气候预测

如果把这两个作用相等的时间称为τ 0 ，即在τ 0 之前大 气初始场起主导作用，而在τ 0之后热流入量起主导作用。据 穆萨耶良的研究，波数为1，2，3波的τ 0分别为162、54及27 天，4波的τ 0剧减到16天，5波为11天，6波则只有8天。这就 是说超长波 (1,2,3波为主)的初始场影响可达1个月。 所以，有人认为大气的记忆力约为1个月，再长时间对初 始场就没有什么记忆力了。换句话说，,1个月以后就要看重 研究热入流量的影响了。这个结论与用数值模式作气候预测 的实践完全一致。现在，作月平均环流预测，还可以勉强用 AGCM积分，但是作季预报，就不得不采用耦合模式了。只有 作平均环流预报才可能超越2~3周的可预报性界限。因此，作 平均环流预报是气候预测的基础。而超过1个月下垫面的物理 状况的变化也必须考虑，这显然不能再仅限于用AGCM 。
一般来讲，低分辨率模式只有较大尺度的误 差，高分辨率模式有小尺度的误差。用高分辨率 模式可以较好地描述小尺度运动，使小尺度预报 的时间增长；然而小尺度的误差也会使得大尺度 运动出现误差，稍大尺度的误差又会造成更大尺 度的误差，这样下去，随着时间的增长，误差会 逐渐波及到大尺度。同样，大尺度上的误差，也 会在小尺度上引起误差，最后在全域出现误差。 这种误差的传递特性，可能是在长期预报中可预 报性同模式分辨率关系不是很大的原因。
3. 支配大气运动的因素 大气的运动由于与地面的外摩擦及大气内部的内摩擦不断 地消耗大气的动能。如果没有能量来补充，大气的动能将在5 天之后耗尽。而实际上大气从来也没有停止运动, 说明大气不 断地得到能量的补充。大气运动的能量主要来自地表，这包括 海上、陆地向大气的长波辐射，感热与潜热的输送增加了大气 热能，热能转换为位能。位能中可以释放出来的部分称为有效 位能，有效位能转化为动能。所以，大气运动的能量来源是地 表对大气的加热。
数值模拟研究表明，大气对外强迫的响应是造 成一定形式的大气环流和气候异常的重要原因。外 强迫可预报性问题不仅有外源强迫与大气系统间的 相互作用，也包括大气中的非线性相互作用。在研 究方法上，既可以通过观测资料的统计分析，也可 以进行数ห้องสมุดไป่ตู้模拟试验。
2.动力可预报性
“确定性（预报）可预报性”实质上就是指动力 可预报性。
第六章
气候预测
气候变化及其原因都十分复杂。气候变化的信 号又同气候“噪声”混在一起，而且“噪声”还会 随时间增长，这就存在着能不能预报未来气候的问 题，或者说能够在多大程度上预报未来气候，也就 是气候的可预报性问题。
§1. 大气运动的可预报性 §2. 气候的可预报性 §3. 非线性动力系统与可预报性 §4. 月平均环流预报 §5.中国汛期降水预报
根据统计学原理，考虑等时间间隔的离散序列x(t) 和y(t)，其预报量y(t1)具有一个先验（气候性的）概 率分布；若给定了一种前提状态，还应有一个后验概 率分布。当且仅当先验概率分布和后验概率分布恒等 的时候，把y(t1)称为不可预报的；若这两种概率之间 有一定的差别，则称之为部分可预报的；当且仅当后 验概率退化成必然事件时，y(t1)才被称之为完全可预 报的。
§2.气候的可预报性
从预报的角度出发，大气运动可分3类： (1)运动主要决定于初始条件，故可从初始条件外
推；
(2)运动几乎完全与初始条件无关，故可不考虑初
始条件作预报；
(3)距初始时刻相当远，初始条件不可能完全决定
最终状态，但初始条件的影响又没小到可以忽略不
计的程度，这是最难预报的；
Lorenz把气候的可预报性分为两类： 第一类是初始误差（扰动）随时间的增 长问题，直接与大气统计性质的预报有 关，主要表现为按时间顺序预报气候状 态的可能程度； 第二类是指外强迫发生变化后，气候变 化的模拟和预报能力。
4. 预报准确率 可预报性的另一个方面是预报准确率，它是指在多大程 度上我们可以对气象要素进行预报，也就是说对某一气象要 素的预报，我们最多可以得到多少正确的信息。 先看月平均环流预报，冬季、北半球1个月预报，相关系 数在0.35-0.4之间，即大体相当准确率65%-70%。但是全年、 全球预报，则相关系数只有0.20-0.25，即大体相当准确率60% 左右。用统计方法做月或季气温与降水量预报，气温预报的 准确率在60%-65%之间，降水预报准确率较低，在55%-60% 之间。我国汛期降水量预报，准确率约在55%-60%之间，与 国际上的水平相比较应该是较高水平了。
一、从月延伸预报到季度预测
延伸预报 (DERF)是指动力学预测气候的方法。
美国早在1955年首先将数值天气预报实现业务化。经过几 十年的努力，预报模式有了根本的改进，以500hPa高度日距平 与实况的相关系数达到0.6为预报有效的标准。 欧洲中心的预报时效已达到10天中期数值预报的目标。仅 在80年代的十年间就从4.5天提高到7.5天，十年间提高了3天。 从而鼓励人们用中期数值预报模式作更长时间积分，报未来1个 月的大气环流状况 。 短期气候预测主要业务是预报月、季降水和温度，一般以 统计方法为主，但现在越来越多地采用动力学方法或二者兼顾 ，目前预报的总体水平还不高。虽然各国也在大力提高月延伸 预报的水平，进行了大量的数值试验，但近来效果并不明显， 月延伸预报的水平还远未达到可以发布业务预报的水平。
气候系统是一个非线性耗散系统。
一、非线性动力系统的基本性质
1.平衡态及其稳定性
质点的空间位置和速度组成的平面称为相平 面。在相平面上，使质点速度和加速度为零的点 就是奇点，也称平衡点。此时系统处于平衡态。 当系统受到扰动，离开平衡位置后，其对应的线 性扰动方程组有特征矩阵，若特征值的实部小于 零，则平衡态是稳定的，反之亦然。
2. 吸引子 对于三维自治动力系统，若三个特征值皆为负， 其平衡点叫做吸引子；三个特征值都为正，其平衡点 称为排斥子。吸引子可分为定常、周期、准周期和奇 异吸引子。 3. 分岔和突变 当系统的参数连续变化时，在某一个(临界)点， 运动会由一个稳定态变为几个稳定态和不稳定态的现 象称为分岔。通常分为叉形分岔、切分岔和Hopf分叉。 当系统的参数变化时，在某一特殊值时，运动由 一稳定态跃变到另一稳定态时的就发生了突变。
二、可预报性与空间尺度
动力学不稳定和非线性相互作用产生了对大气 流型的确定性预报的限制，即出现了可预报性极限。 试验结果表明，中纬度地区确定性可预报性的极限 对天气尺度约为2个星期，对行星尺度约为4个星期。 也就是说，确定性可预报性的极限同空间尺度有密 切关系，对于1个星期的时间来讲，大气环流的细微 结构是不可预报的，但一些大尺度分量却仍是可预 报的。
气候状态是大气运动与外强迫共同作用的产物。 外强迫的改变，尤其是一些持续性的外强迫异常，必 然使大气环流和气候状态发生变化。对第二类气候可 预报性问题，一般都用数值试验，看模式大气对外强 迫源的响应及其敏感性。
一般地，可把长期气候变化分为自然变化和外源 强迫的影响。自然变化由各种各样的条件（包括外界 条件）所决定，其原因复杂，其规律性难以掌握。但 若能搞清某种外强迫（如大气中CO2 含量加倍）所造 成的影响，对气候变化及预报也是有意义的。
大气的运动受两个因素支配：大气的初始运动场和不断地 向大气输入的能量。对这两个因素的作用进行评估，认为这两 个因素的影响与大气运动的尺度有关。运动的尺度愈大，初始 场影响的时间愈长。如何来估计大气运动的尺度呢？可以从波 数来判断。一般认为波数1~ 4为超长波，5 ~ 8为长波，8以上为 短波。然而，对于任何一种尺度，大气初始场的作用总是随时 间而减弱，输入的能量即热流入量的作用则总是随时间而增强。
英国气象局1963年开始正式对外发布月预报，1980年底 到1984年中断了对外发布，但仍保持试验研究工作，1985年 底恢复了对外服务。美国气候分析中心(CAC)采用动力和统计 相结合的方法进行月预报，美国国家气象中心(NMC)和欧洲中 期天气预报中心(ECMW) 用动力延伸预报方法预报未来一个月 的平均环流形势。 以前我国气候预测是用非定常的地气耦合距平模式制作 30天预报试验, 结果表明模式预报效果优于持续性预报和随 机预报。另外，用全球T63L16模式进行动力延伸预报试验， 计算12次预报的距平相关系数的平均，前10天、中间10天、 后10天分别为0.54、0.17、 0.16，表明模式预报有较好的预 报技巧，特别是对前10天的预报效果较佳，月平均大致为0.3 左右。而1991年6月世界气象组织也在关于长期天气预报现状 的声明中宣称当前动力学延伸预报在15天以后就没有什么技 巧了。
1.第一类气候可预报性 第一类气候可预报性实际上就是关于确定 性预报的时效问题，预报时效超过极限时，因 误差太大预报将毫无疑义。初值的确定不可避 免地会产生误差，而误差一定是随时间增长， 并会向低频谱段传播，从而使局地误差变为全 局误差，气候状态因此而发生变化，预报只在 某时段内是确定的。
2.第二类气候可预报性
动力学可预报性和外（边界）强迫可预报性的提 法比较多，它们也是大气可预报性的两种基本分类。 1. 外（边界）强迫可预报性
小误差随时间增长，导致预报失败的主要原因是 动力学不稳定和非线性相互作用。在固定边界条件 下，初始条件对一个月以上的时间尺度已没有可预报 性，更长时间的可预报性主要依赖于缓慢改变的边界 条件。随着外强迫（SSTA、CO2）对大气环流和气候 异常的影响问题的突出，就产生了外（边界）强迫可 预报性问题。
§3.非线性动力系统与可预报性
自从Lorenz在一个简单的确定性非线性耗散 系统中发现混沌现象以来，非线性动力学在数学、 物理、化学、生物学和地学各个领域都进行了研 究。随着系统参数的变化，非线性动力系统的解 有稳定和不稳定两类，在某些奇异点出现分叉和 突变现象，原来的周期解会变为非周期解，最后 成为混沌状态。
（二）内部可预报性和外部可预报性
还有内部可预报性和外部可预报性之说，应分别 属于动力学可预报性和外强迫可预报性。 （三）经典可预报性分析和量子可预报性分析
另有经典可预报性分析和量子可预报性分析，可 以认为是针对动力学可预报性问题研究方法的研究。 大气可预报性同运动的时间尺度和空间范围（包 括地理位置）有密切关系，便有气候可预报性、行星 尺度和天气尺度可预报性以及局地可预报性和总体可 预报性，还有平均可预报性和瞬时可预报性。