破解制約天氣預(yù)報(bào)時(shí)限“魔咒”

黃增強(qiáng)

在日常生活中，人們準(zhǔn)備出門(mén)或出差旅行前，都要看看天氣預(yù)報(bào)。但是，細(xì)心的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，24小時(shí)之內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果比較準(zhǔn)，而時(shí)間越往后，預(yù)報(bào)結(jié)果越容易出現(xiàn)偏差，特別是一兩個(gè)月之后的天氣狀況和氣候情況幾乎無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

為什么時(shí)間跨度越長(zhǎng)，天氣預(yù)報(bào)越不準(zhǔn)呢？如果注意天氣預(yù)報(bào)時(shí)效的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)通常聽(tīng)到的是12小時(shí)預(yù)報(bào)和24小時(shí)預(yù)報(bào)。除此之外，還會(huì)聽(tīng)到48小時(shí)預(yù)報(bào)和72小時(shí)預(yù)報(bào)，很少聽(tīng)到更長(zhǎng)時(shí)效的天氣預(yù)報(bào)。其實(shí)，氣象臺(tái)也制作中期和長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，對(duì)公眾而言，短期天氣預(yù)報(bào)已夠用了，但更主要的原因是中期和長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率比短期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率差很多。

長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高的主要原因是混沌現(xiàn)象，它是天氣系統(tǒng)中的普遍現(xiàn)象，表現(xiàn)為確定性系統(tǒng)中的一種內(nèi)在隨機(jī)性。它的外在表現(xiàn)與純粹的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)很相似，即不可預(yù)測(cè)?；煦缦到y(tǒng)對(duì)很小的初值變動(dòng)或擾動(dòng)具有很強(qiáng)的敏感性，無(wú)論多小的擾動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間以后都會(huì)使系統(tǒng)徹底偏離原來(lái)的演化方向。

那么，有什么辦法破解制約天氣預(yù)報(bào)時(shí)限的“魔咒”，把天氣預(yù)報(bào)時(shí)限拉長(zhǎng)至一兩個(gè)月呢？

首先，要填補(bǔ)天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之間的“縫隙”。以前對(duì)氣象預(yù)報(bào)的研究分為天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)，能夠進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的時(shí)限一般是1天至10天，氣候預(yù)測(cè)的時(shí)限則是一兩個(gè)月至幾年，10天至30天的延伸期天氣預(yù)報(bào)相對(duì)來(lái)說(shuō)涉及不多。

什么是天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)？?jī)烧哂惺裁床煌?？天氣預(yù)報(bào)就是應(yīng)用大氣變化的規(guī)律，根據(jù)當(dāng)前及近期的天氣形勢(shì)，對(duì)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的天氣狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。天氣預(yù)報(bào)按時(shí)效的長(zhǎng)短通常分為三種：短期天氣預(yù)報(bào)（1天至3天）、中期天氣預(yù)報(bào)（4天至9天）、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)（10天以上）。氣候預(yù)測(cè)主要是指對(duì)延伸期（11天至30天）、月、季度和年度氣候趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括氣溫、降水等氣象要素相較于平均狀態(tài)的偏離程度，以及重要天氣過(guò)程和極端天氣氣候事件等。兩者的不同主要表現(xiàn)在：天氣預(yù)報(bào)是具體天氣狀況的預(yù)報(bào)，氣候預(yù)測(cè)則是某時(shí)段內(nèi)氣候要素和天氣狀況平均統(tǒng)計(jì)量的預(yù)測(cè);天氣預(yù)報(bào)一般僅限于對(duì)大氣圈和水圈物理過(guò)程的分析，氣候預(yù)測(cè)必須考慮包括大氣、海洋、大陸、冰雪、生物圈等在內(nèi)的氣候系統(tǒng)內(nèi)能量和物質(zhì)交換及天文因子的影響。此外，時(shí)間較長(zhǎng)的氣候預(yù)測(cè)，還要考慮人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響。

目前，在全球大氣科學(xué)領(lǐng)域，延伸期天氣預(yù)報(bào)是懸而未決的難題。從時(shí)間尺度上看，延伸期領(lǐng)域的天氣預(yù)報(bào)可看作是常規(guī)天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之間的“縫隙”。在氣候模式中，必須準(zhǔn)確刻畫(huà)出天氣和氣候系統(tǒng)多尺度相互作用的過(guò)程，加強(qiáng)季節(jié)內(nèi)振蕩及其尺度相互作用的機(jī)理研究，提出新的延伸期預(yù)報(bào)理論和方法，提高延伸期預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

其次，向世界級(jí)氣候預(yù)測(cè)難題發(fā)起挑戰(zhàn)。制約拉長(zhǎng)天氣預(yù)報(bào)時(shí)限的“魔咒”是氣候預(yù)測(cè)。氣候預(yù)測(cè)是一個(gè)具有強(qiáng)烈社會(huì)需求的世界級(jí)科學(xué)難題，迄今為止，世界上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家擁有成熟的氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)和完整的氣候預(yù)測(cè)理論。

2020年12月10日，我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金氣候系統(tǒng)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)科學(xué)中心在南京信息工程大學(xué)揭牌。成立氣候系統(tǒng)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)科學(xué)中心的目的，在于集中聚焦氣候預(yù)測(cè)研究的三大科學(xué)難題：厄爾尼諾和南方濤動(dòng)（ENSO）與海溫的預(yù)測(cè)、延伸期天氣預(yù)報(bào)、年際—年代際氣候預(yù)測(cè)。該中心將從季風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、精細(xì)化陸面過(guò)程模式、熱帶海氣相互作用、季節(jié)內(nèi)振蕩、年際—年代際氣候預(yù)測(cè)理論等方面展開(kāi)科學(xué)攻堅(jiān)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)若干關(guān)鍵突破，提高氣候預(yù)測(cè)科學(xué)水平和準(zhǔn)確率。

前不久，南京信息工程大學(xué)羅京佳教授率領(lǐng)的課題組，已經(jīng)研發(fā)出一套高精度氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)，不但可以耦合大氣、海洋、陸面等不同模式，對(duì)未來(lái)2年內(nèi)的氣候情況進(jìn)行有針對(duì)性預(yù)測(cè)，而且可以結(jié)合人工智能算法，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象提前18個(gè)月的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率已經(jīng)提高到80%以上。目前，國(guó)際上只有這套系統(tǒng)可以提供未來(lái)2年的厄爾尼諾實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果。

今后一旦對(duì)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）研究透徹，天氣預(yù)報(bào)的時(shí)限將可拉長(zhǎng)至一兩個(gè)月。這樣就可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫隙”氣候預(yù)測(cè)，為居民出行避免異常天氣，為減災(zāi)防災(zāi)部門(mén)提前做好相關(guān)預(yù)防措施提供有效信息。