中短期数字化天气预报技术现状及发展趋势研究

平凉市气象局 张鑫

作为传统天气预报业务的重要内容之一，中短期预报业务具有发展时间长、基础好、成熟度高等方面的特点[1-2]。在新形势和客户需求不断变化的情况下，中短期数字化天气预报技术存在定量化和精细化水平有限、预报员工作强度增加和准确率提升缓慢等方面的问题，对中短期预报业务技术体系发展中有一定的制约作用。因此，需对中短期数字化天气预报技术体系不断进行完善。

一、中短期数字化天气预报技术现状

（一）数字化预报技术流程

2014年中国气象局预报司指出了我国预报业务产品在适应气象服务需求方面的能力相对较弱，为了尽快解决该问题，需要将站点预报、确定性预报分别朝着格点预报以及概率预报进行转变的发展思路。经过多年的发展，各级气象业务单位相继建立起了具有数字化特征的中短期天气预报技术流程，主要包括了数值模式系统、客观解释应用方法、预报主观编辑制作和精细化格点的处理。其中中短期预报业务的基础是数值模式系统；在海量及历史预报和观测数据的基础上，对消除预报误差和提取的有效预报信息进行客观解释[3]；预报人员则根据自身掌握的理论知识和经验，将站点、格点、灾害区产品制作时选用主观编辑工具，使得气象预报准确率不断得到提升；最后，在精细格点处理程序后，可以获取到具有高时空分辨特征的精细化格点产品。

（二）数值模式系统提供基础

数值模式的不断发展为增强中短期天气预报的精准度奠定了基础。我国的预报人员在业务中可以结合国内外最先进的全球模式产品，如欧洲中期天气预报中心的全球模式空间分辨率达到9km/137层；我国的T639模式也达到了20km/60层，且数值预报能力不断增强，我国的T639模式的预报时效性在6.5d左右，而全球确定性模式则达到了8-9d。另外，2016年我国自主研发的GRAPES全部模式系统进入业务流程，通过对我国区域的降水预报进行个例检验评估，其准确率要高于T639模式系统。尽管我国中短期业务预报能力随着全球模式预报性能的提高而不断增强。但是针对春季和夏季的中小尺度灾害性天气频繁出现，其一直是气象部门预报的重点和难点。根据相关因强降雨等引发的洪涝或山体滑坡灾害，显示模式、T639预报模式等存在漏报的情况。这些例子在预报业务中经常出现，说明在开展中短期天气预报的过程中，若是单纯通过全球模式还有一定的局限性。为了提升对中小尺度天气的业务预报能力，各国都将重点放在了高分辨率业务模式的发展上，例如美国天气研究和预报模式WRF、英国业务化的UKV对流模式、日本非精力中尺度模式。我国也发展了GRAPESMeso中尺度模式，该模式可以对过程的发生发展情况进行较好地描述，但是针对极端强降水、受地形影响的强降水等，其预报能力有一定局限性。另外，华北和华东区域的WRF模式、华南区域的GRAPES-TMM都得到了建立和业务运行，但是研发应用中还没有完全形成合力，使得业务支撑能力严重不足。

（三）客观解释应用方法提取预报信息

客观解释应用方法的不断发展加强，方便了气象部门从海量预报数据中心对预报信息进行有效提取的能力。自多中心业务数值模式引进以来，特别是集合预报系统业务化的应用，使得传统以模式双输出统计方法为主的客观预报技术已经不能满足业务应用需求。需结合不同业务发展需求，对新的客观预报技术方法进行研发，以快速、有效地对海量模式预报数据进行提取和订正，降低预报系统误差，增强预报准确率，使灾害性天气预警能力得到提升，在解放生产力的同时，还能确保预报人员从更高层面对预报信息进行使用。近年来，我国通过对气象现代化加强建设，使得台风、强对流、暴雨、高温、冻雨等灾害性天气的客观预报技术方法得到了快速增强。如国家气象中心与福建省气象台联合开发的“台风路径集合预报订正方法”，通过不断发展完善，可以对预报信息进行有效提取。

如在暴雨天气预报过程中，国家气象中心对4种可观QPF技术的的发展引进，使其得到了广泛应用，但纵向深入需进一步加强。相关研究结果表明，在多中心海量模式数据的基础上，对统计处理技术进行应用，可使天气预报准确度得到有效增强。美国等西方发达国家都对客观释用技术进行了研发，通过对海量模式预报数据进行利用，使用最优权重进行指定或计算，可以确保提取的预报信息更为有效。相较于我国来说，对客观释用方法深入到业务应用中，还有一些差距存在，主要表现在：预报信息集成度不高，以单模式或几个模式预报为主，很难对确定性和集合预报提供的海量信息进行充分利用；很难满足长时效和多类型的预报需求，针对同类型灾害天气的预报方法，其发展水平层次参差不齐；传递不确定预报信息有限。

二、中短期数字化天气预报发展趋势

（一）提高数值模式系统的支撑作用

开展中短期天气预报主要以全球数值模式系统为主，为了增强模式的预报性能，各个国家的业务中心都在采用各种方法和手段。除了全球数值模式外，需适当改善中小尺度天气的预报技巧。Roebber等指出，当前，需要对高分辨数值模式和集合预报系统进行发展，前者主要是开展精细化天气预报，后者则及时提供不确定气象信息的预报。采用结合模式预报，可使预报精细化水平得到增强。通过相关调查结果表明，低分辨率的集合模式要高于单个高分辨率模式，且包含有很多预报技巧。结合预报根据自身优势，可为受众群体提供概率预报，确保用户决策的科学性水平。另外，需对模式的再预报技术进行发展，为可观预报技术方法的应用奠定良好基础

（二）发展主观和客观融合预报技术及工具

结合我国现状，因数值模式的不断发展和完善，预报员对可观方法的深入应用，可为产品提供附加值，但同时还会受到一定的制约。为了对预报员工作中存在的问题和误差进行解决，需要积极发展将可观与主管进行结合的预报技术和相关预报工具。为方便预报员正确订正误差信息，需保证预报订正平台的智能化特征。在完善预报订正平台的过程中，可以快速分析和研究海量的数据信息。同时还能对多种预报产品及时进行调整，为预报订正和智能化水平提供良好的基础。技术工具需具备支持影响预报的功能，以对预报员相关工作的开展进行协助。预报产品是未来最为重要的工作内容，可以进行预报或者预警提示。因相关基础数据和技术支撑不足，即使预报准确率较高，也很难确保发布的影响预报具有一定价值。应对支持影响预报的技术和工具进行积极研发。

（三）发展精细化的格点处理技术

格点处理技术可对天气预报产品进行转换或者是通过降低尺度为用户提供精细化的格点产品，主要技术包括：发展预报产品——格点要素场转换处理技术。对主观落区或站点预报产品应加大主观预报反演技术的研发，将其朝着格点场进行转换，并将预报中丢失的预报信息恢复起来；对地形降尺度技术进行发展统计，以增强格点产品的空间分辨率。积极发展格点产品协调一致性技术。针对预报变量三维空间分布和时间演变，需确保他们的一致性，变量间也要保持一致性。同时还要对上下级、相邻省份的一种且具有协调性的方法进行发展。