中短期數(shù)字化天氣預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

摘 要：

中短期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)的發(fā)展是建立無縫隙集約化天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的氣象服務(wù)開始向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展，一些國家級(jí)和省級(jí)單位已經(jīng)建立中短期數(shù)字化天氣預(yù)報(bào)技術(shù)。但是，與一些西方國家還存在一定的差距，如預(yù)報(bào)技術(shù)開展的深入度不夠、一些技術(shù)水平有待提高、數(shù)值模式發(fā)展水平需要提升等。本文主要闡述了中短期數(shù)字化天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)狀和問題，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)論述了中短期數(shù)字化天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

中短期天氣預(yù)報(bào);無縫隙業(yè)務(wù)體系;預(yù)報(bào)技術(shù)體系

中圖分類號(hào)：S165

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191130061

前言

中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)是傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要內(nèi)容之一，其具有發(fā)展時(shí)間長、基礎(chǔ)好、成熟度高等特點(diǎn)。但是，在新的形式下和客戶需求變化的情況下，中短期數(shù)字化天氣預(yù)報(bào)技術(shù)存在定量化和精細(xì)化水平有限、預(yù)報(bào)員工作量不斷增加和準(zhǔn)確率提升緩慢等問題，這在一定程度上制約了中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)體系的發(fā)展和進(jìn)步。因此，中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)體系需要不斷的進(jìn)步和完善。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 數(shù)字化的預(yù)報(bào)技術(shù)流程

經(jīng)過多年的發(fā)展和努力，我國氣象服務(wù)開始向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展，并取得了一定的成就，我國已經(jīng)建立了一些國家級(jí)和省級(jí)的數(shù)字化中短期氣象業(yè)務(wù)技術(shù)流程，其中的數(shù)值模式系統(tǒng)是該技術(shù)流程中的基礎(chǔ)，客觀解釋應(yīng)用方法能夠解釋預(yù)報(bào)存在的誤差以及提供有效的信息等。

1.2 數(shù)值模式系統(tǒng)是基礎(chǔ)

為了保證中短期天氣預(yù)報(bào)的精確度，數(shù)值模式系統(tǒng)起著重要的作用。在具體的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，氣象員能夠參考國內(nèi)外的模式產(chǎn)品，隨著數(shù)值模式預(yù)報(bào)能力的不斷提高使我國的常規(guī)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系提高了一個(gè)層次。另外，我國自主研發(fā)的全球模式系統(tǒng)在2016年已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)流程，這對(duì)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提高很重要。研究和實(shí)踐表明，進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國的預(yù)報(bào)能力逐漸提高。全球模式預(yù)報(bào)性能的提高促進(jìn)了我國中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力的提高，但是容易引發(fā)災(zāi)害的中小尺度天氣仍是預(yù)報(bào)工作中的難點(diǎn)，發(fā)展緩慢。

1.3 客觀解釋應(yīng)用方法提取預(yù)報(bào)信息

從海量的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息可以依賴客觀解釋應(yīng)用方法。多中心業(yè)務(wù)數(shù)值模式的引進(jìn)和集合預(yù)系統(tǒng)的應(yīng)用，傳統(tǒng)意義上的客觀預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)不能滿足實(shí)際發(fā)展的需要。因此，發(fā)展新的客觀技術(shù)方法已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)從海量的數(shù)據(jù)中快速和有效地提取預(yù)報(bào)信息，降低預(yù)報(bào)系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確率的提高和災(zāi)害性天氣預(yù)警能力的提升。通過現(xiàn)代化氣象的建設(shè)，我國已經(jīng)在災(zāi)害性天氣的客觀預(yù)報(bào)技術(shù)方面取得一定的進(jìn)步。例如，在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的過程中，國家氣象局和福建氣象局共同研制了“臺(tái)風(fēng)路徑集合預(yù)報(bào)訂正方法”，該方法試用階段和業(yè)務(wù)開始之后預(yù)報(bào)技術(shù)水平明顯提高。

1.4 預(yù)報(bào)主觀編輯工具發(fā)揮人的作用

現(xiàn)階段，氣象預(yù)報(bào)過程中起關(guān)鍵作用的仍是預(yù)報(bào)員，因?yàn)轭A(yù)報(bào)員對(duì)天氣概念、模式預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)比較了解，同時(shí)有一定的經(jīng)驗(yàn)，能夠在一定程度上提高預(yù)報(bào)的精度。但是，隨著氣象業(yè)務(wù)向著精細(xì)化的方向發(fā)展，預(yù)報(bào)員需要編輯工具支持自身的工作，能夠成熟的使用工具制作或者訂正天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并利用多種工具進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警的制作和發(fā)布。隨著氣象預(yù)報(bào)的需要，我國的一些地區(qū)已經(jīng)開發(fā)了預(yù)報(bào)編輯工具滿足使用的需要。

1.5 格點(diǎn)后處理提高產(chǎn)品的精細(xì)化水平

我國一些地區(qū)和城市的格點(diǎn)化技術(shù)起到輻射的作用，目前全國許多省份也開始使用該技術(shù)。我國國家氣象中心在2014年啟動(dòng)格點(diǎn)化項(xiàng)目后，研發(fā)技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，其為格點(diǎn)化氣象要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品中融入災(zāi)害性天氣和臺(tái)風(fēng)等預(yù)報(bào)信息提供了可行性的技術(shù)方案。

2 未來技術(shù)發(fā)展

2.1 提高數(shù)值模式系統(tǒng)的支撐作用

中短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的過程中，全球數(shù)值模式系統(tǒng)起著基礎(chǔ)性的作用，我國的業(yè)務(wù)中心都是通過各種手段提高模式的預(yù)報(bào)性能。除了全球數(shù)值模式之外，改善中小尺度天氣預(yù)報(bào)的技巧也非常的重要。有學(xué)者提出了依賴2種途徑提升中小尺度天氣預(yù)報(bào)的技巧，即發(fā)展高分辨率數(shù)值模式系統(tǒng)和發(fā)展集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。其中，發(fā)展高分辨率模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一些關(guān)鍵大氣現(xiàn)象的模擬?，F(xiàn)階段，數(shù)值預(yù)報(bào)中心和許多氣象中心都是使用區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。此外，發(fā)展集合預(yù)報(bào)模式也是提高精細(xì)化水平的關(guān)鍵措施。相關(guān)的研究表明，低分辨率的集合模式也能夠在一定程度上顯示高分辨率的技巧。集合預(yù)報(bào)的主要優(yōu)勢(shì)是提供概率預(yù)報(bào)，這能夠促使用戶結(jié)合自身的情況進(jìn)行科學(xué)的決策。此外，一些學(xué)者認(rèn)為結(jié)合概率預(yù)報(bào)具有較高的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

2.2 發(fā)展預(yù)報(bào)信息的客觀提取和訂正技術(shù)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來為我國氣象事業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，在氣象觀測(cè)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的過程中應(yīng)用大數(shù)據(jù)能夠提高氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展。在新的形勢(shì)下，大數(shù)據(jù)應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，尤其應(yīng)該重視客觀提取和訂正技術(shù)。應(yīng)該重視以下幾方面的建設(shè)，如應(yīng)該及時(shí)的幫助預(yù)報(bào)員實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速瀏覽，及時(shí)了解氣象信息的特征等，為獲取科學(xué)的結(jié)果奠定基礎(chǔ)，在遇到極端天氣的過程中重視預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和信息的準(zhǔn)確性。其中發(fā)展海量信息提取技術(shù)的主要目的是提高數(shù)據(jù)瀏覽的速度：在統(tǒng)計(jì)方法的協(xié)助下獲得數(shù)據(jù)特征;通過模式輸出獲取模擬大氣觀測(cè)圖像;通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)及時(shí)的傳達(dá)和溝通氣象預(yù)報(bào)信息。發(fā)展天氣診斷分析技術(shù)來理解大氣演變的動(dòng)力特征。觀測(cè)手段和模式分辨率的提高促使傳統(tǒng)的鋒面氣旋發(fā)展理論需要隨著時(shí)代的進(jìn)步和人們的需求改變，如高分辨率預(yù)報(bào)包括的不同尺度的大氣運(yùn)動(dòng)信息。發(fā)展客觀訂正集成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的獲取，而發(fā)展多中心超級(jí)集合預(yù)報(bào)技術(shù)能夠提供更多有效的信息，如美國建立的北美集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過集成多種數(shù)值模式實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的預(yù)報(bào)技巧。發(fā)展極端天氣預(yù)報(bào)技術(shù)能夠捕捉災(zāi)害性天氣信息。發(fā)展概率預(yù)報(bào)技術(shù)來傳遞預(yù)報(bào)的不確定信息。相關(guān)的研究顯示，概率預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)報(bào)的價(jià)值高，不僅能夠反映天氣變化確定性的一面，同時(shí)也能反映天氣變化的不確定性。一些研究學(xué)者將概率訂正預(yù)報(bào)方法歸納為2類，即同歸模型方法和參數(shù)估計(jì)方法。

2.3 發(fā)展主觀和客觀融合的預(yù)報(bào)技術(shù)以及工具

數(shù)值模式的發(fā)展使預(yù)報(bào)的工作形式也發(fā)生了變化，一些預(yù)報(bào)員能夠?yàn)楫a(chǎn)品提供一定的附加值，同時(shí)能夠及時(shí)訂正和修改錯(cuò)誤的存在。美國的一些科學(xué)家在進(jìn)行預(yù)報(bào)分析的過程中將預(yù)報(bào)分為幾個(gè)重要的步驟，即對(duì)預(yù)報(bào)偏差監(jiān)測(cè)、誤差的原因以及影響的診斷、可能發(fā)生的預(yù)報(bào)結(jié)論和偏差的檢驗(yàn)與訂正等。想要實(shí)現(xiàn)上述的步驟，必須采取一定的技術(shù)協(xié)助預(yù)報(bào)員。智能化的預(yù)報(bào)訂正平臺(tái)是減少預(yù)報(bào)員錯(cuò)誤的重要因素。預(yù)報(bào)訂正平臺(tái)的完善性和高效性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析，對(duì)一些預(yù)報(bào)產(chǎn)品的便捷調(diào)整等，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)智能化的訂正能力。預(yù)報(bào)員的工作內(nèi)容是在預(yù)報(bào)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做出預(yù)報(bào)或者預(yù)警，而技術(shù)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持的缺乏在一定程度上影響預(yù)報(bào)員做出準(zhǔn)確的判斷。

2.4 發(fā)展精細(xì)化的格點(diǎn)處理技術(shù)

格點(diǎn)處理技術(shù)能夠?qū)⑻鞖忸A(yù)報(bào)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為精細(xì)化的格點(diǎn)產(chǎn)品，該技術(shù)的主要內(nèi)容有以下2點(diǎn)：發(fā)展預(yù)報(bào)產(chǎn)品—格點(diǎn)要素場(chǎng)轉(zhuǎn)換處理技術(shù)，主觀反演技術(shù)能夠?yàn)橹饔^區(qū)或者站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供支持，保證其能夠及時(shí)和順利地恢復(fù)預(yù)報(bào)過程中丟失的信息，同時(shí)為提高空間的分辨率奠定基礎(chǔ)。發(fā)展格點(diǎn)產(chǎn)品協(xié)調(diào)一致性技術(shù)。為了保障預(yù)報(bào)變量三維空間分布和時(shí)間演變的一致性，預(yù)報(bào)要素一致性技術(shù)起著重要的作用。

3 結(jié)論與討論

本文闡述的主要內(nèi)容是中短期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。研究表明，未來天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的趨勢(shì)是客觀化、定量化和自動(dòng)化，工作人員能夠發(fā)揮更高層次的作用。在未來預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)發(fā)展的過程中需要注意以下幾方面內(nèi)容。

加強(qiáng)對(duì)高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。天氣預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持，如精細(xì)化格點(diǎn)后處理技術(shù)需要高分辨率資料的支持;山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需要地面植被和臨界雨量的基礎(chǔ)資料的支持。

結(jié)合問題導(dǎo)向和用戶的需求進(jìn)行技術(shù)的選擇。在技術(shù)選擇的過程中應(yīng)該結(jié)合自身地區(qū)發(fā)展的實(shí)際情況采取有針對(duì)性的措施。即使是同一個(gè)業(yè)務(wù)目標(biāo)也可能需要通過不同的技術(shù)手段解決，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)環(huán)境選擇適合的某種技術(shù)，并且不斷的發(fā)展完善。

加強(qiáng)技術(shù)的聯(lián)合研發(fā)和技術(shù)的交流。有價(jià)值的技術(shù)應(yīng)該進(jìn)行分享，各個(gè)地區(qū)和國家之間進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

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作者簡介：

修韶宇（1987-），男，本科，工程師。研究方向：天氣預(yù)報(bào)工作。