福建省气象局
福建省天气气候预报预测技术发展报告
福建省气象局*
该文系统总结了福建省天气气候预报预测技术发展的现状,分析了福建省天气气候预报预测面临的机遇和挑战,提出了发展趋势和战略对策。21世纪,天气气候预报预测要大力推进气象科技创新,研制客观、精细的天气预报技术和方法,增强气象防灾减灾和对经济社会发展的服务能力,为海峡西岸经济区建设及我省的社会经济发展提供强有力的气象科技支撑与安全保障。
天气气候 预报技术 发展现状 发展趋势 战略对策
随着相关科学技术发展成果的引入和大气科学本身的发展,天气监测已经从低分辨率、有限视野的间歇常规观测向遥感信息与常规观测相结合的高分辨率、多方位连续监测方向转变;同时天气预报亦从传统的天气气候理论、数理统计与预报员半经验半理论的定性方法,发展到以数值天气预报为基础,以人机交互处理系统为平台,综合应用多种科学技术和方法的新时代;预报方式也从分析大气表象演变逐渐向深入考虑大气运动的内在规律转变。数值天气预报以其能够反映大气物理规律的优势,被认为是最有效解决天气预报问题的科学途径。遥感等非常规观测信息和数值预报已成为当今气象工作者进行天气监测、分析和预报的最重要的技术基础。天气预报正在逐步向客观化、精细化、自动化方向发展。
但是,随着社会经济发展和民众生活水平的提高,目前天气预报的精细化程度和准确率还不能完全满足国家和社会的需求,尤其是突发性、异常灾害性天气如局地短时强降水、强对流等小概率事件,当前的气象科技水平还不可能作出有较长提前量的准确预报。因此,进一步总结我省天气气候预报预测技术发展的状况,分析面临的挑战和机遇,明确今后一段时间的发展方向,是十分必要的。
经济建设、社会发展和减灾防灾要求提供高准确率和较长时效的气象预报,数值天气预报是气象工作者进行天气分析和预报不可缺少的重要手段,数值预报产品成为了现代天气预报的基础。经过过去20多年的努力,我国数值天气预报业务从无到有,逐步壮大,目前已建立起比较完整的数值天气预报业务体系,北半球中期数值预报可用时效达6天,水平分辨率达到30公里,与发达国家的差距逐步缩小。
1995年,福建省气象局开始进行中尺度数值预报试验研究,1997年5月建成“福建省中尺度数值预报业务系统”并在省气象台进行业务试验,模式框架采用MM4中尺度模式框架,预报时效24小时,在HP5/75 586微机上运行。
2003年8月,福建省气象局引进了含有24个CPU的SGI Origin350高性能计算机,用于中尺度数值预报的业务运算。同年10月,福建省气象局与中国科学院合作开发了基于MM5V3中尺度模式框架的新一代中尺度数值预报模式,在省气象台投入业务运行。系统采用两重网格嵌套,细网格分辨率为10公里,模式每天运行2次,预报时效为60小时。预报产品包括站点、格点常规气象要素和物理量等,供省内各级气象台预报员参考使用。
2006年,在已建立的福建省中尺度数值预报模式基础上,开展基于参数化方案的集合预报的业务试验研究。
2.2.1建立了较先进的预报业务平台
随着气象业务现代化建设的发展,卫星遥感、雷达探测和数值预报产品的不断丰富,预报业务中获得的气象信息大量增加。为了能使预报员快速方便地分析和综合应用各类气象信息,1996年,中国气象局组织开发了新一代天气预报人机交互处理系统——气象信息综合分析处理系统Micaps(Meteorological Information Comprehensive Analysis And Process System)。该系统是与卫星通讯、数据库配套的支持天气预报制作的人机交互系统,具有强大的各类气象信息综合处理显示功能,可以快速检索各种气象数据,叠加、动画显示各类气象数据的图形和图像,可对各种气象图形进行编辑加工。1997年,该系统1.0版本在全国气象部门正式投入使用。福建省气象台在应用基础上,于1999年完成了Micaps系统的本地化开发工作和新业务工作流程的制定,并在预报业务中加以应用。同时,福建省自行研发的“中尺度气象信息集成显示系统”和“新一代天气预报业务系统”也一并投入应用。这些系统将图形图像处理技术、人机交互技术、多种显示功能和编辑功能有机地结合在一起,为预报员提供了非常方便的工作平台,不但为预报员提供数量众多、门类齐全的各种天气预报信息,还实现了天气预报制作的现代化流程,使天气预报的作业方式发生了根本的变化,实现了从传统的手工作业方式向人机交互处理方式转变。先进的气象预报业务平台的建立,为提高天气预报准确率奠定了良好的基础。
2.2.2预报手段和方式发生了根本性的转变
在过去几十年来,特别是上世纪90年代以前,由于气象观测资料和计算机能力的限制,天气预报考虑的总是槽来脊去,变压、变温的大小,风向风速辐合辐散等,没有较好或较多的方法与工具。如今随着科学技术的发展,天气预报业务平台的建立应用,天气预报能够从分析各种物理量场入手,了解天气系统内部结构以及大的环流形势、各系统之间、上下层之间的相互关系,预报的手段和方式发生了根本的变化。
随着我国数值天气预报业务系统的更新换代,20世纪90年代中后期,在推进卫星气象综合信息网络系统重点工程建设的同时,中国气象局提出了“以数值分析预报产品为基础,以人机交互系统为工作平台,积极研制各种预报技术方法,提高综合分析、集成和预报决策能力”的天气预报新的技术路线以及逐级指导的业务体制改革要求,提出了天气预报要向“定时、定点、定量”的精细化方向发展的要求。数值预报业务试验和数值预报产品的天气学释用等多种预报技术研究开发及预报系统建设进入了积极探索和快速发展中。
此间,福建省气象部门积极组织了数值预报产品的释用研究,以数值预报产品为基础,研制了分县气象要素预报、前汛期区域性暴雨短期客观预报、台风暴雨短期客观预报、冰雹强对流天气短期预警等预报方法。近年来,我省气象部门大量的研究工作和技术交流,主要集中于对台风、暴雨、强对流等灾害性天气过程和本省疑难天气进行各种类型的诊断分析、数值模拟、数值预报产品能力检验,寻求预报判别指标,使灾害性天气预报能力有了很大提高。例如,参加国家“八五”科技攻关计划《台风、暴雨灾害性天气监测、预报技术研究》,对台风路径突变、移速突变和暴雨突变气候特征和环流形势特征进行了系统分析,提出了热带云团、东风波等对台风疑难路径的影响、北上台风尾流暴雨云团和几种特殊地形对台风区域性大暴雨的影响,分别建立了台风暴雨突增和路径突变、移速突变诊断预报方法。参加国家“九五”攀登专项计划《海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究》项目,通过数值模拟和数值试验,探讨台风系统中尺度暴雨的物理机制和地形对台风中尺度暴雨增幅作用,研究建立了福建台风系统中尺度暴雨的诊断分析预报方法。
以前的中期天气预报主要是制作旬报,作旬降水量、平均气温和降水天气过程的预报。其中旬降水量和平均气温预报采用的是统计预报方法,降水天气过程也主要应用周期外推和统计规律来作出预报。随着中期数值天气预报业务系统的建立,中期天气预报业务也发生了根本性的变化。到上世纪90年代后期,欧洲数值预报中心的预报产品可用时效达到8天,我国的也已达到6天。中期天气预报在预报技术和方法上也逐渐改变了以经验统计、数理统计为主的预报方法,向以数值预报产品的解释应用为主、辅以统计分析预报方法的方式转变。研制了以数值预报产品为基础,应用相似预报方法,制作“福建省5~6月大范围连续性暴雨预报”、“福建省寒潮过程中期预报”、“福建省高温过程中期预报”、“福建省春季低温阴雨过程预报”、“福建省中期天气要素预报”等客观预报工具和方法,对提高福建省中期天气预报准确率起了积极的作用。
近年来,随着雷达、卫星、闪电定位仪表、自动站等气象监测现代化建设的发展,带动了非常规探测资料的应用研究和中尺度分析及短时临近预报的开展。
我省自1999年开始建设新一代天气雷达,到2004年建成了全省4部(福州、厦门、龙岩、建阳)新一代天气雷达并组网运行,2007年又建成了宁德移动式新一代天气雷达。近年来我省应用新一代天气雷达探测资料,开展对台风定位、短时临近定量估测降水、短时强降雨、强对流天气判据和概念模式等的研究,建立了多套短时临近预报工具。
密集的区域自动站资料弥补了常规站点观测资料在短时降水预报中空间密度不足和获取时间滞后的缺陷,与多普勒天气雷达相配合使用,有效提高了对短时降水的监测和预报能力。
卫星云图有助于弥补雷达探测范围小的局限。2005年汛期FY-2C气象卫星的业务化应用,使利用卫星云图对中小尺度天气系统发生发展背景场的监测由原来的1小时1次改为每半小时1次,从而提高了气象卫星对强风暴等系统活动大舞台的监测能力,但要捕捉其具体活动过程,还需应用闪电定位和多普勒资料进行综合分析。
2002年,我省建成了由9个探测点和1个中心站组成的多站式雷电监测定位系统,雷电监测范围可覆盖全省和台湾海峡地区,可对我省及周边地区的雷暴活动及其变化趋势实施全天候监测,是短时强对流天气监测和预报的有效工具。
目前,我省短时灾害性天气监测预警主要通过卫星云图、多普勒雷达、闪电定位仪和自动气象站等遥感、遥测手段综合应用。短时临近预报技术主要包括以雷达资料为基础的雷暴识别追踪和外推预报技术、中尺度数值预报产品以及以实时常规观测资料结合卫星、雷达分析观测资料为主的概念模型预报技术等。
福建省短期气候预测(长期天气预报)从建立业务起,大体经历了经验统计分析、数理统计分析、物理统计分析、动力与统计相结合四个阶段。通过对各种气象要素序列周期性、持续性、转折性和年际、年代际变化特征的分析,寻找统计规律,对气象要素未来的变化进行预测是早期长期天气预报的主要手段和工具。20世纪70年代初开始广泛采用回归分析、判别和聚类分析、模糊数学、序相关(相似)、灰色系统、经验正交函数、均生函数等在内的数理统计方法。但由于数学统计模型所选择的因子质量不高且缺乏物理概念,从而影响统计预报的效果。此后,开始注重长期天气物理过程的演变,逐渐采用物理统计技术,即在寻找有一定物理意义的影响气候异常因子或强信号的基础上,经过统计分析,建立较为清晰的具有天气气候学意义的物理统计方法(预测概念模型)。从20世纪90年代起,开展动力气候模式与统计方法相结合的预报方法研究,建立了《福建省气候灾害短期气候预测业务服务系统》,大大增强了我省短期气候预测的能力。目前,我省短期气候预测应用的主要方法有:
(1)气候背景分析和预测,即降水、气温等气候要素自身演变规律的分析和预测;
(2)前期天气气候特征和综合相似年分析;
(3)环流特征量相关相似分析和预测;
(4)大气环流异常、海表温度与气候要素相关相似统计分析与预测,包括典型年份的合成和对比分析等;
(5)季风、西太平洋副热带高压、高原积雪、ENSO循环、太阳活动、天文背景等异常气候物理因子分析和预测;
(6)因子或多因子相关分析、回归分析、均生函数法、最优气候值法、自然正交迭代、典型相关法等数理统计方法;
(7)动力气候模式产品的降尺度释用,即在月动力延伸预报模式输出产品的基础上结合本地区的天气气候特点,综合运用动力学、统计学等方法进行再分析、再解释,将月平均环流形势的预报转化为本地区月平均要素的预测。
近10年来,我国在利用全球环流模式做季度预报方面有了较大的进展,气候动力学的预测方法随着业务预报的需要,越来越受到重视并被广泛应用。用各种全球气候模式做短期气候预测已逐步应用于业务,使气候预测向着定量化方向发展。国家气候中心使用T63动力延伸预报和动力—相似制作500hPa环流形势和距平预测,从1998年开始用T63动力延伸预报制作月降水距平百分率预测。从2005年开始,国家气候中心在全国推广气候数值模式产品的解释应用技术,我省于2007年开始进行气候数值模式产品的解释应用研究,并应用到日常的短期气候预测业务之中。
我省气象事业虽然取得很大成就,但在发展过程中依然存在着一些问题和不足,与全面建设小康社会和服务海峡西岸经济区的需求不相适应。主要表现在:一是天气预报技术在整体上还没有完全向以数值预报为基础的现代天气预报制作技术转变,数值天气分析预报产品解释应用水平不高。自动气象站、卫星、雷达、风廓线、GPS/MET和闪电定位等新观测资料在天气预报业务中的有效应用不足。突发灾害性天气的预报能力不强,天气预报的精细化程度不高,还没有足够能力作出时效较长的定点、定时、定量的客观预报。二是气象科研与创新能力还不够强,气象科技总体水平与发达省份相比仍有一定差距,高水平科研成果不多;部分研究没有能够紧扣业务实际需要,成果转化率不高。三是高层次人才、一线高级专门人才和管理人才缺乏,人才队伍建设尚不能满足科研水平大步提高和业务能力大步加强的要求。
发展思路:以科学发展观为指导,以公共气象服务需求为牵引,依靠科技进步,大力发展具有本省特色的中尺度数值预报技术,开展集合预报,发挥预报员主观能动性,提高天气气候预报预测准确率和精细化水平,充分发挥我省气象事业在全面建设小康社会和建设海峡西岸经济区中的重要作用。
发展目标:以提高天气预报、短期气候预测准确率为核心,建立精细化、无缝隙的气象预报预测体系。广泛释用气候系统乃至地球系统模式等产品及集合预报产品,建设具有国内先进水平的气候变化监测、预测和影响、预估业务体系;发展具有本省特色的中尺度数值天气预报技术;研制基于集合预报的灾害性和高影响天气中短期预报方法;建成定量的灾害性天气临近预警、预报业务系统,在天气雷达业务、台风预报、海洋气象服务等领域达到国内先进水平。
3.2.1数值天气预报向精细化、集合化方向发展
业务数值天气预报将获得快速发展,更多的遥感、遥测资料得到有效的同化应用。云物理、陆面和边界层过程等在模式中的表达将更加仔细,对中尺度对流系统有预报意义的数值天气预报成为可能。预报时效和准确率将进一步提高。超级集合预报技术、海陆气耦合数值预报系统将获得快速发展,数值天气预报的有效可用天数进一步延长。
3.2.2天气预报向定量化、精细化、无缝隙方向发展
随着精细的快速分析预报和解释应用技术的发展,更加精细的气象要素预报成为可能。多种观测资料融合技术的发展,将明显推动临近预报技术的进步,使临近预报具有多种强对流天气的识别和预报能力。资料融合和外推技术与数值预报技术的结合,以及快速资料分析预报系统的发展,使客观定量的短时预报业务成为可能。延伸期预报技术的发展有可能使某些天气过程的预报时效延长。天气预报将在无缝隙化方面取得重要的进展。
3.2.3气候监测诊断向定量化、多领域发展
气候监测诊断是福建气象业务中一个重要的组成部分。通过对气候系统的动态监测和分析,揭示气候变化的基本事实,对气候变化和气候异常作出判断。
通过实行实时和历史气象资料的有机衔接,加强卫星、雷达、自动站、闪电定位仪等新型气象资料的监测分析处理工作,建立极端天气气候事件业务监测体系,逐步实现跟踪监测—预警—预评估—评价的定量化业务流程,提高气候变化、评价工作的时效性和公益性。此外,为应对气候变化,加强对大气、海洋、陆地、冰雪圈和生物圈组成的气候系统在各种不同时空尺度上的有关监测,逐步实现监测动态内容向多领域拓展,提高应对气候变化的综合评估能力。
3.2.4气候预测向数值化方向发展
由于短期气候预测的复杂性,许多问题还没有根本解决,目前我省的短期气候预测还处于不断探索和试验阶段,使用数理统计和物理统计方法制作月、季、年及以上尺度的气候预测是当前短期气候预测业务的主要依据。随着动力数值预测模式的发展,在研究月、季时间尺度的动力气候模式、模式产品释用技术以及物理统计预测模型、方法的基础上,实现动力模式预测产品和物理统计模型相结合,并逐步向数值化方向发展。
天气气候预报预测要深化对福建省天气气候及其变化规律的研究,大力推进气象科技创新,研制客观化、精细化的天气预报技术和方法,发展具有全国先进水平的现代气象业务,增强气象对经济社会发展的服务功能,为海峡西岸经济区建设及我省的社会经济发展提供强大的气象科技支撑与服务保障。
4.1.1发展具有本省特色的中尺度数值天气预报技术
通过以变分同化为主导的资料同化技术,使卫星、雷达、风廓线及GPS等大量的遥感、遥测信息和加密观测信息在数值天气预报业务模式中得到应用。
优化和发展福建省中尺度数值预报模式,模式分辨率由10~30千米提高到5千米,特殊需要时水平分辨率可达到1千米;并能够有效反映我省下垫面的中-g尺度细致特征。
根据不同模式和不同物理过程预报的系统性误差及分布特点,采用动力统计技术,构造反映模式预报误差特点的动态集合权重函数,建立多模式、多物理过程产品集成方法。
发展具有动力学意义,基于集合预报的概率预报方法,开发集合平均、离散度、概率预报、集合分类等产品;利用统计方法对集合预报产品进一步加工与释用,直接预报天气要素值及可能变化范围;将集合预报作为其它专业模式的气象背景场资料,形成衍生的专业气象集合预报产品。不断发展与拓展集合预报应用技术与方法。
4.1.2加强短时临近强对流天气监测预报业务
中尺度灾害性天气监测业务。开发天基、空基、地基遥感遥测信息以及其它观测信息在天气及相关灾害监测中的综合应用方法,发展和优化针对监测对象的天气及相关灾害监测系统,提升监测业务与服务的及时性与准确性。高影响的中尺度灾害性天气监测率达到90%以上。
临近预报业务。建立定量的灾害性天气临近预警、预报业务系统。充分利用气象卫星、多普勒天气雷达及自动气象站、风廓线仪等观测信息以及多元资料融合系统提供的高分辨率格点分析资料,密切监视天气系统演变,研制以天气雷达和地面自动观测信息为主,客观、定量的临近预报技术方法。滚动制作0~2小时天气,尤其是台风、突发性暴雨、龙卷、冰雹、雷暴、大风、下击暴流、风切变等恶劣天气及相关灾害的临近预报和警报。
短时预报业务。逐步建成精细短时预报、预警业务系统,在对各类天气及相关灾害的发生发展机理充分认识的基础上,以新一代多媒体、多功能、可视化人机交互预报制作系统为工作平台,以天基、空基、地基观测资料以及数值预报产品为基础,应用天气学及相关科学对各种信息进行综合分析,实现对12小时内天气及相关灾害的移向、移速、影响范围、持续时间、强度变化等的精细预报和预警。
4.1.3建立精细化的中短期天气预报业务
气象要素预报业务。常规气象要素预报走客观化、定量化的发展道路,以数值天气预报产品解释应用为基础,制作精细化的气象要素预报产品,预报水平进一步提高,能对8天内任何地区的常规气象要素做出精细预报。
发展各类灾害性天气预报业务系统。开展各类灾害性天气的特征物理量统计分析研究,建立具有普遍意义的灾害性天气预报模型和灾害性天气预报指标体系。开发基于模式输出的“配料法”(或叠套法)灾害性天气落区的客观预报产品。在对灾害性天气的发生发展机理充分认识的基础上,加强各类常规和非常规观测资料以及数值预报产品的综合分析。大力发展灾害性天气落区、强度等级的集合预报和概率预报技术。
建立气象灾害及次生灾害预警业务流程,综合利用雷达、卫星、自动气象站、闪电定位等观测资料以及中短期、短时临近预报产品,结合各种不同等级气象灾害的临界气象条件指标,建立气象灾害客观预报模型。制作多种时效的气象灾害预报产品。实现气象灾害发生的时间、地点、强度等的预报和危害程度的预评估。
发展热带气旋预报警报业务。坚持引进和自主开发相结合,建立台风预报技术支持系统,包括台风历史资料库、实时资料库的建立,台风路径、强度及风雨影响程度的预测技术方法的研制等等,不断提高台风预报水平。
4.1.4建设具有现代化水平的短期气候预测和气候变化预估及其影响评估业务体系
短期气候预测业务。研制建立月、季、年短期气候预测和干旱、洪涝(暴雨)、台风、冷害等重大气候灾害的客观预测方法,重点发展以物理统计和动力数值模式产品释用技术方法,提高预测水平,并进行滚动订正。
气候变化预估及其影响评估业务。应用我国研制和发展的气候系统模式的预测产品,研究我省未来50年的气候变化趋势,对社会经济敏感领域和区域影响进行预估。引用我国研制和发展的气候变化影响评估模式系统,研制开发适合我省的气候变化影响评估模式系统,建立旱涝、台风、冷热害等重大气候灾害和气候年景的客观评估方法。为我省国民经济布局、大型工程项目、区域开发、环境保护政策的制定、生态建设等重大决策提供科学咨询。与此同时,做好以气候资源、气候灾害评估、气候安全等为主要内容的气候变化影响评估工作。
4.2.1着力培养新型的天气预报专家
随着数值预报水平的逐渐提高,其在天气预报中的作用将越来越大。然而,观测误差、模式误差和大气系统的非线性特性,以及地形及陆面状况各有特点,数值预报不可能绝对地预报准确,所以预报员永远是天气预报的主体。在新的预报技术条件下,提高预报技能要坚持走以研究总结为支撑、不断在业务实践中积累新型预报经验的道路。预报员既要随时跟踪了解对数值预报产品定期的统计检验结果,更要通过在实际预报工作中加强应用经验积累和不断进行总结提炼,以把握各种数值预报产品的性能,积累数值预报产品释用经验。通过对不同类型、不同地域天气的深入研究,加强对不同天气发生发展物理规律的认识,从而提高数值预报产品的应用能力,减少盲目性、增强针对性,要把预报员培养成为能对数值预报结果进行正确修正的新型天气预报专家,成为能在不断实践中总结提炼科学问题、进行科学研究、提高对大气运动规律的新认识的预报科学家。
4.2.2大力推进气象科技创新
要加强对预报员的新技术、新方法、新产品的应用培训,加强预报员的技术总结和经验交流,加强省、市预报员骨干到高一层次预报中心短期工作训练。立足我省实际,从适应建设海峡西岸经济区的战略需求出发,依托福建省中尺度灾害性天气预警系统、福建沿海和台湾海峡气象灾害监测预警服务系统等重点项目建设,吸收消化国内外最新科技研究成果和技术,以福建天气、气候科技研究为重点,建设海洋气象、天气雷达产品应用等具有福建区域特色的气象科技创新平台,提高我省气象科技创新能力。
加强科研与业务相结合,实现气象科技创新主体与气象业务技术的良性互动。建立并完善科研成果转化的业务检验、业务准入机制,强化科研成果的业务化应用,保证科研成果业务应用的有效性和科学性。进一步创新气象预报与信息服务产品种类、形式和服务方式,提高预报精度、时效与服务质量。
4.2.3大力加强预报员队伍建设
建立科学合理的选人、用人标准,积极引进具有一定学历和较高综合素质的人才充实到预报员队伍。建立有利于预报员队伍稳定及在预报岗位上发挥才能的良好机制,保证预报员安心致力于预报业务工作,避免优秀预报人员的流失。加强预报员岗位交流,组织预报员到先进国家的预报业务机构学习进修,促进国家级与省级、省级与地市级预报员的交流,促进预报员综合素质的提高。
4.2.4加强国际国内合作,突出闽台气象科技交流
适应世界科技快速发展和经济全球化的趋势,针对建设海峡西岸经济区的战略定位,瞄准气象科技发展的方向,整体提升气象国际国内合作能力,加强国际国内特别是与台湾地区的合作与交流。制定有利于国内外合作与交流的政策和计划,积极派员参加国际气象科技及相关学术交流和培训,发展双边气象科技合作。深入开展闽台气象科技交流,积极推动气象实时资料共享,建立闽台气象科技研究计划。
课题组成员:
1、林新彬,福建省气象局副局长,高工。
2、刘爱鸣,福建省气象台副台长,正研级高工。
3、许金镜,福建省气候中心总工程师,正研级高工。
4、池艳珍,福建省气候中心短期气候预测科科长,高工。
* 第一执笔人:林新彬,福建省气象局副局长,福建省气象学会副理事长,福建省科协第七届委员会常委,高级工程师。