天氣預(yù)報(bào)的三次躍進(jìn)

杜鈞錢維宏

（1 美國國家海洋和大氣管理局國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心，美國； 2 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣海洋科學(xué)系，北京 100871）

天氣預(yù)報(bào)的三次躍進(jìn)

杜鈞1錢維宏2

（1 美國國家海洋和大氣管理局國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心，美國； 2 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣海洋科學(xué)系，北京 100871）

回顧過去100多年，天氣預(yù)報(bào)經(jīng)歷了兩次躍進(jìn)：第一次是地面和高空天氣圖的繪制和應(yīng)用（空間上的躍進(jìn)），第二次是數(shù)值預(yù)報(bào)的實(shí)施（時(shí)間上的躍進(jìn)）。經(jīng)過這兩次躍進(jìn)，天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)走過了從經(jīng)驗(yàn)和定性描述到今天定量計(jì)算的一門數(shù)理學(xué)科。洛倫茲發(fā)現(xiàn)大氣混沌現(xiàn)象后，天氣預(yù)報(bào)正在經(jīng)歷從單一確定論到多值概率論的第三次躍進(jìn)（觀念上的革命），并試圖通過量化或簡化不確定因素來提高天氣的可預(yù)報(bào)性和降低預(yù)報(bào)的不確定性。重點(diǎn)介紹兩種現(xiàn)行的量化或簡化不確定因素的做法：一是直接面對(duì)問題 （量化），即用集合預(yù)報(bào)的方法，定量描述預(yù)報(bào)的不確定性，使之成為預(yù)報(bào)的一部分，讓用戶在決策時(shí)科學(xué)地應(yīng)用更全面的預(yù)報(bào)信息；二是繞開數(shù)學(xué)上的難題（簡化），把大氣變量分解為瞬變氣候與瞬變擾動(dòng)兩個(gè)部分，用瞬變擾動(dòng)建立與異常天氣之間的聯(lián)系。

天氣預(yù)報(bào)，三次躍進(jìn)，集合預(yù)報(bào)，瞬變氣候，瞬變擾動(dòng)

1 引言

天氣預(yù)報(bào)作為一種信息與人們的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。天氣預(yù)報(bào)，從定性描述到逐步定量預(yù)測，經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展歷史。中國甲骨文中有關(guān)卜雨問晴的片斷，是有文字以來最早的天氣預(yù)報(bào)記載。發(fā)展的過程也是對(duì)自然認(rèn)識(shí)得到提升和預(yù)測方法建立與不斷完善的過程。在此過程中，思想觀念的更新，觀測、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法的使用發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用。通過回顧過去的發(fā)展和討論正在進(jìn)行的改革，可以幫助我們更清晰地看到未來。

天氣預(yù)報(bào)走向定量化的思想火花是隨著自然科學(xué)大思想家的出現(xiàn)而萌發(fā)的。英國大科學(xué)家的牛頓（1642—1727年）力學(xué)是建立在確定論上的思想體系。拉普拉斯（1749—1827年）是一位法國的機(jī)械決定論者，他把牛頓的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)確定論擴(kuò)展到了無窮質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的確定論。大氣或地球流體正是由無窮的質(zhì)點(diǎn)組成的。拉普拉斯在1814年的《概率論的哲學(xué)試驗(yàn)》著作中寫道：“如果有一種智慧，它能在某一瞬間知道支配著自然的一切力，知道大自然所有組成部分的相對(duì)位置，并能偉大到足以分析所有這些事物；它能用一個(gè)單獨(dú)的公式，從最大的天體到最小的原子，都毫無例外悉數(shù)概括出宇宙萬物的運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)未來就像對(duì)于過去那樣，都能一目了然；那么目前的宇宙整

體，可以看作是它以前的狀態(tài)的結(jié)果，以及以后發(fā)展的原因。”

拉普拉斯希望找到一個(gè)獨(dú)立的公式，把宇宙的萬物運(yùn)動(dòng)描述清楚。他提到，公式中要包含力、位置和原子狀態(tài)等的描述。這樣，宇宙的前因后果都確定了，也就能回溯過去和預(yù)測未來了。這個(gè)方程就是

這一理論體系直接影響到了后來用于天氣預(yù)報(bào)理論與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的納維葉－斯托克斯（Navier-Stokes）方程在1821年的建立。直到現(xiàn)在，盡管存在觀測資料的不確定和模式物理過程描述的不確定，但人們還是在不斷完善公式，發(fā)展探測工具，獲取高時(shí)空分辨率的資料，努力實(shí)現(xiàn)拉普拉斯的理想目標(biāo)。可見，早期自然科學(xué)思想體系的發(fā)展為天氣預(yù)報(bào)走定量化道路奠定了基礎(chǔ)。

17—18世紀(jì)，科學(xué)家相繼發(fā)明了各種定量測量天氣現(xiàn)象的儀器，標(biāo)志著氣象科學(xué)研究的探測手段開始進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。1820年德國的H. W.布蘭德斯利用《巴拉丁氣象學(xué)會(huì)雜志》刊載的氣象觀測資料，將1783年各地同一時(shí)刻的氣壓和風(fēng)的記錄填在地圖上，繪成了世界上第一張?zhí)鞖鈭D。它把人們的視野從一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展到了一個(gè)面。這一開創(chuàng)性工作為后來分析氣壓、風(fēng)與天氣的關(guān)系，以及建立天氣系統(tǒng)的概念模型，邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。傳統(tǒng)天氣圖的誕生，是近代氣象學(xué)理論研究和現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)實(shí)踐的標(biāo)志。1851年，英國的J.格萊舍利用電報(bào)傳送資料，繪制了可供實(shí)際應(yīng)用的瞬時(shí)天氣圖。天氣圖的出現(xiàn)革新了古老亞里士多德氣象學(xué)中天氣預(yù)報(bào)的局地性。

最早的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)是軍事驅(qū)動(dòng)的。1853—1856年，英、法同俄國發(fā)生了瓜分土耳其的克里米亞戰(zhàn)爭。1854年11月14日黑海出現(xiàn)風(fēng)暴，法艦亨利四號(hào)沉沒，英法聯(lián)軍大敗。事后，法國政府命巴黎天文臺(tái)臺(tái)長U.勒威耶收集了該年11月12—16日的氣象資料，查明此風(fēng)暴于11月12—13日還在西班牙和法國西部，14日就東移到了黑海地區(qū)。如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴并預(yù)告風(fēng)暴的移動(dòng)，損失是可能避免的。因此，U.勒威耶提出的組織氣象臺(tái)站網(wǎng)、開展天氣圖分析和天氣預(yù)報(bào)的建議被法國政府采納，1856年組織了氣象觀測網(wǎng)。從此，繪制天氣圖便成為一項(xiàng)日常業(yè)務(wù)，并陸續(xù)推廣到其他國家。

天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)已經(jīng)有了150年的歷史，其發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段。謝義炳[1]先生曾指出：“開創(chuàng)性的研究常是舊道路走不通了，不能解決已發(fā)生事物的矛盾了，才有人謀求開辟一條新路。”他還提出了革新與創(chuàng)造的判別，認(rèn)為工具的革新和創(chuàng)造，一般歸之于發(fā)明，其價(jià)值直接決定于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。謝義炳總結(jié)認(rèn)為，現(xiàn)代氣象科學(xué)有兩大躍進(jìn)。一個(gè)是挪威學(xué)派的環(huán)流理論和氣旋波模型。二是芝加哥學(xué)派的長波理論。謝先生說：“現(xiàn)在是等待第三個(gè)突破（躍進(jìn)）的時(shí)候，正處在醞釀過程中。這里，我們簡要總結(jié)前兩次躍進(jìn)，重點(diǎn)展望第三次躍進(jìn)。”

2 第一次躍進(jìn)——高空天氣圖

思想可以發(fā)端于一個(gè)人，但要把一種科學(xué)的思想付諸行動(dòng)并能達(dá)到目標(biāo)需要有一個(gè)能夠帶領(lǐng)一班人開創(chuàng)進(jìn)取的領(lǐng)頭人。V.皮葉克尼斯（1862—1951年）就是這樣的領(lǐng)頭人。他1862年出生在奧斯陸的一個(gè)流體力學(xué)教授家庭，1880年進(jìn)入奧斯陸大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，1888年獲得碩士學(xué)位。1890—1892年，V.皮葉克尼斯在德國波恩大學(xué)從事電磁共振課題的研究。1892年，他回到奧斯陸獲得了博士學(xué)位。1893年，V.皮葉克尼斯被任命為斯德哥爾摩工程學(xué)校的講師。兩年后，他成為斯德哥爾摩大學(xué)應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)物理學(xué)教授。在此期間，他把湯姆孫和赫姆霍茲的渦旋理論推廣到大氣和海洋運(yùn)動(dòng)中。

經(jīng)過近10年的努力，V.皮葉克尼斯在1905年訪問美國的時(shí)候介紹了他的氣團(tuán)理論，提出了用數(shù)學(xué)方法（流體力學(xué)和熱力學(xué)方程） 描述大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并制作天氣預(yù)報(bào)的設(shè)想與計(jì)劃。他的計(jì)劃深深地打動(dòng)了卡耐基基金會(huì)，從此獲得了36年的研究資助。百年前，V.皮葉克尼斯就提出了天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)物理初值問題的論斷，并給出了描述大氣運(yùn)動(dòng)的方程組，從而開啟了現(xiàn)代氣象學(xué)的大門。

1904年，挪威從瑞典王國獨(dú)立出來。新的國家需要人才，1907年V.皮葉克尼斯接受了挪威奧斯陸大學(xué)應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)物理學(xué)教授的席位，開始了天氣預(yù)報(bào)的實(shí)戰(zhàn)性研究。1910年他建議在天氣圖上繪制流線，并分析輻合、輻散區(qū)。V.皮葉克尼斯先后在挪威和德國幾所大學(xué)和研究所從事教學(xué)和科研工作。無論走到哪里，他都能夠帶出一個(gè)團(tuán)隊(duì)。

1914年8月，第一次世界大戰(zhàn)開始，英國政府停止提供氣象資料，挪威政府只能自主設(shè)立測候所（觀測站），逐漸由8處增加到90處之多，豐富了氣象觀

測資料。1917年，挪威卑爾根大學(xué)邀請(qǐng)V.皮葉克尼斯加盟，天氣預(yù)報(bào)的一系列基礎(chǔ)性工作就是在那里做出的。隨著無線電探空儀的發(fā)明，高空氣象資料逐漸增多，人們的認(rèn)識(shí)也從二維向三維空間拓展。1917—1918年，他們收集地面與高空觀測資料并分析現(xiàn)在仍在使用的傳統(tǒng)天氣圖，發(fā)現(xiàn)了不同氣團(tuán)之間的鋒面類型 （冷鋒、暖鋒、靜止鋒等），并提出了中緯度氣旋發(fā)展的極鋒理論，創(chuàng)立了氣旋的現(xiàn)代模型和極鋒學(xué)說。由此，他們形成了包括天氣學(xué)理論、天氣圖分析和預(yù)報(bào)方法的完整體系。這些中高緯度天氣系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與挪威和歐洲所在的地理位置有直接的關(guān)系。在有了這些定性的天氣系統(tǒng)模型后，他和助手們又一起推導(dǎo)出與大氣中可測變量有關(guān)的方程組，這應(yīng)該是后來數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。根據(jù)理論和觀測，1921年他提出了著名的“大氣環(huán)流”圖案。他們的開創(chuàng)性工作——對(duì)天氣系統(tǒng)的描述，成就了國際知名的挪威氣象學(xué)派。1926年，V.皮葉克尼斯接受了母校奧斯陸大學(xué)的邀請(qǐng)擔(dān)任應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)物理學(xué)教授，直到1932年退休。

挪威氣象學(xué)派培養(yǎng)出了兩位杰出的后生。一個(gè)是V.皮葉克尼斯的兒子，J.皮葉克尼斯。1919年，J.皮葉克尼斯發(fā)現(xiàn)分隔冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)的極鋒斜坡面上低氣壓系統(tǒng)生成、發(fā)展、消亡的過程，發(fā)表了《論移動(dòng)性氣旋結(jié)構(gòu)》 （On the structure of moving cyclones）一文，這是極鋒學(xué)說劃時(shí)代的文獻(xiàn)。1922年，他與Solberg合著《氣旋的生命循環(huán)和鋒面學(xué)說》 （Life cycles of cyclones and polar front theory） 一文，詳細(xì)論述了氣旋風(fēng)暴的發(fā)展過程。至此，極鋒學(xué)說初步形成。20世紀(jì)30年代，J.皮葉克尼斯進(jìn)一步發(fā)展了關(guān)于氣旋和反氣旋活動(dòng)的理論，把上層氣流納入了研究體系，使氣旋波的三維結(jié)構(gòu)更加完整。

另外一個(gè)是美國芝加哥學(xué)派的領(lǐng)袖人物，羅斯貝（C. G. Rossby，1898—1957年），他出生于瑞典。1919年，羅斯貝跟隨挪威氣象學(xué)派的元老V.皮葉克尼斯學(xué)習(xí)氣象學(xué)和海洋學(xué)，參加挪威學(xué)派極鋒和氣旋概念模型的構(gòu)建。羅斯貝首先提出在天氣圖上，用紅色標(biāo)注暖鋒，用藍(lán)色標(biāo)注冷鋒，并沿用至今。1925—1927年，他來到美國氣象局工作。1928年，羅斯貝在麻省理工學(xué)院（MIT）創(chuàng)立美國第一個(gè)氣象系，并一直任教到1939年。1941—1957年，他兼職任教于芝加哥大學(xué)，開創(chuàng)了芝加哥學(xué)派并使其達(dá)到高峰。1947—1957年，他在瑞典創(chuàng)建了斯德哥爾摩氣象研究所。

羅斯貝與芝加哥學(xué)派對(duì)天氣預(yù)報(bào)的重大貢獻(xiàn)就是所謂的“羅斯貝波”，也稱為“大氣長波”。大氣長波在高空天氣圖上就是那些“槽來脊去”的環(huán)流演變。預(yù)報(bào)員依此可以定性預(yù)報(bào)天氣的變化。他的理論指出，中緯度高空的大氣環(huán)流在自西向東的繞極運(yùn)動(dòng)之上，疊加有波長達(dá)數(shù)千千米的波動(dòng)，這是由于科里奧利參數(shù)隨緯度變化造成的。這一長波理論是動(dòng)力氣象學(xué)歷史上的一個(gè)重大創(chuàng)新，并由此引出一系列與天氣預(yù)報(bào)有關(guān)的理論，如葉篤正的長波頻散理論，也為以后避開原始方程而應(yīng)用簡化的渦度方程成功進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

3 第二次躍進(jìn)——數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

20世紀(jì)工業(yè)革命帶來了經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。惡劣天氣造成的經(jīng)濟(jì)損失并不比過去一場戰(zhàn)爭的小。定量的天氣預(yù)報(bào)成為20世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的迫切需要。天氣圖并沒有解決定量的天氣預(yù)報(bào)問題，但它定量地反映了剛剛過去的天氣。根據(jù)天氣系統(tǒng)的過去演變以及理論模型也可以外推和估計(jì)未來可能的天氣形勢和氣象要素的變化。定量的天氣預(yù)報(bào)來自牛頓的確定論思想體系，是拉普拉斯把這一思想復(fù)雜化了，更是納維葉－斯托克斯在1821年建立了可為現(xiàn)代人使用的流體力學(xué)方程。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，人們?cè)缇推炔患按匾A(yù)算出未來的天氣，而不只是停留在對(duì)天氣圖的分析。正是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了人們的愿望，讓未來的天氣實(shí)況走在了時(shí)間的前面。

百年前（1904年）V.皮葉克尼斯列出了控制大氣運(yùn)動(dòng)的原始方程組并將天氣預(yù)報(bào)作為一個(gè)物理初值問題的提出，為天氣預(yù)報(bào)的數(shù)值化指明了方向。第一個(gè)嘗試數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的人是英國氣象學(xué)家理查森。他在1922年用原始方程制作的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)卻因初值的不平衡（當(dāng)時(shí)還沒有認(rèn)識(shí)到）而失敗了，但卻為后來開展計(jì)算機(jī)數(shù)值預(yù)報(bào)積累了經(jīng)驗(yàn)。芝加哥學(xué)派的另一個(gè)重要人物是J. G. Charney （1917—1981年）。羅斯貝多次和Charney討論他的博士論文以及氣象學(xué)的其他關(guān)鍵問題。羅斯貝不止一次地給Charney寫信強(qiáng)調(diào)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的重要性，并把他介紹給普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究院的馮?諾依曼。羅斯貝建議馮?諾依曼向軍方申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，保證了Charney的研究順利進(jìn)行。Charney憑借他的數(shù)學(xué)功底和對(duì)大氣現(xiàn)象的喜愛與觀察，成為了一位杰出的理論氣象學(xué)家。他在斜壓不穩(wěn)定理論、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、地轉(zhuǎn)湍流理論、第二類條件不穩(wěn)定（CISK）機(jī)制、行星波垂直傳播和大氣環(huán)流的多平衡狀態(tài)理論等多方面做出了成就。1950年，Charney等人用簡化了的正壓渦度方程成功地計(jì)算出了歷史上第一張數(shù)值預(yù)報(bào)天氣圖，成為天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的

第二個(gè)里程碑。

第一次數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)在1950年成功后，于1954年12月和1955年5月在瑞典和美國相繼正式開始投入業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。這有兩個(gè)值得深思的問題：（1）為什么瑞典先于美國半年投入業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)？（2）為什么美國到1955年才把數(shù)值預(yù)報(bào)投入業(yè)務(wù)，即為什么讓1950—1955年長達(dá)5年的時(shí)間流逝？根據(jù)歐洲氣象中心A. Persson先生的筆記回憶[2]，瑞典把先在美國試驗(yàn)成功的數(shù)值預(yù)報(bào)率先投入業(yè)務(wù)運(yùn)行同羅斯貝當(dāng)時(shí)回到祖國瑞典有關(guān)，這反映了人才的重要性。關(guān)于第二個(gè)問題，他認(rèn)為主要是受到了當(dāng)時(shí)對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)持懷疑勢力的影響，有些有影響的人認(rèn)為計(jì)算機(jī)應(yīng)該用于統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)而不是動(dòng)力預(yù)報(bào)。為此，洛倫茲還曾被要求去研究是否可用統(tǒng)計(jì)方法去重復(fù)和模擬非線性動(dòng)力發(fā)展的課題，他的研究報(bào)告對(duì)這一研究的前景表示了謹(jǐn)慎的樂觀，如洛倫茲為1960年在東京舉行的數(shù)值預(yù)報(bào)會(huì)議提交的論文題目就是《動(dòng)力方程解的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)》，其實(shí)他就是在研究這一問題時(shí)偶然地發(fā)現(xiàn)了劃時(shí)代性的混沌現(xiàn)象。后來由于知道瑞典人正向著業(yè)務(wù)化前進(jìn)，美國才匆忙建立了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)委員會(huì)。所以，Persson認(rèn)為要是沒有美國氣象局的Phillips和Cressman設(shè)法發(fā)展了一個(gè)可操作的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的話，整個(gè)天氣預(yù)報(bào)也許真會(huì)沿著另一條道路發(fā)展下去（即統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)而不是動(dòng)力預(yù)報(bào)），這樣今天我們也不可能有如此準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)了，可見有遠(yuǎn)見的領(lǐng)隊(duì)人對(duì)科學(xué)道路的正確發(fā)展至關(guān)重要，反過來，后果卻是相當(dāng)可怕的。

下面簡要地回顧一下業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展歷程。最初的業(yè)務(wù)模式是北半球的正壓模式，到了1960年代開始逐漸應(yīng)用原始方程，終于實(shí)現(xiàn)了近40年前理查森的夢想。1970年代中期至1980年代初期半球模式發(fā)展成為全球模式，并開始考慮海氣耦合和地表過程等，至1980年代中期出現(xiàn)了適合研究氣候的氣候模式。為了更好地預(yù)報(bào)較小尺度的局地和短期天氣，1970年代初美國率先研發(fā)了區(qū)域模式并投入業(yè)務(wù)施用；特別是1980和1990年代，各類區(qū)域模式開始涌現(xiàn)，并且為了預(yù)報(bào)對(duì)流天氣，人們研發(fā)了非靜力平衡模式。為了彌補(bǔ)模式對(duì)近地面氣象要素預(yù)報(bào)能力的不足，在1970年代中期美國氣象局提出模式和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的MOS（Model Output Statistics）法，大大地提高了模式預(yù)報(bào)的實(shí)用價(jià)值。為了應(yīng)對(duì)洛倫茲發(fā)現(xiàn)的混沌現(xiàn)象，1992年基于全球模式的中期集合預(yù)報(bào)模式相繼在NCEP和ECMWF投入業(yè)務(wù)運(yùn)行；2001年首個(gè)基于區(qū)域模式的短期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)SREF在NCEP投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。近年來，區(qū)域模式已出現(xiàn)直接用顯式云模式來取代對(duì)流參數(shù)化方案的1～3km風(fēng)暴尺度模式；在全球模式中除了海洋、陸面、冰雪圈外，還包括了大氣化學(xué)過程、氣溶膠物理、水文過程和生態(tài)過程等。因此，數(shù)值預(yù)報(bào)模式已不再局限于地球大氣而是整個(gè)地球環(huán)境系統(tǒng)，因此，已有人提議應(yīng)把“數(shù)值預(yù)報(bào)模式”改稱為“地球模擬器”或“地球模擬系統(tǒng)”（Earth Simulator）。除了向大而全發(fā)展之外，另一方面是向小而精的方向發(fā)展，如臺(tái)風(fēng)模式、擴(kuò)散和空氣質(zhì)量模式、海浪模式、陸面和水文模式、空間天氣等專門化模式。當(dāng)然，隨著計(jì)算能力的不斷提高，全球模式的時(shí)空分辨率在不久的將來完全可以達(dá)到“區(qū)域”和“局地”尺度。在這種情況下，擺在我們面前的一個(gè)問題是：區(qū)域模式和這些專門化模式在將來還需要嗎？

在數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展的過程中，作為其第一步的初值條件預(yù)備（現(xiàn)稱為“資料同化”）也同步經(jīng)歷了許多重大的變遷。在理查森和Charney的試驗(yàn)中是人工把觀測資料內(nèi)插到網(wǎng)格點(diǎn)上，可稱為“主觀分析”，但這工作量巨大，不適合真正的業(yè)務(wù)工作。后來發(fā)展出了可以自動(dòng)作業(yè)的“客觀分析”方法，如逐次訂正法來內(nèi)插觀測資料并用在最早期的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)中。后來認(rèn)識(shí)到觀測資料本身不足以滿足模式的巨大自由度、特別是在那些觀測點(diǎn)稀少的區(qū)域，所以需要從一個(gè)背景場或第一猜測場開始再根據(jù)觀測資料做調(diào)整（即在背景值和觀測值之間作權(quán)重）來產(chǎn)生分析場。這樣，在1960年代開始發(fā)展出了最優(yōu)插值法（OI），先用氣候場做背景，以后改用模式的6h預(yù)報(bào)場做背景（目前仍在用）。在1990年代，OI法逐漸被三維變分法（3DVar）和四維變分法（4DVar）取代。4DVar不但考慮了變量間三維空間上的關(guān)聯(lián)，還考慮了在一段時(shí)間內(nèi)的前后關(guān)聯(lián)。近年來，集合卡爾曼濾波技術(shù)用于集合預(yù)報(bào)，來估計(jì)同天氣系統(tǒng)相聯(lián)的背景誤差再同變分法相結(jié)合的集合-變分混合資料同化系統(tǒng)已在業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)上實(shí)施，并取得了顯著的效果。目前，基于集合預(yù)報(bào)的資料同化技術(shù)正方興未艾，是研究的一大熱門。

近年來，由于遙感技術(shù)的發(fā)展使氣象衛(wèi)星資料和其他許多非常規(guī)觀測資料的大量應(yīng)用、資料同化技術(shù)的顯著改進(jìn)、模式對(duì)整個(gè)地球物理過程（大氣、云、降水、輻射、海洋、陸面包括植物圈和冰雪圈等）的深入描述以及高速計(jì)算機(jī)能力的迅猛提高，數(shù)值預(yù)報(bào)水平突飛猛進(jìn)。圖1和圖2是歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心的全球模式對(duì)中高緯地區(qū)北半球的500hPa高度

場和全球的24h累積降水預(yù)報(bào)水平的歷史演變?？梢钥吹侥壳?.5d之內(nèi)的500hPa形勢預(yù)報(bào)同實(shí)況非常接近（它們的距平相關(guān)達(dá)80%以上，圖1a），目前4d之內(nèi)的降水預(yù)報(bào)也達(dá)到相當(dāng)?shù)乃剑ㄍ瑢?shí)況空間相關(guān)達(dá)0.45，圖1b），并且可看到模式預(yù)報(bào)水平大概每10a延長預(yù)報(bào)時(shí)效1d左右（美國NCEP的情形也類似）[2-3]。圖3是美國颶風(fēng)預(yù)報(bào)中心對(duì)大西洋熱帶風(fēng)暴路徑（圖3a）和強(qiáng)度（圖3b）預(yù)報(bào)誤差的逐年變化（注：因數(shù)值預(yù)報(bào)是他們的主要預(yù)報(bào)依據(jù)，所以這里反映的其實(shí)就是數(shù)值預(yù)報(bào)的水平）?？梢钥匆娫谶^去的40多年間，路徑預(yù)報(bào)誤差持續(xù)減小，目前1d預(yù)報(bào)的誤差已減至50海里①1海里約為 1.852km，下同。左右，2d預(yù)報(bào)誤差也降到100海里以下，5d預(yù)報(bào)已達(dá)到30年前2d預(yù)報(bào)的水平（誤差在220海里左右）；然而，不足的是其強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差在過去的十多年幾乎沒有減小（這主要同模式的分辨率不夠和物理描述的缺陷有關(guān)）。為了專門改進(jìn)熱帶風(fēng)暴的強(qiáng)度預(yù)報(bào)，美國氣象局已開始了一個(gè)為期10年的“颶風(fēng)預(yù)報(bào)改進(jìn)”計(jì)劃，在模式、資料同化和集合預(yù)報(bào)各個(gè)方面齊頭并進(jìn)，所以在未來的幾年，熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度預(yù)報(bào)也許會(huì)有較大的進(jìn)步?，F(xiàn)在的模式不僅可以預(yù)報(bào)大尺度天氣形勢，而且可以直接預(yù)報(bào)各類氣象要素和小尺度系統(tǒng)，如溫度、濕度、風(fēng)、雨雪、冰雹、霧、能見度、雷電、云底高度、對(duì)流云項(xiàng)、晴空湍流、颮線、超級(jí)單體，甚至龍卷風(fēng)個(gè)體等，使天氣預(yù)報(bào)的水平大大提高。自從模式能夠成功預(yù)報(bào)高低壓系統(tǒng)，天氣預(yù)報(bào)的有效性也大致延伸到了1周左右?，F(xiàn)在可以看到，1～2周的預(yù)報(bào)有了參考價(jià)值，并且南半球的預(yù)報(bào)技巧也提高到北半球的水準(zhǔn)（圖2）。現(xiàn)在大氣科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)阻礙數(shù)值模式不能有更長時(shí)效的原因是在描述對(duì)流和云這些次網(wǎng)格物理過程中小誤差在模式積分過程中隨時(shí)間的積累而使較長時(shí)效的預(yù)報(bào)失敗[4]。因此，有人認(rèn)為，隨著模式空間分辨率和初值質(zhì)量的提高，如能精確地描述云的過程，那么天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效就有可能達(dá)1個(gè)月左右。但目前，2周的可預(yù)報(bào)上限可否突破還要拭目以待?，F(xiàn)在人們已經(jīng)提出了所謂的無逢隙預(yù)報(bào)的概念，就是要用數(shù)值模式來做出幾分鐘、幾小時(shí)、幾天一直到延伸期和季節(jié)預(yù)報(bào)。現(xiàn)在幾乎所有國家的氣象部門都設(shè)有專門的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心，數(shù)值預(yù)報(bào)已成為無可替代的天氣預(yù)報(bào)主要工具。同時(shí)，隨著這第二次躍進(jìn)的成功，數(shù)值預(yù)報(bào)也把確定論的思想牢固地帶進(jìn)了天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，使人們認(rèn)為天氣是完全可以被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的。所以，現(xiàn)在天氣預(yù)報(bào)在大多數(shù)情形下是以確定論的單一值形式發(fā)布的。

圖1 歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心全球模式有技巧預(yù)報(bào)的時(shí)效（天）逐年變化情況：（a）北半球中高緯地區(qū)500hPa高度場預(yù)報(bào)同實(shí)況的距平相關(guān)超過80%；（b）全球中高緯地區(qū)24h累積降水預(yù)報(bào)同實(shí)況空間相關(guān)超過0.45（資料來源：www.ecmwf.int）

4 第三次躍進(jìn)——可預(yù)報(bào)性

圖2 歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心全球模式的北半球（粗線）和南半球（細(xì)線）500hPa高度場預(yù)報(bào)技巧（距平相關(guān)%）逐年變化情況（藍(lán)色為3d預(yù)報(bào)、紅色為5d預(yù)報(bào)、綠色為7d預(yù)報(bào)、黃色為10d預(yù)報(bào)）（資料來源：www.ecmwf.int）

正當(dāng)人們利用高速計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)夢想的時(shí)候，另一場革命的序幕已在悄悄地拉開。Lorenz[5]用非常簡單

的計(jì)算機(jī)運(yùn)算了一個(gè)非常簡單的云對(duì)流數(shù)值積分（預(yù)報(bào)）模型，發(fā)現(xiàn)大氣運(yùn)動(dòng)中的混沌現(xiàn)象直接限制了天氣的可預(yù)報(bào)性，為確定論者們實(shí)現(xiàn)其夢想潑了一盆冷水。當(dāng)然，在那如火如荼的迷蹤數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的年代，他的不確定論也難以馬上得到人們的認(rèn)同。

大氣系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，由此Lorenz[6]開創(chuàng)了“混沌動(dòng)力學(xué)”[7-8]。模式大氣是一個(gè)非線性系統(tǒng)，對(duì)各種誤差極其敏感。這些誤差可來自初始時(shí)刻的氣象觀測、模式的初始化同化技術(shù)和計(jì)算精度等。這些誤差會(huì)在積分的過程中不斷放大，最終導(dǎo)致預(yù)報(bào)失敗。Lorenz[5,9-10]指出的不確定性包括：模式缺乏對(duì)大氣三維初始狀態(tài)的準(zhǔn)確與完整的描述；模式缺乏對(duì)物理過程完整和精確的描述以及微分方程數(shù)值解的誤差（如離散化）等；大氣自身也具有混沌的特性?？傊?，預(yù)報(bào)模式或預(yù)報(bào)系統(tǒng)初始時(shí)的微小誤差會(huì)在數(shù)值積分的過程中擴(kuò)大，形成對(duì)可預(yù)報(bào)性的限制。除大氣內(nèi)部固有的不確定性根源之外，外強(qiáng)迫（如地表特征與大氣界面的通量）的不確定性，也對(duì)限制天氣預(yù)報(bào)的能力有推波助瀾的作用[11]。

當(dāng)大氣內(nèi)部演變處于不穩(wěn)定階段時(shí)，這種不精確的初始場往往會(huì)因?yàn)榇髿膺@一多體系統(tǒng)本身的混沌特性或?qū)Τ踔档拿舾幸蕾囆远霈F(xiàn)“失之毫厘，差之千里”的戲劇性預(yù)報(bào)誤差。譬如，圖4所示的是英國氣象局聯(lián)合模式所做的兩個(gè)海平面氣壓預(yù)報(bào)[12]。初值的微小差異（圖4a，4b）導(dǎo)致了4天后的預(yù)報(bào)完全不一樣 （圖4c，4d）。在英國西部海上，一個(gè)預(yù)報(bào)結(jié)果是強(qiáng)氣旋，而另一個(gè)是高壓脊。非線性系統(tǒng)會(huì)使誤差隨積分延長而放大，此外大氣運(yùn)動(dòng)的固有隨機(jī)性也是限制預(yù)報(bào)時(shí)效的原因[13]。凡此種種，不確定性被認(rèn)為是天氣預(yù)報(bào)的固有特性。解決不了的大氣運(yùn)動(dòng)“混沌”問題，歸根結(jié)底是一個(gè)非線性的數(shù)學(xué)難題同一個(gè)可能永遠(yuǎn)也無法被精確認(rèn)知的地球大氣（包括其狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律）的結(jié)合。但世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)能力不斷提高都在等待著人們?nèi)スタ讼嚓P(guān)的難題，更完全地描述天氣預(yù)報(bào)。因此，為解決這一難題，科學(xué)界正在經(jīng)歷著第三次具有挑戰(zhàn)性的躍進(jìn)[12,14]。不同于前兩次躍進(jìn)（都建立在新的預(yù)報(bào)工具即天氣圖和數(shù)值模式的出現(xiàn)），第三次躍進(jìn)其實(shí)是第二次躍進(jìn)“數(shù)值預(yù)報(bào)”的拓展，并沒有新預(yù)報(bào)工具的出現(xiàn)，而是對(duì)天氣預(yù)報(bào)本質(zhì)更進(jìn)一步的科學(xué)認(rèn)識(shí)，所以是一種“觀念”上的躍進(jìn)。當(dāng)然，觀念的改變也必定會(huì)深刻地帶來技術(shù)上的改變，如大氣“實(shí)況”（分析資料）不再是一個(gè)而是一群，模式物理不再是確定的經(jīng)典“牛頓力學(xué)”而具有隨機(jī)性，預(yù)報(bào)值也不再是唯一的而是一種概率分布等，所以它可能更適合被稱為“革命”。躍進(jìn)具有提高、進(jìn)步的意思，因?yàn)榍皟纱味际鞘固鞖忸A(yù)報(bào)更準(zhǔn)確，所以是“躍進(jìn)”。而第三次卻相反，從精確單一觀念的確定論轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)多值的概率論，看上去是科學(xué)上的一種倒退，所以是一種觀念上去舊迎新的完全轉(zhuǎn)變，更像“革命”。下面討論針對(duì)這第三次挑戰(zhàn)的兩種不同途徑或做法。

圖3 美國國家颶風(fēng)預(yù)報(bào)中心對(duì)大西洋熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)每年平均的路經(jīng)預(yù)報(bào)誤差（a，單位：海里）和強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差（b，單位：節(jié)，2節(jié)= 1m/s）（資料來源：www.nhc.noaa.gov）

4.1 途徑一：直面預(yù)報(bào)中的不確定性

蘇格拉底曾說“智者就是知道他不知道什么”。自從洛侖茲發(fā)現(xiàn)大氣運(yùn)動(dòng)的混沌特性后，一種主流的做法是在預(yù)報(bào)方程或模式中把初始已知的不確定因素包括進(jìn)去，定量地描述可預(yù)報(bào)性和不確定性，即給出了誤差范圍。為此，Epstein[15]和Leith[16]分別提出了動(dòng)力隨機(jī)預(yù)報(bào)理論框架和實(shí)用的集合預(yù)報(bào)法?，F(xiàn)在，集

合預(yù)報(bào)已在世界上的主要數(shù)值預(yù)報(bào)中心成為日常業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一部分[17]，但它背后所帶來的深刻理念還沒有被大部分人所領(lǐng)悟和實(shí)踐出來。

集合預(yù)報(bào)（如集合平均和概率）除了可延長確定預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性以外[18]，它更主要的功能是針對(duì)某一特定的預(yù)報(bào)系統(tǒng)來預(yù)測該系統(tǒng)對(duì)任一氣象要素隨時(shí)間和空間以及天氣系統(tǒng)而變化的可能預(yù)報(bào)誤差的分布[19]。具體來說，集合預(yù)報(bào)使命的最低目標(biāo)是不漏報(bào)實(shí)況，即提供所有可能的解；在此基礎(chǔ)上，定量可靠地（在概率意義上）估計(jì)每種可能性的可信度，即“可預(yù)報(bào)性”的預(yù)報(bào)，這是集合預(yù)報(bào)的核心，也是最具挑戰(zhàn)性的部分；最后，集合預(yù)報(bào)信息也可用來盡量減少一個(gè)預(yù)報(bào)的不確定性。這可用圖5來說明：鑒于大氣有限的可預(yù)報(bào)性，模式的確定預(yù)報(bào)（即使是集合平均預(yù)報(bào)）Xm總是同實(shí)況X有差異（Xo），因?yàn)槲覀儫o法預(yù)先準(zhǔn)確知道Xo，集合預(yù)報(bào)則試圖給出一個(gè)包含有實(shí)況的預(yù)報(bào)范圍；并且此范圍能可靠地反映大氣的真實(shí)可預(yù)報(bào)性（如其分布的形狀在各方向是不一樣的）；最后，盡量縮小分布的范圍，因?yàn)?X>的范圍愈小，預(yù)報(bào)就愈確定、信息量也就愈大。所以，集合預(yù)報(bào)報(bào)的是分布，而不是更準(zhǔn)確的Xm。關(guān)于集合預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展，已有相關(guān)的綜述文獻(xiàn)[20]。下面舉一雷雨預(yù)報(bào)的例子。如確定論的預(yù)報(bào)說，傍晚前后西城區(qū)有雷雨，結(jié)果午后在東城區(qū)出現(xiàn)了雷雨，在時(shí)間和地點(diǎn)上都錯(cuò)了。由于是確定預(yù)報(bào)，人們無法選擇而只能聽單一值的預(yù)報(bào)內(nèi)容，所以沒有準(zhǔn)備而只能承受較大的損失。而基于集合預(yù)報(bào)的方法，則首先可以根據(jù)集合離散度預(yù)先估計(jì)預(yù)報(bào)對(duì)象的難報(bào)點(diǎn)在什么地方，然后再用集合成員來計(jì)算概率把不確定性定量地表達(dá)出來：如難報(bào)點(diǎn)在時(shí)間上，則預(yù)報(bào)說“西城區(qū)雷雨出現(xiàn)在午后的可能性是20%，傍晚前后是50%，上半夜是30%，東城區(qū)沒有雷雨”；如難報(bào)點(diǎn)在位置上，則說“傍晚前后雷雨出現(xiàn)在西城區(qū)的可能性是65%，出現(xiàn)在東城區(qū)的可能性是35%”；

如果難報(bào)點(diǎn)在對(duì)流云的強(qiáng)度上，則可能說“傍晚前后在西城區(qū)出現(xiàn)一般陣雨的可能性是15%，出現(xiàn)強(qiáng)雷雨的可能性是10%，而75%沒有雷陣雨”，如此等等。所以，雖然預(yù)報(bào)有很大的不確定性，但所有的可能性包括它們的可信度都放在公眾和用戶的前面，供他們選擇施用?？梢?，誤差或不確定性不等于就是無用的預(yù)報(bào)信息。

圖4 英國氣象局聯(lián)合模式所做的兩個(gè)海平面氣壓場的4天預(yù)報(bào)（a，b分別為兩個(gè)稍有差異的起報(bào)初值；c，d分別為對(duì)應(yīng)初值的4天后海平面氣壓預(yù)報(bào)場）

圖5 集合預(yù)報(bào)概念示意圖（集合預(yù)報(bào)提供的預(yù)報(bào)范圍Xm+＜X＞,這里X為實(shí)況；Xm可視為集合平均預(yù)報(bào)；＜X＞為預(yù)報(bào)不確定范圍；X0是一個(gè)確定性預(yù)報(bào)的誤差）

因此，集合預(yù)報(bào)所帶來的不僅僅是一種新的技術(shù)，而更重要的是為整個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)開創(chuàng)了一個(gè)新的理念[19]。表現(xiàn)在兩方面，首先是從單一值的確定論向多值的概率分布轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變不僅僅只在預(yù)報(bào)層面上，也包括整個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)（圖6）。初始觀測資料除了平均值之外，還應(yīng)有相應(yīng)的誤差范圍估計(jì)；資料同化步驟中輸出的分析資料也不再是一個(gè)而是一群（集合）分析資料，以反映初值的不確定性；預(yù)報(bào)不再是單一確定預(yù)報(bào)而是由多初值、具有隨機(jī)物理和隨機(jī)動(dòng)力過程的模式所產(chǎn)生的集合預(yù)報(bào)和多值的概率預(yù)報(bào)，以此反映預(yù)報(bào)的不確定性；用戶決策所用的氣象資訊不再由預(yù)報(bào)員替他們來選擇，而是各用戶根據(jù)自身對(duì)氣象條件的依賴程度對(duì)各不同預(yù)報(bào)解和它們的可信度計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)和利益的大小來抉擇，這表示同樣的預(yù)報(bào)信息對(duì)不同的用戶可能意味著完全相反的意義[21]?？傊?，每一步都不再是單一值的決定論，而是包含了對(duì)不確定性的定量估計(jì)（概率密度函數(shù)）（圖6a）。其次是從單向過程變?yōu)殡p向過程。目前傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)流程是單向進(jìn)行的（圖6b），即觀測→資料同化→模式預(yù)報(bào)→用戶應(yīng)用，而沒有反向反饋。但以集合預(yù)報(bào)為中心技術(shù)的新數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，后面的步驟可以修正前面的步驟（圖6a），譬如用戶的應(yīng)用可以改變觀測的步驟。用戶或預(yù)報(bào)員從集合預(yù)報(bào)的離散度可以判斷所關(guān)心的重大天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)的不確定性是否過大。如過大，那么為了減少預(yù)報(bào)的不確定性以滿足服務(wù)的需要，氣象專家可以應(yīng)用相關(guān)技術(shù)在上游地區(qū)追蹤該預(yù)報(bào)不確定性的可能來源[22-23]，然后在該源頭區(qū)進(jìn)行一些特殊的加密觀測以期提高作為模式初值用的分析資料的質(zhì)量。這樣希望下一時(shí)刻做出的數(shù)值集合預(yù)報(bào)的不確定性會(huì)大大減小，并提高預(yù)報(bào)的精度。這就是所謂的目標(biāo)觀測或適應(yīng)觀測的概念[24-25]。類似地，在天氣穩(wěn)定較易預(yù)報(bào)的情況下，則可以減少應(yīng)用上游的觀測資料（如衛(wèi)星、雷達(dá)等大量的遙感資料）以節(jié)省資源。集合預(yù)報(bào)和資料同化過程也互相依賴和影響而成為一體化：集合預(yù)報(bào)所估計(jì)的不確定性為資料同化提供背景誤差信息，而反過來“集合”資料同化則為集合預(yù)報(bào)各成員提供眾多不同的初值場，如目前較新的集合卡爾曼濾波技術(shù)[26]。在這種新的理念下，預(yù)報(bào)員的作用也將發(fā)生根本變化[19]。這種含有不確定性信息的完備預(yù)報(bào)會(huì)使更多的用戶受益并有利于幫助用戶做出更加合理的決策，比單一值確定預(yù)報(bào)具有更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[21]。

4.2 途徑二：繞過和分解大氣方程的復(fù)雜性

公元前104年，落下閎與鄧平等總結(jié)了前幾個(gè)朝代對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻拿枋?，制定了《太初歷》，正式把24節(jié)氣訂于歷法，明確了24節(jié)氣的天文位置。24節(jié)氣反映了太陽的周年視運(yùn)動(dòng)，所以節(jié)氣在現(xiàn)行的公歷中日期基本固定，上半年在每月的6日和21日，下半年在每月的8日和23日，前后差不了1～2天?！短鯕v》是一部比較完整的歷法，它的24節(jié)氣取名與正常的年循環(huán)氣溫和降水變化相聯(lián)系。這樣，它就具有了指導(dǎo)生產(chǎn)和生活的實(shí)用性，哪個(gè)節(jié)氣不出現(xiàn)被命名的氣溫和降水，說明天氣（或氣候）發(fā)生了冷暖異?；蚝禎钞惓?。

圖6 數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的理念（a為基于考慮了不確定性的概率論思想的流程圖，它是多值的和雙向互動(dòng)的；b為傳統(tǒng)的基于單一值決定論思想的流程圖，它是單值的和單向的）

現(xiàn)在，人們都用月平均和季平均表示年循環(huán)的氣候，而相對(duì)偏差稱為異常。這樣的12等分的月分辨率的氣候年循環(huán)和四季分辨率的氣候年循環(huán)比起

中國古代人的24節(jié)氣年循環(huán)的分辨率低多了。這三種年循環(huán)表示了三種分辨率的“氣候鐘”。每個(gè)氣候鐘都描述了太陽的周年視運(yùn)動(dòng)和正常的氣候年循環(huán)，即氣候變化。

單位時(shí)間內(nèi)最大的氣候（或大氣要素）變化是日循環(huán)，其次是年循環(huán)。實(shí)際資料分析得出，相鄰日的氣候是不同的，相鄰兩個(gè)小時(shí)的氣候也是不同的。我們有必要鑄造有兩個(gè)指針的氣候鐘：一個(gè)走得快的指針具有24h的日循環(huán)，另一個(gè)走得慢的指針有365d的年循環(huán)。對(duì)辨別熱浪和低溫事件，以365d循環(huán)的氣候?yàn)楸尘熬涂梢粤薣27-28]。但對(duì)熱帶風(fēng)暴路徑和暴雨落區(qū)這樣的極端天氣系統(tǒng)，我們需要構(gòu)造365d×24h等分的年循環(huán)氣候作為背景場[29-32]。

其中，

下標(biāo)分別為第y年在365天年循環(huán)中第d天及在24小時(shí)日循環(huán)中第t時(shí)刻的觀測。N為總共的年數(shù)。

分解出的擾動(dòng)部分包含氣候和擾動(dòng)的非線性項(xiàng)與線性項(xiàng)

再回到式（1），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：未來的大氣變量（或天氣）預(yù)報(bào)由下式給出

利用歷史日任一時(shí)刻的原始觀測和模式輸出與式（2）和式（3）的分解運(yùn)算，就可以得到對(duì)流層至平流層的位勢高度、溫度和風(fēng)等大氣變量的擾動(dòng)場。用原始大氣變量繪制的天氣圖稱為傳統(tǒng)天氣圖，而分解后的擾動(dòng)變量繪制的天氣圖稱為擾動(dòng)天氣圖。兩種

天氣圖上的大氣變量對(duì)高影響天氣的指示意義概括在表1中。預(yù)報(bào)員診斷暴雨落區(qū)多用低層大氣風(fēng)場的形勢。傳統(tǒng)天氣圖上，暴雨帶位于低空急流的左側(cè)和低層氣流輻合線的右側(cè)。但在擾動(dòng)天氣圖上，暴雨帶位于低層擾動(dòng)氣流對(duì)峙的輻合線上。暴雨帶兩側(cè)，擾動(dòng)風(fēng)向相反，擾動(dòng)風(fēng)速相當(dāng)。區(qū)域性熱浪和低溫（雨雪冰凍）是另外兩類高影響天氣事件。傳統(tǒng)天氣圖上，位勢高度和溫度在水平方向上的分布相對(duì)平緩，對(duì)熱浪和低溫中心缺少指示能力。但在擾動(dòng)天氣圖上，正的高度擾動(dòng)在對(duì)流層上層（200～300hPa）對(duì)應(yīng)地面上的熱浪，而負(fù)的高度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)地面上的低溫。在擾動(dòng)天氣圖上，熱浪區(qū)上空400和850hPa上有對(duì)應(yīng)的溫度擾動(dòng)正中心，而低溫區(qū)上空對(duì)應(yīng)為溫度擾動(dòng)負(fù)中心。200～300hPa高度擾動(dòng)中心的上方100hPa溫度擾動(dòng)與下方的400和850hPa溫度擾動(dòng)正、負(fù)分布相反，反映了整層大氣中擾動(dòng)高度場與擾動(dòng)溫度場之間的靜力平衡關(guān)系。地面熱浪和低溫是上層大氣高度擾動(dòng)和溫度擾動(dòng)延伸到地面的表現(xiàn)。

表1 傳統(tǒng)天氣圖與擾動(dòng)天氣圖上變量對(duì)高影響天氣的指示意義

為讓讀者有更好的感性認(rèn)識(shí)，下面給出對(duì)2010年鲇魚臺(tái)風(fēng)分解預(yù)報(bào)的例子。這個(gè)臺(tái)風(fēng)在2010年10月 11日在西北太平洋關(guān)島的東南方上生成，先向西南移動(dòng)，再轉(zhuǎn)向西北。10月17日12時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，在菲律賓東部的海上發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)向西偏南移動(dòng)。10月18日登陸菲律賓北部繼續(xù)西行，但在19日進(jìn)入南海后突然向北轉(zhuǎn)向，23日06時(shí)在福建登陸。屬于難以預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)異常路徑[34]。圖7是2010年10月20日12時(shí) （世界時(shí)）過臺(tái)風(fēng)中心沿117°E繪制的傳統(tǒng)天氣圖和擾動(dòng)天氣圖的垂直剖面。傳統(tǒng)天氣圖的垂直剖面上，臺(tái)風(fēng)位置處的高度場和溫度場與其周邊差異不大。但在擾動(dòng)天氣圖上，臺(tái)風(fēng)上空的高度負(fù)異常和暖中心凸顯出來了，并且在300hPa層附近存在較多的大氣擾動(dòng)中心。這些擾動(dòng)中心與臺(tái)風(fēng)會(huì)發(fā)生非線性相互作用。

臺(tái)風(fēng)鲇魚轉(zhuǎn)向前19日00時(shí)的300hPa傳統(tǒng)天氣圖上的觀測風(fēng)場和氣候風(fēng)場如圖8所示。臺(tái)風(fēng)位于高壓脊南側(cè)的偏東氣流中。用傳統(tǒng)天氣圖上的信息很難判斷臺(tái)風(fēng)會(huì)突然向北轉(zhuǎn)向。用引導(dǎo)氣流法，臺(tái)風(fēng)應(yīng)該繼續(xù)西行，向海南島靠近。

分離掉氣候場后，各個(gè)時(shí)刻的擾動(dòng)高度和擾動(dòng)流線在圖9給出。擾動(dòng)天氣圖上出現(xiàn)了較多的高、低壓環(huán)流中心。其中，擾動(dòng)渦旋II與臺(tái)風(fēng)發(fā)生了逆時(shí)針式

的旋轉(zhuǎn)與合并的相互作用。擾動(dòng)渦旋II向南移動(dòng)，同時(shí)臺(tái)風(fēng)突然轉(zhuǎn)向朝北移動(dòng)。最后，它們?cè)?2日合并。

圖7 2010年10月20日12時(shí)（世界時(shí)）過臺(tái)風(fēng)中心沿117°E的傳統(tǒng)天氣圖垂直剖面上的位勢高度（a，單位：10gpm）和溫度（b，單位：K），以及擾動(dòng)天氣圖垂直剖面上的位勢高度（c，單位：10gpm）和溫度 （d，單位：K）（▲指示臺(tái)風(fēng)鲇魚的位置）

各種常規(guī)模式和方法都沒有能夠預(yù)報(bào)出這樣的突然轉(zhuǎn)向（圖10a）。用氣候引導(dǎo)氣流模式預(yù)報(bào)出的臺(tái)風(fēng)仍然向西偏南移動(dòng)，而用擾動(dòng)氣流模式預(yù)報(bào)出的路徑在原地打轉(zhuǎn)，只有用分解氣流模式才預(yù)報(bào)出了它的轉(zhuǎn)向路徑（圖10b）。具體來說，用式（8）做臺(tái)風(fēng)鲇魚的路徑預(yù)報(bào)，相當(dāng)于用引導(dǎo)氣流法，臺(tái)風(fēng)是繼續(xù)向西移動(dòng)的；用式（9）做臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)，相當(dāng)于考慮這些擾動(dòng)渦旋的相互作用，臺(tái)風(fēng)是打轉(zhuǎn)的；只有同時(shí)考慮了式（8）和式（9）后，預(yù)報(bào)路徑才與實(shí)際路徑一致。

我們平時(shí)看到數(shù)值模式對(duì)環(huán)流形勢預(yù)報(bào)在總體統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率（accuracy）上表現(xiàn)還不錯(cuò)，原因是它對(duì)每年的大多數(shù)天數(shù)都是對(duì)的。實(shí)際上，那是報(bào)對(duì)了氣候，而對(duì)那些與極端天氣事件聯(lián)系的環(huán)流形勢并不總是報(bào)對(duì)。如果能按照本節(jié)的提法，把氣候部分過濾掉，而讓我們的計(jì)算機(jī)模型專門預(yù)報(bào)那些與極端（或異常）事件相聯(lián)系的擾動(dòng)變量部分（當(dāng)然基于原始方程的數(shù)值預(yù)報(bào)模式不大可能對(duì)瞬變擾動(dòng)量單獨(dú)進(jìn)行積分，因?yàn)閮H僅擾動(dòng)部分在許多物理量上可能是不守恒的，所以得有特殊處理方法，見下節(jié)討論中提到的兩個(gè)例子）。這樣也許會(huì)進(jìn)一步增加天氣預(yù)報(bào)的真正技巧（skill）。至于時(shí)間較長的預(yù)報(bào)則可以同變化較慢的低頻擾動(dòng)部分相聯(lián)，如孫國武等[35]報(bào)告的低頻天氣圖方法。通過這樣對(duì)大氣高、低頻擾動(dòng)分解處理就可達(dá)到簡化天氣預(yù)報(bào)的目的。

圖8 2010年10月19日00時(shí)300hPa傳統(tǒng)天氣圖上觀測風(fēng)場（a，單位：m·s-1）和氣候風(fēng)場（b，單位：m·s-1）（符號(hào)為臺(tái)風(fēng)當(dāng)前位置，粗虛線為臺(tái)風(fēng)路徑，點(diǎn)線為副高脊線）

5 結(jié)束語

在過去的百年中，天氣預(yù)報(bào)走過了從天氣圖到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的兩次躍進(jìn)。高空天氣圖，以及鋒面氣旋的三維結(jié)構(gòu)和演變，帶來了人們看待天氣從一個(gè)點(diǎn)到全球觀的空間躍進(jìn)。以V.皮葉克尼斯為首的挪威氣旋學(xué)派為天氣學(xué)的第一次躍進(jìn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。在時(shí)機(jī)成熟的情況下，芝加哥氣旋學(xué)派的Charney實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)躍進(jìn)的實(shí)施。他真正讓天氣走在了時(shí)間的前面，所以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一次時(shí)間躍進(jìn)。但是，天氣預(yù)報(bào)并沒有達(dá)到人們預(yù)期的效果。其原因是洛倫茲的發(fā)現(xiàn)：大氣混沌現(xiàn)象導(dǎo)致的天氣預(yù)報(bào)的不確定性。這就給人們提出了天氣預(yù)報(bào)需要進(jìn)行第三次躍進(jìn)的命題，這是一次在預(yù)報(bào)觀念和內(nèi)容上的革命（觀念革命）。解決第三次躍進(jìn)命題的做法可能有多種，本文討論了其中的兩種做法。

其一，直接面對(duì)問題，即用集合預(yù)報(bào)的方法把初值和模式中不可避免的不確定因素包括在模式的積分過程中來定量描述預(yù)報(bào)的不確定性，使之成為預(yù)報(bào)的一部分，讓用戶根據(jù)全面的預(yù)報(bào)信息來科學(xué)地決策。集合預(yù)報(bào)并不是單純用來提高單一確定預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，而是定量估計(jì)預(yù)報(bào)誤差的分布和預(yù)報(bào)的可信度。因此，集合預(yù)報(bào)所帶來的不僅僅是一種新的技術(shù)而更重要的是為整個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)開創(chuàng)了一個(gè)新的理念。首先是從單一值的確定論向多值的概率分布轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變包括整個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)：觀測、資料同化、預(yù)報(bào)和用戶應(yīng)用。其次是從單向過程變?yōu)殡p向過程，傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)流程是單向進(jìn)行的，即觀測→資料同化→模式預(yù)報(bào)→用戶應(yīng)用，而沒有反向反饋；但以集合預(yù)報(bào)為中心技術(shù)的新數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，后面的步驟可以修正前面的步驟，譬如目標(biāo)觀測。在這種新的理念下，預(yù)報(bào)員的作用也將發(fā)生變化。這一做法成功的關(guān)鍵包括：來自初值和模式擾動(dòng)的集合預(yù)報(bào)[20]，天氣預(yù)報(bào)發(fā)布形式的改變[36-37]和用戶在決策中科學(xué)應(yīng)用預(yù)報(bào)不確定性信息[21]等方面。

圖9 2010年10月19日（a，b），20日（c，d），21日（e，f）和22日（g，h）300hPa高度擾動(dòng)和擾動(dòng)流場在00時(shí)和12時(shí)的分布（僅負(fù)的高度擾動(dòng)（20gpm）給出了陰影；I、II和III指示3個(gè)擾動(dòng)渦旋）

其二，同一時(shí)刻觀測的全球大氣變量確實(shí)是混沌的，因?yàn)樗硕鄷r(shí)空尺度的變化信息。常規(guī)的做法是對(duì)全球觀測變量做數(shù)學(xué)的正交分解，但是分解的每個(gè)分量都難以知道它的物理含義。那些沒有物理意義的數(shù)學(xué)分量讓計(jì)算機(jī)積分必然產(chǎn)生虛假的結(jié)果，導(dǎo)致預(yù)報(bào)失敗。這就是洛倫茲對(duì)大氣混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在有一種方法是繞開數(shù)學(xué)上的難題，把大氣變量分解為瞬變氣候與瞬變擾動(dòng)兩個(gè)部分，用瞬變擾動(dòng)建立

與異常天氣之間的聯(lián)系。最近有兩個(gè)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的工作驗(yàn)證了這種分解方法對(duì)提高預(yù)報(bào)技巧的效果。Peng等[38]把單一模式預(yù)報(bào)的未來逐日大氣分解成模式氣候與擾動(dòng)部分，就能夠把模式可預(yù)報(bào)能力提高到15d，即達(dá)到2周的目標(biāo)。其實(shí)，這里的模式氣候不是真正的氣候，而是單一模式對(duì)不同初始場未來時(shí)刻預(yù)報(bào)的集成。另一例子就是4.2節(jié)提到的，用氣候引導(dǎo)氣流加擾動(dòng)相互作用的模式做法，雖然對(duì)臺(tái)風(fēng)異常路徑預(yù)報(bào)的能力只有2～3天，但對(duì)防御的時(shí)間準(zhǔn)備已經(jīng)夠了。我們常?？偨Y(jié)的晴雨預(yù)報(bào)得分很高和臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)平均誤差很小，那些都不是預(yù)報(bào)技巧，而是預(yù)報(bào)的氣候部分。有技巧的是對(duì)個(gè)別極端天氣事件的預(yù)報(bào)和那些異常臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)。

最后，以上兩種做法也可以結(jié)合起來，這樣既可反映天氣事件的“異常度”，又可定量估計(jì)預(yù)報(bào)的“可信度”，如杜鈞等[18]最近提出的“集合異常預(yù)報(bào)法”就是一例，他們?cè)跀?shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果中除去氣候分量并同氣候分量相比較得到該預(yù)報(bào)的“異常度”，再同集合預(yù)報(bào)結(jié)合得到這異常度的“可信度”。不難想象，當(dāng)一個(gè)預(yù)報(bào)愈異常且發(fā)生的可能性愈大時(shí)，該預(yù)報(bào)的潛在社會(huì)影響就愈大，反之就愈小，因此綜合異常度和可信度可導(dǎo)出一個(gè)定量的天氣預(yù)報(bào)“社會(huì)影響矩陣”（具體例子可參見該文）。

除了前瞻的科學(xué)思想指導(dǎo)和社會(huì)需求的推動(dòng)，天氣預(yù)報(bào)科學(xué)進(jìn)步的背后都有新技術(shù)的出現(xiàn)作為外部條件，譬如第一次躍進(jìn)是基于無線電的出現(xiàn)，第二次躍進(jìn)是基于高速計(jì)算機(jī)和遙感技術(shù)（觀測和資料反演）的發(fā)展，第三次躍進(jìn)也同數(shù)值預(yù)報(bào)的精細(xì)化分不開。因本文的主題是天氣預(yù)報(bào)，這些背后關(guān)鍵支撐技術(shù)的進(jìn)步歷史在此不做回顧。

圖10 臺(tái)風(fēng)鲇魚在2010年10月11—24日的路徑和每6h地面最大風(fēng)速（a，DB、TD、TS、TY和ST分別表示風(fēng)暴的強(qiáng)度達(dá)到熱帶擾動(dòng)、熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）和臺(tái)風(fēng)路徑（紅實(shí)線）與轉(zhuǎn)向前起報(bào)的48h三種模式預(yù)報(bào)路徑（b，分解氣流模式預(yù)報(bào)路徑（實(shí)心點(diǎn)藍(lán)線），引導(dǎo)氣流模式預(yù)報(bào)路徑（空心點(diǎn)藍(lán)線）和擾動(dòng)氣流模式預(yù)報(bào)路徑（方點(diǎn)藍(lán)線））

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Three Revolutions in Weather Forecasting

Du Jun1, Qian Weihong2
(1 National Centers for Environmental Prediction/NOAA, USA 2 Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871)

The scientif i c evolution of weather forecasts is brief l y reviewed from a historical perspective in this paper. During the last 100 years, applications of weather maps (surface and upper air) and numerical weather prediction (NWP) to daily weather forecasts marked two major achievements: weather maps expanded our view from two dimensions to three dimensions in space and NWP brought us ahead of real weather in time. Through these advancements, weather forecasting has gradually evolved from an empirical to a qualitatively-reasoning and further to an exact physical science based on mathematical equations. With the discovery of chaos by Prof. Edward Lorenz, weather forecasting is now undergoing its third philosophical revolution from a deterministic to probabilistic world to facing the reality of its limited predictability. Two different approaches are presented, as the main focus of this paper, to deal with the limitation of predictability and forecast uncertainty: one is using ensemble forecasting technique to directly quantify and include forecast uncertainty information in a forecast which can be utilized by endusers to make better decisions; the other is an attempt to have a workaround of nonlinearity mathematically by decomposing a meteorological fi eld into climatic and anomalous two components. Therefore, weather forecasting could be possibly simplif i ed in dealing with the anomalous components only.

weather forecasting, three revolutions, weather map, numerical weather prediction, ensemble forecasting, variable decomposition

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.002

2014年3月12日；

2014年4月8日

杜鈞 （1962—），Email：JunDu_NOAA@yahoo.com