际上产生了重大影响仅 2001 年该网站就被点击 7000 多次同时也成为定期为世界气象组织WMO提供厄尔尼诺预 报的主要单位之一该组织及时向全世界发布厄尔尼诺警报 本项目社会经济效益显著据

16、不完全统计至 2000 年 12 月底至少有 298 个单位使用了由本项目提供的产品和成果 本项目是一个服务于全社会的重大公益性业务系统 其社会经济效益很难用一种经济指标来衡量据国内外气象部门 统计平均气象灾害每年的损失占 GDP 的 3-6%短期气候预测如果报准可使受灾损失减少 1-2%1998 年正确的汛期预报使受灾损失减少了约 10%大致为 200-250 亿元这个数字是根据当年中国气象局系统各单位的调查和统计分析得到的 国家统计局和民政部没有这方面的资料 这主要是通过各大中型水库控泄 蓄水调度正确分洪与不分洪决策正确三峡库区未停止施工等措施实现的仅据湖南气象与防灾部门统计1996 年 7 月由于预报不准由一次暴雨洪涝造成 的损失就达 508 亿元而 1998 年在 8 次洪峰影响下损失仅 329 亿比 1996年还少了 179 亿这主要归功于预报正确其它省份的损失减少额这里就不多举 了另外在干旱年和地区由于预报正确采取了人工增雨及其它抗旱措施也取得了显著的经济效益应该指出上述的数字只能是一个参考 通过这个项目成功的实施大大提高了我国气象业务的现代化水平