数值天气预报应用问题

数值天气预报
——天气预报水平持续提高的最根本的科学途径
李泽椿陈德辉王建捷
1引言
数值预报以其能够反映大气物理规律的优势，已成为当今气象工作者进行天气分析和预报的基础。

尤其是最近10多年来，气象科学以及地球科学的研究进展，高速度、高容量的巨型计算机及其网络系统的快速发展，有效地推动了数值预报的发展。

在这一发展过程中，一方面，数值预报水平和可用性在大大提高，有参考意义的天气形势预报目前达到5—7.5天，我国全球预报模式的可用天数大约是6天，24—48小时预报的相关系数可达90％以上；另一方面，也使制作有意义的时间、空间上更精细的数值预报成为可能。

然而，我们仍然要看到，观测误差、模式误差和大气系统的非线性特性，使得数值预报结果的不确定性和预报误差的存在是不可避免的。

因此，如何应用数值预报产品，即能否科学、合理地从大量的数值预报结果中提取出有价值的信息，是在天气预报中能否真正以数值预报为基础和有效发挥预报员作用的关键问题，直接影响预报效果和精度。

在回顾我国数值天气预报发展历程和展望未来的时候，我们更在思考数值预报应用问题，期望通过探讨适合我国预报业务特点和适应不断拓展的预报服务需求的科学预报途径，为我国数值预报的开发与业务应用向健康、协调方向发展和推进提供一些有益的思路。

5对我国数值预报开发与应用问题的若干看法
5.1数值预报应用中存在的问题
从80年代初期接收ECMWF数值形势预报产品开始、到90年代以后有了产品较为丰富的我国自己的全球和区域数值预报，数值预报产品的应用问题始终挑战着广大气象工作者、特别是在预报服务第一线的预报人员。

我们可喜地看到，经过多年的不懈努力和实践，伴随着数值预报水平的提高，数值预报产品的应用也积累了不少经验并在各级台站的实际预报中取得了一定成效。

但是也需认识到，当数值预报技术和业务深入发展的今天，面对新的和日益丰富的数值预报产品，数值预报的应用现状并不理想，存在的问题日见明显；在预报业务中，数值预报应用工作的进展缓慢和难以深入。

这些问题解决不好不仅影响当前，而且影响长远，即可能造成提高预报准确率的后劲不足。

分析认为，当前数值预报应用中的问题主要表现在以下几个方面：
（1）数值预报的使用方法陈旧、单一
虽然与80年代初期（当时仅能得到很少的数值预报产品，如500hPa高度、海平面气压）相比，目前国家级及省地气象台能得到的数值预报产品（如，从地面-10hPa各标准等压面的温度、高度、湿度、风，多种物理诊断量等）已是相当丰富，但是数值预报产品在预报流程中的使用方法与当初相比却没有太多改变，基本上还停留在把数值预报直接当作天气图来使用的阶段。

诚然，天气图是制作天气预报最基本的图表，它包含了许多有用的实况信息、是天气学理论的直接表现，对天气预报的制作有着不可磨灭的历史作用和现实作用。

但是，作为对3维大气的描述，天气图的方式有它的局限性：只给出了大气中几个代表层的情况和描述大气基本特征的要素，因而主要表达了大气的2维基本特征（即水平特征）。

在目前的预报流程中，把数值预报直接当作天气图来使用还是相当普遍的，对物理诊断量的应用也比
较定性和方法单一。

这样的使用方法一方面影响了从3维大气整体变化特征和大气物理过程演变的角度来进行预报思维，另一方面也使数值预报提供的大量有价值信息不能得到有效和充分的利用。

（2）对数值预报产品性能的把握和深刻理解还不足
目前，在使用数值预报产品的过程中，缺乏对数值预报产品性能的把握和深刻理解是影响应用效果的主要问题之一。

由于未能深入地（结合天气系统特点、地域特点、季节特点等）分析数值预报的误差、掌握其性能，因此在数值预报产品的使用中常常出现或是依赖或是拒绝的现象。

而事实上这种依赖或拒绝都存在盲目性，不仅对有效利用不同产品的优势不利，而且影响预报技能的提高和经验的积累。

另外，在从大量数值预报产品中有针对性地提取有价值的信息方面，还有随意性和盲目性，如：还不能很好地就不同预报问题来选择和重点分析相关数值预报图和物理量。

这与对天气系统发展的物理认识和对数值预报产品表达的物理意义的理解还不足是有关的。

大气中不同物理过程的演变其外在表现特征是有差别的，或者说是通过不同物理参量的特征来反映的，若不能针对具体问题分析和应用数值预报产品，就不易抓住大气演变的主要特征和矛盾，势必影响预报的准确性。

（3）预报平台——可视化工具相对落后
在已经能够得到大量4维（3维空间+时间）数值预报产品的时候，支持预报员工作的平台将这些数据展现给预报员的方式仍主要是2维平面图，业务用的可视化工具远不能满足将预测数据以直观、生动、多角度的方式展示出来的业务要求，即还不能实现对反映大气空间运动和时间演变的数值预报结果的高质量可视化，给出大气环流和天气系统立体的结构及动态变化的逼真描述。

可以说，相对落后的可视化工具在一定程度上限制了预报员思维空间的扩展和对大气变化过程的物理理解。

5.2 适合我国预报业务特点的预报思路和途径
（1）挖掘数值预报的潜力，中西产品结合、扬长避短
数值预报有着坚实的物理基础，它是实现预报客观化、定量化、自动化的重要途径，存在着改进预报水平的巨大潜力。

80年代以来，我们先后接收欧洲中期天气预报中心、美国国家气象中心及日本气象厅所发布的数值预报产品，最近还接受德国、英国的数值预报产品，这些产品在各级气象预报台得到了较好的使用。

但是，它们所能提供的预报产品在数量上和时效上都远不能满足气象预报业务发展及拓宽预报领域的需求，这些单层次、单要素产品对完整描述大气结构及变化显然是不够的。

如果仅仅依赖别国的数值预报产品我们就会十分被动。

因此，我们既不排斥国外的产品，更要立足于积极、努力地从大量的我国自己的数值天气预报产品中挖掘反映3维大气变化的物理信息，做到中西产品结合、掌握各种产品性能、扬长避短。

（2）对数值预报产品进行“无缝隙”应用
面对越来越多的数值预报产品，在有限的预报制作时间里，对数值预报产品去粗取精、有的放矢地使用的确不时一件容易的事情。

不同尺度数值预报系统侧重于不同时空尺度的大气过程的预报问题，因此建议， 对于短时-短期预报，可以更多地应用中尺度/有限区域数值预报产品，重点分析和掌握中尺度模式系统对气象要素及其短时变化的预报性能。

对于短期-中期预报，2-5天以应用全球中期数值预报产品为主，特别注意把握中期数值模式系统
对大尺度环流的变化、调整和大范围降水的发生发展的预报性能；而6-10天可以把重点放在对中期集合预报产品的应用上，以分析和预报大尺度环流和大范围降水发展演变的可能性（即概率）为主要目标。

对于10-30天预报，虽然目前还主要是统计经验方法，但未来应该建立在发展以反映大气物理规律的动力延伸预报基础之上。

使“无缝隙”天气预报建立在对数值预报产品“无缝隙”应用的基础之上。

（3）以研究总结为支撑积累新型预报经验
随着数值预报水平的逐渐提高，它在天气预报中的作用会越来越大。

然而，观测误差、模式误差和大气系统的非线性特性，使数值预报永远不可能绝对地预报准确，所以预报员的作用总是可以发挥的。

在新的预报技术条件下，提高预报技能不能再靠过去“媳妇熬成婆”——化长时间积累天气学经验的途径，而应该走出一条以研究总结为支撑、积累新型预报经验的道路。

即通过随时跟踪对数值预报产品规范、定期的统计检验结果，更要通过在实际预报工作中加强观察意识和不断进行总结，来把握各种数值预报产品的性能，积累数值预报产品应用经验。

尤其是中央台预报员，要通过对不同类型、不同地域、典型代表区天气的深入研究，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质量，减少盲目性、增强针对性，成为拥有丰富数值预报应用经验和天气学经验、物理概念清楚、能对数值预报结果进行正确修正的新型天气预报专家。

（4）对中尺度数值预报的制作和应用的组织方式的思考
按照数值预报业务体制，国家气象中心承担多种数值预报系统（全球、台风、区域/中尺度、集合预报等）的改进开发、运行和产品制作任务，区域气象中心有条件的亦可进行局域或中尺度模式的运行和预报制作工作。

目前，中尺度数值预报的制作也在向一些省/地气象部门扩展。

这种中尺度数值预报分散制作情况的出现与多方面因素有关，如社会经济发展对地方气象预报和服务也提出越来越精细（定时、定点、定量）的要求；国家级及国外数值预报产品时空分辨率不足以满足地方开展精细预报的需求；受通信瓶颈影响，国家级只有少量中尺度数值预报产品可以实时向下分发和传输；地方财政对气象科技可以予以一定支持等。

分析认为：这种情况是特定环境的产物，是一种过渡现象。

一方面它对资源的有效利用可能是不利的，会在一定程度上存在资源浪费、工作低水平重复等问题，另一方面也可能在当前气象服务方面发挥一定积极作用。

我国幅员辽阔，但经济基础还比较薄弱，特别是专业技术人才还相当缺乏。

因此，从长远来看，还是应该遵循集约化、科学化、不搞重复建设的原则。

合理分工、职责分明，才有可能集中有限资金、有限人才，攻克技术难点。

可持续发展的中尺度数值预报的开发和应用方式应该是，集中研发和制作中尺度数值预报、分散进行应用开发。

具体来讲就是，国家级负责中尺度数值预报技术的开发和中尺度数值预报业务产品的制作；省级气象部门则结合地方特色重点进行中尺度数值预报的应用研究与开发，比如：开发空气污染气象条件、城市/森林火险预报等环境气象预报；开发数值预报产品解释应用方法等。

逐步形成数值预报开发与应用有机联系、互动互进的良性发展机制。