趋势 | 数值天气预报能力未来将有多强？
导读
2017年，世界气象中心（北京）成为第二批被认定的世界气象中心，让中国成为唯一拥有“世界气象中心”称号的发展中国家。世界气象中心的职责不仅局限于本国，还需在全球气象发展中发挥“中心”的作用和价值。因此，世界气象中心核心业务能力的高低，成为考量中心含金量的关键所在。
2018年，中国气象局开始酝酿制定到2035年的科技发展规划（以下称“2035年规划”）。该规划瞄准到2025年和2035年世界主要气象机构核心能力的发展水平，提升我国关键预报技术水平，实现到气象强国的转变。
本文对目前国际主要气象中心预报预测能力的领先水平，以预报指标为衡量进行梳理，在此基础上，结合这些“领先水平”的发展痕迹，特别是过去10年里水平提升的幅度，在给出当前水平（2016—2017年）的同时，对未来10年（2025年）和20年（2035年）国际上预报预测的先进水平将达到的高度进行预测。
趋势一：单一可预报指标“2D”化
不同预报要素“随遇而安”
最早，洛伦茨基于大气混沌本质给出可预报性的边界值为16.8天。随着模式模拟技术的发展、学界对非线性过程本质认识的进步和计算、模拟技术的改进带来的手段更新等，可预报性问题得到了更加清晰的解析和拓展。
欧洲中期预报中心（ECMWF）最近就从模式与预报对象的时空尺度出发，给出了新的可预报“2D”分布，其中的可预报时效大大提高。
提前接近1年预报的要素为月海平面温度距平和厄尔尼诺等气候信号密切相关的变量统计值。其余预报要素从易到难排列为：月平均2m温度和气压、遥相关指数、高空场、地面场、降水和气象极值。而地面场及其后要素可预报的空间尺度均在1000 km以内。
洛伦茨经典可预报理论（上）和最新研究给出的可预报性2D分布（下） |
趋势二： 10天左右的预报
将更有参考价值
各世界气象中心全球天气预报业务模式
先进的全球集合预报系统大约有20～50个成员，模式的水平分辨率在9～50km，垂直100层左右。北半球500hPa高度场最初集合离散度约2.5 m（大约是变率的3%），在预报最初24 h内以指数增长，在10天内发散到70m左右。
预报系统性能领先的欧洲中期预报中心（ECMWF），其模式水平分辨率达9km，垂直层数137层，预报时效在10～15天之间。2017年欧洲中期预报中心（ECMWF）将其IFS（注：综合预报系统）升级为IFSCycle 43r3，主要改变有：改进了对流模拟，采用了新的辐射方案和气溶胶气候学，以及更好地利用了下投式探空仪数据和其他观测数据。这次升级换代使其预报技巧，特别对是热带气旋的预报，有了一定提高。
欧洲中期预报中心（ECMWF）北半球中纬度24h降水总量集合预报有效天数变化（2002-2017年，图中给出预报时效（d, CRPSS≥0.1）的12个月滑动平均值）
欧洲中期预报中心（ECMWF）代表的领先全球模式核心指标现状
欧洲中期预报中心（ECMWF）在2017年年报中，给出了到2017年底该中心各种核心业务指标的统计。其中影响最大的预报产品——北半球中纬度24h降水集合预报的进步明显，从本世纪初的2.5天增加到7天左右。预报改进的速度在最近十年明显“减缓”，但变缓的进步还是让10天左右的预报具有了价值。
世界上6个主要气象中心2002-2017年业务系统北半球中纬度500hPa位势高度预报有效（距平相关≥80%）预报的天数变化，图中还给出2个再分析结果用于参考。 |
全球主要气象中心预报指标的演变和相互比较显示，欧洲中期预报中心（ECMWF）本世纪以来的发展趋势具有一定代表性，都趋于变缓但一直保持进步。
数值天气预报模式2025年和2035年性能进步预测
欧洲中期预报中心（ECMWF）在最新的2016—2025年战略中，在预报方面明确提出了“2+4+1”战略，即到2025年：高影响天气的有效集合预报提前2周；大尺度形势和机制转化预报提前4周；全球尺度异常预测提前1年。而未来5年美国国家环境预报中心（NCEP）部分预报系统的升级情况的主要特征为：分辨率进入10km，区域模式和预警服务进入1～3km，集合成员数稳定在20～30个，最长预报时段超过1年达到15个月。
以下依据对数值天气预报过去进步幅度的量化估计，同时参考各种战略给出的估计，对天气预报领域一些核心指标未来进步的可能幅度做出初步估计。
依据欧洲中期预报中心和美国国家环境预报中心对500hPa位势高度预报时效的提升率，约每10年提高近2天。目前北半球主要预报指标时效大约6.7天，即基于全球预报过去20年的改进：2025和2035年预报时效将提高到8和10天。
欧洲中期预报中心（ECMWF）高分辨率模式系统预报时效最近10年从大约6.0天提高到6.8天，基于高分变率模式过去22年改进：2025年和2035年时效提高到7.6天和8.4天。
欧洲中期预报中心（ECMWF）最近10年温度和降水预报预报时效的增加在0.8—2天之间，即多种模式要素预报：10年进步在1-2天之间，将全面接近和进入10天有效性阶段。
趋势三：更早进行
天气型转变和气候预测
从世界气候研究计划（WCRP）耦合模拟工作组（WGCM）耦合模式比较计划的发展历程来看，第三阶段（CMIP3）参与模式的典型水平分辨率为大气250km，海洋1.5°。7年后的CMIP5周期中，进步到150km和1°。截止到2016年CMIP6的部分模式能实现大气至少50km和海洋0.25°。
气候模式50年发展历程
世界天气研究计划（WWRP）和世界气候研究计划（WCRP）的次季节—季节预报项目(S2S)目前选择的预测关键指标，一为MJO（注：热带季节内振荡）预测技巧，二为天气型转变预测。2013—2017年的第一阶段实施中，10个S2S模式中有7个MJO预报时效（双变量相关≥0.5）达到20天，其中最领先的ECWMF模式10年预报时效约增长12天，达到38天。如保持此进步速度，到2025年能达到49天。在天气型转变预报方面，北大西洋涛动（NAO）正负转型预报提前3周，其他天气型的转化提前16天预报。
再看以Nino3.4海温距平指标为代表的短期气候信号预测。2004年NCEP历史回报提前3和6个月的Nino3.4海温距平指标相关性约为85%和76%。2018年，气候系统历史预报项目（CHFP）集合世界9个中心相应技巧达到90%和82%。即过去15年提前3和6个月的预测水平，相关性分别提高了5%和6%。综合考虑，未来3个月和6个月针对Nino3.4海温距平预测的指标，可能分别可以达到93%和86%（2025年）以及96%和90%（2035年）。
预报模式发展的一些新趋势分析
天气和气候模式的发展，主要以业务预报需求为导向。在当前预报时效已经接近可预报性极限的情况下，数值天气预报模式领域发展必然会借助新手段和思路，以及开发新的产品，一些新趋势有：
欧洲中期预报中心（ECMWF）最新给出了世界领先的5个气象中心2018年和2017年预报指标的比较。在几乎所有的预报时段，1年里的进步都是“可测量”且是正面的，数值天气预报模式水平提升的脚步没有停歇。
欧洲中期预报中心（ECMWF）2018年在其模式输出端推出3个新预报场——闪电、总水汽输送和最大对流有效位能，提升了服务（如闪电）和天气诊断（如总水汽输送和对流有效位能）利用的可能。
模式分辨率继续提升。未来5—10年，全球数值天气预报模式业务模式分辨率将达到km尺度。其中欧洲中期预报中心（ECMWF）的战略目标是，到2025年以5km的分辨率进行全球集合预报。
很多研究揭示了极端事件在可预报性方面，相对所有预报而言，具有一定的优势。比如北半球冷暖事件预报技巧得分，明显好于所有预报的平均得分。关键要素提升或许也有有力要素。
正如NOAA利用机器学习改进了冰雹、雷暴、龙卷风和飓风等高影响天气的预报，天气相关数据的潜在来源将继续急剧增长，AI等创新科技应用于天气气候预报将使气象机构和相关公司更好地利用这些数据。
结 语
正如ECMWF前任中心主任作为作者之一在著名期刊《自然》上发表的评述数值天气预报模式进步的长篇评述文章时的比喻，天气气候预报技术的巨大进步是“静悄悄的革命”。
过去几十年，气象预报能力的提升有目共睹，但建立在此发展态势上，对气象预报能力发展进行预测，不论是气候变化导致预报难度增加，还是预报水平逐渐接近可预报性极限，都带来了很大的不确定性。
本文虽然提出了一些量化指标的预测，但其更重要的意义在于，把握世界气象科学发展趋势，促进我国气象现代化建设。特别是在制定未来发展规划过程中，了解世界最前沿的动态。同时意识到，所谓的核心指标，实际上都是对一系列研发工作及其综合能力在一个总体上的考量。数值天气预报模式进步需要基于更广泛领域的科学和技术进步，而数值模式能力的提升，也需要多领域日积月累的创新研发活动才有可能。
各国数值天气气候预报系统，无论是从系统本身含金量的角度，还是其在国家福祉和防灾减灾救灾过程中的作用来看，无疑都是国家“重器”。它在中国气象现代化建设中的作用不言而喻，完成这件大国重器的铸就，无疑是中国气象人最大和时刻不能忘记的初心。
参考文献
本报告主要依据的研究论文和出版物，对世界上主要气象业务中心预报模式特征和同化系统能力等方面进行了分析，所列文献中的重点国外文献全文，在附录中给出。
贾朋群，李婧华（2015）：2010年以来世界主要国家气象发展战略和规划，科技信息快递，2015年9期
贾朋群（2016）：ECMWF未来10年“2+4+1”战略：将天气气候预报引向极致，气象科技进展，6（4）：29
贾朋群（2018）：“他乡”或许不再是“异乡”——ECMWF“揭开灰色地带的谜底”学术会评介，气象科技进展，8（1）：299-302,304
贾朋群 田晓阳（2018）：2010年以来世界主要气象中心业务模式性能量化评估指标分析，科技信息快递，2018年3期
颉卫华（2017）：赴欧中中期天气预报中心访学工作总结，气象科技合作动态，2017年4期
许小峰（2018）：从物理模型到智能分析——降低天气预报不确定性的新探索，气象，44（3）：341-350
张定媛(2018)： 热带气旋预报水平及指标分析. 科技信息快递，2018年4期
郑秋红等译，贾朋群校（2015）：Nature封面评述文章译介：NWP革命静悄悄，科技信息快递，2015年10期
周庆亮（2018）：世界气象中心设置、认定与履职简析. 气象科技进展，8（4）：129-131
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中国气象报社 出品
文章作者：贾朋群 李婧华 田晓阳
微信编辑：叶海英
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