面向預報員的精細化數(shù)值預報產(chǎn)品應用 培訓需求研究

鐘琦 薛童 朱禾 葉夢姝

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

0 引言

數(shù)值預報是現(xiàn)代預報預測業(yè)務的基石，每天在世界各地主要氣象業(yè)務中心運行，在精細化預報、災害性天氣預報、延伸期預報中發(fā)揮著不可替代的作用，并逐步走向精細和精準[1]。伴隨數(shù)值天氣預報的準確率不斷提高，預報員職能正在發(fā)生很大變化，美國著名氣象學家Cliff Mass認為，數(shù)值模式的發(fā)展和加工處理技術(shù)將從根本上改變預報制作方式，預報員未來最大的貢獻是理解傳播預報和為更多的用戶服務。Jascourt等[2]經(jīng)過四年完善并提供數(shù)值預報培訓的試驗探索了預報員改進模式預報的機會，肯定了預報員能通過了解數(shù)值模式組成部分的性能及其局限性，達到智慧地評價和改善數(shù)值預報模式。預報員需要了解數(shù)值預報模式的預報性能，積累數(shù)值預報應用和訂正經(jīng)驗，才能成為以數(shù)值預報為基礎(chǔ)，綜合運用各類氣象信息的新型預報員[3-5]。由于數(shù)值預報本身處在迅速發(fā)展中，預報員需要根據(jù)數(shù)值預報的新屬性調(diào)整使用數(shù)值預報產(chǎn)品的策略與方法，以達到提升預報效果，否則會在使用中陷入盲目，或?qū)?shù)值預報結(jié)果過分依賴。因此，幫助預報員建立數(shù)值預報的應用策略成為國內(nèi)外氣象教育培訓的重點課題。

21世紀初，美國天氣預報服務中心（NWS）即開始關(guān)注數(shù)值天氣預報對人工預報的影響，持續(xù)開展兩者的預報評分對比并發(fā)布年度報告。NWS培訓中心基于職業(yè)發(fā)展系列的課程體系中，包括了一些數(shù)值預報開發(fā)、模式產(chǎn)品解讀等相關(guān)內(nèi)容。美國國家大氣研究中心的教育培訓計劃“業(yè)務氣象、教育和培訓合作計劃”自2009年起制作并發(fā)布了面向預報員的“在天氣預報中有效使用數(shù)值預報”系列課程，內(nèi)容涵蓋數(shù)值模式基礎(chǔ)和產(chǎn)品使用，模式數(shù)據(jù)的偏差訂正，集合預報產(chǎn)品及應用，有效應用高分辨數(shù)值預報等[6]。2015年歐洲中期天氣預報中心和歐洲氣象培訓虛擬組織聯(lián)合組織了其第十屆國際專題研討會，聚焦新時期的數(shù)值天氣預報應用培訓，研討氣象培訓如何適應數(shù)值預報的發(fā)展，包括預報員的角色轉(zhuǎn)變；如何基于天氣分析技術(shù)和數(shù)值預報提升天氣預報的精度；培訓機構(gòu)應該注重發(fā)展哪些創(chuàng)新的培訓理念以適應和支持培訓中需要的技術(shù)和能力要求等內(nèi)容。法國國立氣象學校在2016年的在職培訓項目中設計了一個為期5 d的數(shù)值天氣預報培訓，但僅專注法國氣象局的數(shù)值預報基礎(chǔ)知識和產(chǎn)品使用。

綜上，從國內(nèi)外氣象預報業(yè)務的發(fā)展趨勢來看，加強數(shù)值預報的應用是未來預報員轉(zhuǎn)型、提升預報預測準確率的主流方向，歐美國家氣象培訓機構(gòu)均已著手討論和推進數(shù)值預報應用專題的培訓設計和實施。我國天氣預報員隊伍規(guī)模龐大，地域差別顯著，培訓需求具有多層次多樣化的特點。開展面向我國氣象業(yè)務發(fā)展的數(shù)值預報應用培訓需求分析，設計適合我國預報員的數(shù)值預報應用培訓課程體系勢在必行，以助力廣大預報員掌握不斷涌現(xiàn)的數(shù)值預報新技術(shù)和新產(chǎn)品的內(nèi)涵，提升有效應用數(shù)值天氣預報的能力，形成對現(xiàn)代氣象業(yè)務發(fā)展的有力支撐。

1 研究方法

研究擬通過準確定位精細化網(wǎng)格預報對數(shù)值預報應用的組織需求，調(diào)研目前預報員數(shù)值預報應用的實際能力，并分析兩者差距，提出數(shù)值預報應用培訓的需求，為科學合理設計教學課程和搭建實習實訓平臺提供依據(jù)。研究中采用了資料分析、文獻追蹤、專家訪談、問卷調(diào)研等多種方式方法。首先通過文獻整理了解新時代研究型氣象業(yè)務格局下精細化智能網(wǎng)格預報業(yè)務的發(fā)展背景和關(guān)鍵技術(shù)，通過文件和政策分析定位現(xiàn)代氣象業(yè)務在提升預報員數(shù)值預報應用能力方面的組織需求，通過專家訪談和專題報告進一步細化了精細化數(shù)值預報滋生的科學問題和對預報員能力素養(yǎng)的新要求，通過問卷調(diào)研分析了預報員隊伍的能力現(xiàn)狀和與組織需求的差距，最后綜合整理了分層分類的精細化數(shù)值預報應用培訓需求和教學側(cè)重點。

2 精細化數(shù)值預報應用培訓組織需求

根據(jù)世界氣象組織（WMO）的規(guī)定，氣象業(yè)務人員應同時具備資質(zhì)（Qualification）與勝任力（Competency）。資質(zhì)指從事某一職業(yè)所需的最少量的核心知識，一般通過完成教育機構(gòu)（如大學）的學習課程一次性獲得；勝任力指履行工作職責過程中完成技術(shù)性較高任務所需的知識和技能，一般通過崗位培訓迅速提升。WMO《技術(shù)規(guī)則》（《Technical Regulations》）于2017年規(guī)范了包括公共天氣預報與服務、航空氣象、海洋氣象等六個領(lǐng)域的勝任力框架，其中預報員勝任力標準包含了“業(yè)務基礎(chǔ)知識技能、制作產(chǎn)品的能力、確保產(chǎn)品質(zhì)量的能力、與內(nèi)外部用戶溝通的能力”的內(nèi)在層次。本文以我國精細化網(wǎng)格預報業(yè)務對預報員能力素養(yǎng)的要求為例，分析了精細化數(shù)值預報的培訓需求。

2.1 中國氣象局對預報員數(shù)值預報應用能力的要求

數(shù)值預報是現(xiàn)代氣象事業(yè)發(fā)展的核心支撐，同時具有不可替代性、不完整性和不精準性的特征[7]，上述“三不”特征決定了研究型氣象業(yè)務的發(fā)展格局，此業(yè)務性研究的屬性正是預報員職能變遷的內(nèi)在原因，也是數(shù)值預報繼續(xù)教育應把握的專業(yè)內(nèi)涵。

2016年1月，中國氣象局印發(fā)《現(xiàn)代氣象預報業(yè)務發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》（以下簡稱《業(yè)務發(fā)展規(guī)劃》），服務于構(gòu)建全國精細化氣象網(wǎng)格預報一張“網(wǎng)”明確提出構(gòu)筑高素質(zhì)創(chuàng)新型人才體系，推進預報員轉(zhuǎn)型發(fā)展——從過于依賴數(shù)值預報和經(jīng)驗的“傳統(tǒng)型”向更多依靠科學分析、駕馭現(xiàn)代預報技術(shù)的“現(xiàn)代型”轉(zhuǎn)變。通過加強培訓和業(yè)務技術(shù)總結(jié)，著力提升國家-省兩級預報員在災害性天氣預報和重大氣候事件監(jiān)測預測中的科學分析能力、多源資料綜合應用能力以及對數(shù)值預報的解釋應用和訂正能力。實施預報員能力提升工程，強化預報員崗位培訓，完善培訓體系，組織實施預報員全員輪訓。

2018年5月，中國氣象局進一步印發(fā)《智能網(wǎng)格預報行動計劃（2018—2020年）》（以下簡稱《行動計劃》），計劃到2020年建成無縫隙、精準化、全覆蓋、智慧型預報業(yè)務體系，這一業(yè)務發(fā)展戰(zhàn)略離不開“現(xiàn)代型”“研究型”預報員和人才隊伍。為培育預報理論功底扎實、預報技術(shù)開發(fā)有創(chuàng)新、可駕馭現(xiàn)代預報技術(shù)的新型預報員，《行動計劃》中明確要求創(chuàng)建有利于創(chuàng)新型人才隊伍成長的機制，其中包括強化預報員專業(yè)技術(shù)培訓、完善培訓體系、實施分類培訓，通過加強培訓和交流總結(jié)，使預報員轉(zhuǎn)變觀念，適應智能網(wǎng)格預報業(yè)務技術(shù)發(fā)展。提升預報員對多源資料應用能力和對數(shù)值預報解釋應用訂正能力，凝練網(wǎng)格預報和災害性天氣預報經(jīng)驗，強化網(wǎng)格預報客觀訂正技術(shù)和方法研發(fā)，并集成到智能網(wǎng)格氣象預報業(yè)務系統(tǒng)中。為保障精細化智能網(wǎng)格預報業(yè)務的人才培養(yǎng)需求，中國氣象局于2019年印發(fā)《2019—2023年全國氣象部門干部教育培訓規(guī)劃》，明確要求專業(yè)化能力培訓更加精準，適應新時代、實現(xiàn)新目標、落實新部署的履職能力明顯增強，專業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)能力進一步提升。氣象新理論、新技術(shù)、新方法培訓更具針對性。

近年來，中國氣象局干部學院緊緊圍繞全面推進現(xiàn)代化對預報預測人才隊伍建設的要求，對在崗人員全員輪訓，精心設計不同層級、緊扣實際的教學計劃，形成了理論與實踐緊密結(jié)合的課程體系[8]。而在國家經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略不斷升級，防災減災形勢日益復雜，氣象科技創(chuàng)新發(fā)展迅猛，人工智能等技術(shù)對傳統(tǒng)天氣業(yè)務的影響不斷加深的背景下，預報員面臨提升專業(yè)知識背景、學習總結(jié)能力、科研創(chuàng)新能力、國際交流能力綜合素質(zhì)的更高要求，這對專業(yè)培訓提出了更大的挑戰(zhàn)?！吨袊鴼庀缶謿庀蟾刹颗嘤枌W院發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中明確提出，以學科為基礎(chǔ)提升教學研的綜合水平是氣象教育培訓工作向更深入內(nèi)涵式發(fā)展的重要途徑，并提出重點加強“數(shù)值預報模式及應用”等繼續(xù)教育學科領(lǐng)域建設，提升預報員的數(shù)值預報應用能力。

預報員的能力素養(yǎng)主要體現(xiàn)在四個方面：一是基本素質(zhì)（個人素質(zhì)，知識素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)）；二是業(yè)務能力（業(yè)務常識、預報能力、訂正能力、工作經(jīng)驗和信息素養(yǎng)）；三是科研能力（基礎(chǔ)型研究，應用性研究和技術(shù)開發(fā)）；四是學習與創(chuàng)新能力。下面將基于精細化數(shù)值預報的科學問題和對預報員能力素養(yǎng)的新要求分析歸納數(shù)值預報應用的培訓任務。

2.2 精細化數(shù)值預報應用培訓主要任務

對數(shù)十年和幾代前的數(shù)值預報產(chǎn)品應用而言，預報員參考多為全球環(huán)流模式，主要應用于環(huán)流形勢的判斷，對區(qū)域強天氣的參考價值主要體現(xiàn)在觸發(fā)強天氣的大尺度環(huán)流背景和環(huán)境參數(shù)預報。近年來局地要素產(chǎn)品的精細化和精確度得到了很大的提升，對預報員的使用向低門檻和高門檻兩極轉(zhuǎn)化，實際在精細化預報的理解應用、產(chǎn)品的檢驗評估、預報結(jié)果和經(jīng)驗的總結(jié)等方面對預報員提出了更高要求。隨著中尺度業(yè)務模式分辨率達到10 km甚至3 km，快速更新同化短臨預報分辨率達到1 km甚至更細，集合預報也逐漸走向高分辨率對流尺度（1～4 km）。數(shù)值模式可顯示分辨尺度進入灰色區(qū)域，其本身基礎(chǔ)理論面臨許多新的科學問題，相應模式的初值和動力/物理過程對預報結(jié)果的影響和原因也發(fā)生了變化，預報員需要更新認識。當進入灰色尺度后數(shù)值模式本身有較大變化，最直觀的是顯示分辨和次網(wǎng)格過程描述的內(nèi)容發(fā)生變化。以降水預報為例，模式在大尺度降水和對流降水的區(qū)分上變得模糊，模式云物理應充分考慮包括灰區(qū)參數(shù)化、尺度自適應參數(shù)化、精細下墊面次網(wǎng)格地形效應等。數(shù)值預報模式達1 km以內(nèi)，模式邊界層參數(shù)化（或大渦模擬）方案和參數(shù)選擇對模式重力波和湍流結(jié)構(gòu)和強度，進而對地面溫風濕及對流降水預報準確性具有影響。多尺度資料尤其是精細觀測（如雷達）資料的同化方法不斷發(fā)展，溫濕廓線和水凝物等要素短臨預報更精確。公里尺度分辨率模式中動力-物理過程之間以及物理過程之間存在強的不可分離的非線性相互作用，直接影響模式對對流觸發(fā)和發(fā)展傳播、冷池強度和大小、降水落區(qū)強度和日循環(huán)特征的預報能力，而對流尺度集合預報可為對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展、強降水落區(qū)、大風極值分布等提供豐富的概率預報信息。

基于對高分辨數(shù)值預報原理及其對預報結(jié)果影響的了解，預報員需要依據(jù)精細化評估技術(shù)和在實際天氣中的應用實踐來總結(jié)產(chǎn)品的應用和訂正經(jīng)驗。精細化預報產(chǎn)品不是簡單的分辨率提升而是時空精細度的提高，相臨時刻或相鄰網(wǎng)格點之間的要素預報并非總是平滑過渡，而是包含高梯度細節(jié)，其時間、空間和量級誤差難以簡單區(qū)分，傳統(tǒng)檢驗評價方法已無法反映高時空分辨率產(chǎn)品的精細化特征。何為最優(yōu)評價指標，如何生成相匹配的參照實況序列，怎樣融入精細化檢驗和訂正方法開發(fā)，如何通過主客觀融合平臺增加預報附加值是預報員面臨的新挑戰(zhàn)。最近人工智能等客觀技術(shù)逐漸引入模式和后處理系統(tǒng)，對預報員基于精細預報產(chǎn)品開展針對性服務和提升高影響天氣預報能力的基本素養(yǎng)也提出新的要求。2019年4月中國氣象局發(fā)布了《研究型業(yè)務試點建設指導意見》，在15個?。ㄊ校庀缶?、7個直屬單位開展研究型業(yè)務試點，目前精細化網(wǎng)格智能氣象預報業(yè)務日益完善，以數(shù)值模式和實況業(yè)務為重點的綜合檢驗評估業(yè)務格局初步形成。面向現(xiàn)代氣象預報業(yè)務數(shù)字化和自動化的突出特點，當前和未來的預報中需深化對數(shù)值模式和已有客觀方法不確定性的認識，加強對精細化天氣氣候演變規(guī)律的科學認識，創(chuàng)新和完善針對各類網(wǎng)格預報產(chǎn)品的精細化檢驗評估和訂正，循環(huán)式上升，不斷完善無縫銜接的全球多尺度氣象過程及其影響的客觀預報方法。這一業(yè)務過程突出了精細化預報和服務產(chǎn)品的檢驗評估，對未來研究型的現(xiàn)代預報員提出的新挑戰(zhàn)包括：1）參與研發(fā)強大的后處理系統(tǒng)，包括訂正模式預報誤差，降尺度到更精細網(wǎng)格、集成多源數(shù)據(jù)結(jié)果的優(yōu)勢預報信息、捕捉極端性或災害性預報信息、傳遞預報的不確定性信息；2）了解信息網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)支撐，理解數(shù)值預報產(chǎn)品和特點，根據(jù)天氣特征分析和模式預報誤差信息捕捉，結(jié)合對極端性、高影響等天氣的預報經(jīng)驗和能力，抓住預報關(guān)鍵，達成增加預報員價值的目標。

基于上述分析將面向預報員的精細化數(shù)值預報應用培訓重點內(nèi)容歸納為三個大類：一是數(shù)值預報知識類培訓，按照易難層次劃分為數(shù)值模式基礎(chǔ)原理；數(shù)值預報加深知識，包括模式動力、模式物理（尤其模式云和降水、邊界層過程）、模式初值對預報的影響；數(shù)值預報前沿技術(shù)原理，包括集合預報、高分辨率數(shù)值預報、非常規(guī)觀測資料同化技術(shù)、多源資料融合技術(shù)等；二是數(shù)值預報應用技能培訓，包括數(shù)值預報產(chǎn)品解讀、數(shù)值預報產(chǎn)品檢驗評估和訂正、數(shù)值預報新技術(shù)的產(chǎn)品特性及應用效果；三是數(shù)值預報綜合應用，按遞進層次分為數(shù)值預報產(chǎn)品應用基本思路、數(shù)值預報綜合應用策略、數(shù)值產(chǎn)品在典型和高影響天氣案例中應用的分析和研討。

下文將圍繞這三類組織需求開展預報員現(xiàn)狀調(diào)研，分析當前預報員能力與組織需求之間的差距和定位培訓重點。

3 預報員數(shù)值預報應用能力和培訓需求分析

3.1 調(diào)研對象概況

面向預報員的調(diào)研主要采取問卷調(diào)研和交流討論形式，在交流討論中預報員反饋2016年以來高分辨數(shù)值預報在業(yè)務化和預報可用性上逐漸被預報員接受。2016年高分辨率業(yè)務預報模式水平分辨率已達到10 km左右，主要包括EC細網(wǎng)格產(chǎn)品，GRAPES中尺度模式產(chǎn)品，以及各區(qū)域中心研發(fā)的中尺度模式產(chǎn)品（如華東區(qū)域氣象中心中尺度數(shù)值預報模式（SMSWARMS），華南區(qū)域中尺度模式（MARS），華北區(qū)域數(shù)值模式預報系統(tǒng)“睿圖”）；目前中尺度業(yè)務數(shù)值預報已精細到3 km，快速更新短臨預報模式已精細到1 km，全國智能網(wǎng)格預報精細到5 km，區(qū)域精細到1 km。研究于2016—2019年間向各級氣象臺預報員和培訓班參訓預報員發(fā)放問卷共計400余份，回收有效問卷共計337份。伴隨高分辨率數(shù)值模式和基于模式的客觀方法的快速發(fā)展，這期間預報員對精細化預報產(chǎn)品的認識也在快速調(diào)整，限于篇幅本文沒有給出分時間段的調(diào)研分析結(jié)果。圖1顯示，參與調(diào)研的預報員大部分（62%）工作年限在10年以內(nèi)，工作11～20年預報員占比22%，工作21年以上預報員占比16%。從學歷來看，調(diào)研對象中60%人員具有碩士研究生學歷，33%和6%具有本科和博士學歷，與工作10年以下預報員隊伍年輕化和高學歷趨勢相對應。從學科背景來看，82%的預報員是大學科學背景?？梢娝{(diào)研對象主要是一線預報業(yè)務崗位，具有大氣科學專業(yè)背景和較高學歷，較為年輕的預報員群體，正是面臨向現(xiàn)代型預報員轉(zhuǎn)型的隊伍，是培訓潛在對象，他們對問卷反饋的結(jié)果具有較好的代表性。

圖1 調(diào)研對象從事預報的年限分布（a），所獲最高學歷（b）和專業(yè)方向（c） Fig. 1 Distribution of years being forecaster (a), education background (b) and majors (c) of the respondents

3.2 預報員對開展數(shù)值預報培訓的必要性認識

隨著數(shù)值預報的發(fā)展和客觀預報水平的不斷提升，預報員在很大程度上要依靠和參考數(shù)值預報的結(jié)果，調(diào)查顯示61.3%的預報員基本在所有值班日預報中均參考了數(shù)值預報產(chǎn)品，另有32.2%的預報員參考數(shù)值預報產(chǎn)品的日數(shù)在70%以上，極少預報員（0.3%）較少參考數(shù)值預報產(chǎn)品。同時，半數(shù)以上預報員（51.5%）仍然堅信無論何時預報員都具有不可替代的作用，并且47.6%預報員認為應該在數(shù)值預報的基礎(chǔ)上進行主觀訂正，訂正的收益大于風險。而在數(shù)值預報基礎(chǔ)上預報員能有所作為的領(lǐng)域集中在臨近預報（59.7%）、強對流天氣預報（57.3%）和短時預報（43%）領(lǐng)域。

然而目前預報員關(guān)于數(shù)值預報應用的系統(tǒng)性培訓較為匱乏。圖2顯示，64.2%的預報員主要通過和同事的業(yè)務交流獲得數(shù)值預報應用的經(jīng)驗，48.5%依靠自學數(shù)值模式發(fā)布的產(chǎn)品手冊獲得相關(guān)產(chǎn)品信息，僅有35.2%得到了相關(guān)培訓，另有43.3%的預報員是通過參加學術(shù)活動（包括文獻閱讀和參加學術(shù)會議）獲取數(shù)值預報發(fā)展的知識。

圖2 目前預報員獲取數(shù)值預報應用方法的主要途徑 Fig. 2 The main ways of forecaster to communicate the NWP skills

3.3 預報員數(shù)值預報應用能力現(xiàn)狀分析

基于第2.2節(jié)數(shù)值預報培訓組織需求的三類任務分解，分別從預報員對數(shù)值預報知識、數(shù)值預報技能和數(shù)值預報綜合應用方面的能力現(xiàn)狀及其與組織需求的差距展開分析。

3.3.1 數(shù)值預報知識類培訓

將數(shù)值預報知識類培訓細化為數(shù)值模式的基礎(chǔ)知識、加深知識、數(shù)值預報前沿技術(shù)展開分析。圖3顯示，大部分預報員（76.4%）認為對普適的數(shù)值模式基礎(chǔ)知識有較好的掌握基本不需要進一步學習。對模式加深知識的掌握普遍不夠，僅25.2%預報員掌握模式動力對預報的影響，16.4%掌握模式物理對預報的影響，12.4%掌握同化系統(tǒng)如何構(gòu)建模式初始場，極少數(shù)預報員（8.5%）對數(shù)值預報降尺度有了解。在數(shù)值預報新技術(shù)方面，僅有17.3%的預報員認為掌握高分辨率數(shù)值模式特性。集合預報技術(shù)方面，因已開展了3期專題培訓和在第二輪省級預報員輪訓中開設了集合預報課程，半數(shù)預報員（50.3%）認為對集合預報的原理已經(jīng)有了較好的掌握。

圖3 預報員對數(shù)值預報知識的掌握情況 Fig. 3 The status of forecasters’ NWP knowledge acquisition

在資料同化技術(shù)方面（圖4），70.3%的預報員關(guān)注快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)在業(yè)務中的應用，半數(shù)以上的預報員對資料同化在實際天氣中的應用（57.1%），資料同化方法介紹（54.9%）和觀測資料質(zhì)量評估、預處理和質(zhì)量控制（51.6%）有學習需求，41.8%的預報員希望了解觀測誤差的統(tǒng)計方法（或同化系統(tǒng)對觀測資料敏感性診斷分析）相關(guān)知識。半數(shù)以上預報員希望了解各區(qū)域中心特色的資料同化現(xiàn)狀（63.7%）及未來發(fā)展（54.9%）。

3.3.2 數(shù)值預報技能培訓

圖4 預報員對資料同化技術(shù)的培訓需求 Fig. 4 Training needs of forecasters on data assimilation

將數(shù)值預報應用技能分為對數(shù)值預報產(chǎn)品解讀，數(shù)值預報評估和訂正，數(shù)值預報新技術(shù)產(chǎn)品應用等方面。調(diào)查顯示，預報員在數(shù)值預報產(chǎn)品基本信息（56.3%）和獲取（44.1%）方面預報員相對掌握較好（圖5）。如何利用數(shù)值預報提高預報準確率是需求最普遍（45.3%）的技能。如何利用數(shù)值預報提升科研能力成為預報員較為關(guān)切和需求旺盛的內(nèi)容（38.4%），但僅有5.3%的預報員自認為具備這項能力，這一需求和現(xiàn)狀的差距將隨著研究型氣象業(yè)務的推進進一步凸顯。

圖5 預報員對數(shù)值預報應用技能的掌握情況 Fig. 5 Forecasters' mastery of NWP skills

隨著精細化智能網(wǎng)格預報的日益完善，基于數(shù)值預報的精細化檢驗評估和訂正成為現(xiàn)代氣象業(yè)務中的重要環(huán)節(jié)。多數(shù)業(yè)務單位已經(jīng)認識到檢驗評估的重要性，但僅有約四分之一的預報員了解數(shù)值預報檢驗評估方法（圖5）。而基于數(shù)值預報開展訂正更加困難，雖然大部分預報員（67.9%）支持對數(shù)值產(chǎn)品進行訂正，但僅20.3%預報員自認具備數(shù)值預報產(chǎn)品訂正思路。

在目前的預報實踐中進行了訂正的比例并不高，對數(shù)值預報訂正比例在70%以上的預報員僅占23.4%，訂正比例不到一半的預報員占52.8%。目前預報員經(jīng)常進行訂正的數(shù)值預報要素為暴雨以上的降水量（41.2%），最高最低溫度（39.4%），另外在一些地面要素如地面風（11.6%），邊界層輻合線也有少部分預報員（5.1%）常進行訂正，這些物理要素對強對流觸發(fā)預報較為關(guān)鍵且模式預報準確率較差，是預報員容易發(fā)揮優(yōu)勢的領(lǐng)域。從主觀訂正效果來看（圖6），能取得較好訂正效果（提高預報效果的比例70%以上）的僅占16.6%，有一定訂正效果（提高預報效果的比例50%～70%）的占31.6%，另有半數(shù)以上預報員（51.8%）認為自己訂正后預報效果的提升不及50%。

為提升基于數(shù)值預報的主觀預報能力，預報員迫 切需要學習（圖7）數(shù)值預報產(chǎn)品本地化和訂正方法 （79.8%），不同天氣類型數(shù)值預報的能力（79%），高分辨率數(shù)值預報的誤差評估（46.2%），數(shù)值預報誤 差來源（42.9%），數(shù)值預報評估方法和體系（42.9%）。 因此，在未來數(shù)值預報應用技能的培訓中，應開展分區(qū)域的分天氣類型的數(shù)值預報能力評估，重點關(guān)注高分辨率數(shù)值預報的誤差檢驗和誤差來源分析，開發(fā)適用本地化的訂正方法和策略，為預報員提供有效的參考。

圖6 預報員認為對數(shù)值預報結(jié)果進行訂正后提高了預報效果的比例 Fig. 6 Proportions of Forecasters who believe that the accuracy is improved when they do corrections on NWP

圖7 預報員最希望得到的數(shù)值預報培訓內(nèi)容 Fig. 7 The most wanted training on NWP for forecasters

3.3.3 數(shù)值預報綜合應用

在掌握數(shù)值預報基本知識和基本技能的基礎(chǔ)上，建立基于數(shù)值預報且綜合運用多源氣象資料和信息的預報思路是預報員培訓的重要目標。目前預報員參考數(shù)值預報產(chǎn)品時最常采用的做法是把模式預報結(jié)果與實況直接比照分析（83.9%），或?qū)⒛Ｊ筋A報分析場與實況對照分析（70%），將不同來源的模式產(chǎn)品進行對比（72.4%），不少預報員（61.2%）也會參考模式前幾日的預報變化（圖8）。小部分預報員（約25%）掌握了結(jié)合雷達資料和衛(wèi)星資料對比模式產(chǎn)品進行分析。

圖8 目前預報員參考數(shù)值預報產(chǎn)品時常使用的天氣分析和診斷方法 Fig. 8 Weather analysis methods based on NWP used by forecasters

隨著集合預報的推廣，預報員對不確定預報的接受度逐漸提升，但是在綜合應用確定性預報和不確定性預報產(chǎn)品方面還沒有形成科學的預報思路。36.5%的預報員認為維持原有預報思路不變，30.1%的預報員認為需要改變現(xiàn)有預報思路，因此在提升預報員協(xié)同集合預報和確定性預報的預報策略方面具有較大的空間和必要性。

面對預報員轉(zhuǎn)型的新形勢，預報員認為未來相對于傳統(tǒng)預報將更多的轉(zhuǎn)向精細化高影響預報和服務的提供者（35.2%），27.2%認為預報員將轉(zhuǎn)向為數(shù)值預報解釋應用和訂正專家，22.4%預報員認為未來預報的研究性要求提高，逐步轉(zhuǎn)向天氣預報科學家或研究人員。可見，隨著精細化智能網(wǎng)格預報業(yè)務的發(fā)展，預報員更多是在客觀預報的基礎(chǔ)上進行訂正，關(guān)注高影響天氣的預報，并且從單純的預報業(yè)務轉(zhuǎn)為向不同用戶提供有針對性的預報服務。為適應這一新形勢和要求，預報員需要更深入地理解數(shù)值預報在本地應用的優(yōu)缺點，并積極參與到數(shù)值預報產(chǎn)品的后處理開發(fā)過程中。59.4%預報員認為應該參與數(shù)值預報統(tǒng)計釋用，49.4%認為預報員應該開發(fā)更適合本地天氣特點的統(tǒng)計產(chǎn)品，43.9%認為預報員應該參與到數(shù)值預報模式評估中和，36.1%認為預報員的職責也包括進一步提高數(shù)值預報產(chǎn)品的價值（圖9）。

圖9 預報員認為的未來預報員崗位職責 Fig. 9 The future job responsibilities of forecasters according to forecasters

3.4 分層分類的數(shù)值預報應用培訓需求分析

由于學員在工作年限、專業(yè)背景、知識儲備和經(jīng)驗積累等方面存在的較大差異，按照工作年限和崗位職責將調(diào)研對象劃分為三個層次，工作3年以內(nèi)的為新預報員，工作10年以上且任首席崗位的為首席預報員，其他工作3年以上的非首席預報員為骨干預報員。分析發(fā)現(xiàn)，不同層次的預報員在具體培訓內(nèi)容和深度上具有不同的側(cè)重點。

圖10給出了預報員學習數(shù)值預報知識的需求情況，新任預報員培訓需求較為廣泛，最大需求（60%以上）為模式物理過程和動力過程對預報結(jié)果的影響，超過半數(shù)首席預報員認為在模式預報偏差訂正、有效使用數(shù)值產(chǎn)品和降尺度等方面更有需要。半數(shù)新預報員和首席預報員均希望了解模式對降水和云的處理。骨干預報員是這三類人員里最大的預報員群體，因此需求相對較為分散，最集中的學習需求體現(xiàn)在模式預報的訂正，高分辨率模式特性，有效使用數(shù)值產(chǎn)品和模式物理過程的影響等內(nèi)容。

圖10 分層次預報員希望學習的數(shù)值預報知識 Fig. 10 NWP knowledge that forecasters of different levels hope to learn

數(shù)值預報應用相關(guān)技能的學習上（圖11），新預報員對各種技能均有需求，相對而言在數(shù)值產(chǎn)品基礎(chǔ)較為側(cè)重，如確定性預報和集合預報的特點、數(shù)值預報的評估方法和訂正思路、數(shù)值產(chǎn)品的獲取方法和基本信息等方面均比骨干預報員需求大。首席預報員需求最大的是如何利用數(shù)值預報提升科研能力，在研究性上更為側(cè)重。骨干預報員的需求相對較為分散，在數(shù)值預報訂正和提升預報準確率上具有較大的需求。

圖11 分層次預報員希望獲得的數(shù)值預報技能 Fig. 11 NWP skills that forecasters of different levels hope to gain

綜上，各級預報員對數(shù)值預報應用技能的培訓需求具有一致性也具有各自特點，一致性體現(xiàn)在實用性上，即提高預報準確率。新預報員的特點是需求廣泛，對產(chǎn)品基本信息有所側(cè)重，首席預報員更側(cè)重研究性，而骨干預報員需求較分散，在預報產(chǎn)品的評估和訂正等具體方法上較側(cè)重。

4 結(jié)論和建議

圍繞無縫隙精細化自動預報和智慧服務的研究型業(yè)務格局和發(fā)展態(tài)勢，首先分析了中國氣象局以提升預報員數(shù)值預報解釋應用和訂正能力為目標開展精準專業(yè)培訓的組織要求，將這一要求細化分解為數(shù)值預報知識、技能和綜合應用三類，分別研究了不同層次預報員的能力現(xiàn)狀，通過兩者對比提煉出精細化網(wǎng)格預報員業(yè)務中預報員數(shù)值預報應用培訓的需求和重點內(nèi)容。結(jié)果顯示：

1）在深化對數(shù)值模式和客觀方法的特性認識，綜合運用多源資料提升數(shù)值預報應用水平方面具有較大培訓需求，且呈現(xiàn)出向業(yè)務性研究和針對性服務發(fā)展的趨勢。

2）在數(shù)值預報知識、產(chǎn)品和技能、及綜合應用三類內(nèi)容中，最大培訓需求分別集中在高分辨率數(shù)值預報等新技術(shù)原理、數(shù)值預報本地化評估和訂正技能、及以加強精細化智能預報和服務為目標的數(shù)值預報綜合應用預報策略。

3）各級預報員對具體內(nèi)容的培訓需求各有側(cè)重，新預報員培訓需求較廣泛，相對而言尚待掌握數(shù)值預報及其產(chǎn)品的基礎(chǔ)信息，首席預報員相對需側(cè)重研究性，而骨干預報員需求較分散，應考慮在預報產(chǎn)品評估和訂正方法等實用性上有所側(cè)重。

上述研究結(jié)論為把握精細化數(shù)值預報應用培訓需求，開發(fā)內(nèi)容務實，貼合預報員實際的教學課程提供了方向和依據(jù)?；诖搜芯繄蟾嫣岢鲆韵聨c建議：

一是瞄準精細化智能網(wǎng)格預報業(yè)務對現(xiàn)代型預報員的要求，開發(fā)系統(tǒng)和有針對性的數(shù)值預報應用培訓課程。圍繞精細化網(wǎng)格預報、集合預報、高分辨率數(shù)值預報、精細化預報檢驗和訂正、人工智能與數(shù)值預報的結(jié)合、衛(wèi)星和雷達等新資料與數(shù)值預報技術(shù)融合等新技術(shù)新資料應用培訓，系統(tǒng)設計從基本原理，到預報產(chǎn)品特點分析，到綜合應用策略的階梯性課程內(nèi)容，開發(fā)針對性強的專題培訓。

二是立足預報員崗位要求和隊伍特點，開發(fā)科學分層分類的數(shù)值預報應用培訓課程和創(chuàng)新培訓方式方法。在新任預報員培訓中側(cè)重數(shù)值預報基礎(chǔ)，采用理論講解和個例實習相結(jié)合的培訓方式；在骨干預報員培訓中側(cè)重考慮區(qū)域特點，即數(shù)值預報新技術(shù)和產(chǎn)品在本地釋用、評估和訂正方法的培訓，采取按區(qū)域分組討論和專家點評、數(shù)值預報誤差本地化分析實訓為主的方式；在首席預報員培訓中側(cè)重新技術(shù)新資料研發(fā)成果在業(yè)務應用的轉(zhuǎn)化和效果研究，以新技術(shù)新資料在典型和高影響天氣中應用的案例剖析和研討方式為主，以期促進新技術(shù)新資料研究與實際業(yè)務應用的交叉融合。此外，應逐步推進遠程和面授相結(jié)合的混合式培訓方法，通過遠程預培訓基礎(chǔ)概念和理論，指導學員進行本地天氣實例收集和挑選，使面授能更高效地聚焦到對實際預報難點的研討和針對性的實習實訓上。

三是深化數(shù)值預報應用案例研究，加強實習實訓平臺建設。從業(yè)務實際需求出發(fā)，開展精細化智能網(wǎng)格預報等新技術(shù)在典型天氣和高影響天氣中的應用分析，通過數(shù)值試驗開展關(guān)鍵物理要素和特定天氣機理研究，根據(jù)培訓內(nèi)容制作可視化教學案例，搭建可開展本地化適用的數(shù)值預報檢驗評估和訂正培訓平臺。