汛期气候预测:防汛抗旱的“指挥棒
气候预测是根据过去气候的演变规律,推断未来某一时期内气候演变的可能趋势。我国处于亚洲季风气候区,由于季风气候导致的降水年际变率大,每年的主要多雨带位置变化较大,不同地区的旱涝等气象灾害频繁发生,给人民的生命财产、国家经济建设和社会发展等多方面 造成重大损失。因此,我国的汛期气候预测受到政府部门的高度重视,是国家防灾减灾部署的重要参考依据和“指挥棒”。
我国处于亚洲季风气候区,降水主要集中在汛期(5—9 月 ), 其中夏季(6—8 月)为主汛期,降水量占全年总降水量的50%以上。由于季风气候导致的降水年际变率大,每年的主要多雨带位置变化较大,不同地区的旱涝等气象灾害频繁发生。例如 1954 年、1998 年和 2020 年夏季长江流域发生严重的洪涝灾害,2021年 7月河南发生特大暴雨洪涝灾害、西南和华南出现持续性夏旱等, 给人民的生命财产、国家经济建设和社会发展等多方面造成重大损失。因此,我国的汛期气候预测受到政府部门的高度重视,是国家防灾减灾部署的重要参考依据和“指挥棒”。
我国是世界上开展气候预测研究和业务最早的国家之一。1961 年,我国即正式制作和发布汛期旱涝趋势预测。1979年开始,国务院抗旱领导小组办公室和中央防汛抗旱总指挥部办公室参加全国汛期气候趋势预测会商,为防汛抗旱提供气候预测信息。1991 年开始,每年3 月,中国气象局和水利部联合举办全国汛期会商会,相关科研院所、高校的学者和专家参与,一直坚持至今,从未间断。1995年国家气候中心(NCC)成立,我国进入现代气候业务快速发展时期。 自 20 世纪 50 年代以来,我国汛期气候预测业务和预测方法大体上经历了3 个 阶段:
经验和统计预测阶段。20 世纪 50 年 代末,我国老一辈气象学者和预报员尝试用美国的月平均环流趋势法、苏联的大型环流型以及多元回归等数理统计方法进行预测。进入 60 年代,随着资料样本的增多,相关概率、点聚图、复相关表等方法及周期平均环流图、环流指数、环流特征量和太阳黑子等也在业务预报中得到广泛 应用。总之,70 年代以前是我国短期气候预测业务的艰苦创业阶段,由于资料匮乏、 计算条件落后,以经验统计分析为主要手段,从资料计算到预报制作完全是人工操作。但毋庸置疑,这一阶段的数据和经验积累为我国短期气候预测的业务发展奠定了良好基础。
物理统计预测阶段。20 世纪 70—80 年代,随着数理统计方法的开展、计算机的 广泛应用、短期气候预测理论研究的发展和气象观测事实的不断揭示,我国气候预测进入了物理统计预测阶段。大量数理统计方法,例如多元回归、逐步回归、正交函数分解、判别分析、聚类分析等在气候分析和预测中得到广泛应用,所建立的统计预测模型在实际预测中取得一定的效 果。直到现在,统计预测方法的研究和应用仍在不断完善中,成为短期气候预测业务的重要手段之一。80 年代以来,随着短期气候预测理论研究的发展和大量观测事实(如海 - 气相互作用、陆地热状况、低频振荡、遥相关型)的揭示,物理因子与我国汛期旱涝的关系研究进一步深入,老一辈预报员提出了以热带太平洋海温、欧 亚和青藏高原积雪、热带对流、中纬度环流(阻塞高压)、西太平洋副热带高压等 东、西、南、北、中五大因素为基础的中 国夏季降水物理概念预测模型。从 80 年代后期开始,我国各级气候部门先后建立了以物理统计方法为主的短期气候预测业务系统,我国短期气候预测业务向现代化迈进了一大步,基本结束了资料处理、预 报制作手工和半手工操作的局面,气候预测业务能力明显提高。基于物理诊断和统计分析,成功预测出1998 年汛期长江流域性洪涝。1997—1998 年赤道中东太平洋发生超强厄尔尼诺事件。研究发现,厄尔尼诺次年,长江流域及其以南地区出现强降水和洪涝的可能性比较大。而且,监测显示 1997—1998 年冬、春季青藏高原发生严重雪灾,降雪量大、积雪多。关于高原积雪影响的研究认为,高原冬、春季积雪偏多有利于夏季风偏弱,长江中下游夏季降水增多。这两个外强迫信号都一致利于长江汛期降水偏多。 1998 年汛期主班预报员经过系统和深入的机理诊断分析,认为长江流域出现明显洪涝灾害的可能性很大,并第一次在汛期预报图中给出长江中下游到江南西北部降水量较常年偏多 50% 以上的区域。事实证明, 国家气候中心对1998 年汛期气候的预测效 果很好,对长江流域和江南区域异常偏多的预测与实况一致。
动力与统计相结合阶段。随着国家“九五”重中之重——科技项目“我国短期气候预测系统的研究”的实施,我国短期气候预测业务技术和现代化水平都上了一个新台阶,进入了动力与统计相结合的新阶段。
气候模式是气候预测客观、重要的工具和手段,国家气候中心自 1995 年成立就开始研发动力气候模式,至今已发展到第三代。2005 年,国家气候中心研制的第一代海 - 陆 - 气 - 冰多圈层耦合气候模式投入应用,支持了延伸期、月、季节尺度气候预测业务。2016 年,国家气候中心建立了第二代气候预测模式业务系统,可提供延伸期、月、季节、年际、气候变化等多时间尺度模式产品。2019 年,中国气象局研发第三代海 - 陆 - 气 - 冰 - 生的多圈层耦合的气候系统模式(CAM-CPSv3)投入准业务化运行,可提供次季节 - 季节预测和季节 - 年际预测两大类模式产品。CAM-CPSv3 性能先进,对月尺度温度、降水、大气环流等的预测能力优于美国、日本现有业务系统,对季节内振荡的预测能力达到国际先进水平。季节 - 年际预测对于季节尺度的温度、降水、 西太平洋副热带高压、厄尔尼诺 - 南方涛动指数、全球海冰面积等关键指标有较高预报技巧,整体预测性能明显高于现有业务模式,达到国际先进水平,特别是对我国东部夏季降水以及影响我国气候的亚洲季风指数等的预测性能在国际领先。 由于动力气候模式对气候系统物理过 程的描述有限,动力模式对降水等变量的 预测技巧相对较低,而对海温、大尺度环流等的预测技巧较高,因此利用动力模式的高技巧信息进行降尺度应用的动力与统计相结合的方法得到大力发展和应用。此外,集合技术从单模式多初始场集合逐渐 发展到采用多样本和多模式进行综合预测 来减小模式预测的不确定性,可减少模式 误差和随机误差,获得比单模式更高的预 测技巧。近10年来,国家气候中心发展了中国多模式集合预测系统(CMME),利用国内外多个先进气候业务模式的研发和数据共享,研发了基于多模式数据的集合预测和动力统计相结合的多种预测产品, 在业务中得到广泛应用。我国现阶段的气候预测业务,是将物理统计定性预测和动力统计定量预测二者有机结合、同时应用。
在全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,为充分发挥防灾减灾第一道防线作用,国家气候中心坚持“以人民为中心” 的理念,早部署、早准备。2021 年,我国长江流域及其以北地区降水较常年明显偏 多。6 月,东北冷涡活动频繁,导致东北及邻近区域降水异常偏多,黑龙江、嫩江流域发生严重汛情;7 月,长江下游至内蒙古东部出现经向型多雨带及河南特大暴雨;8 月,长江流域出现持续时间长的“倒黄梅”天气。国家气候中心值班预报员从 1 月开始就系统分析了变暖背景下拉尼娜衰减年的气候特征,从多因子协同影响的角度,重点分析印度洋、大西洋、高原积雪的协同作用,加强外强迫 - 环流 - 降水 我国主汛期(6—8 月)降水预测物理概念模型的物理诊断分析以及国内外动力气候模式技巧的评估和再应用,2 月底即发布预测, 指出东亚夏季风偏强、主要多雨区在我国北方的预测信息,随后在 3—5 月不断订正、细化夏季和夏季风进程的预测信息, 准确预测了夏季降水我国北多南少的旱涝 布局。其中,国家气候中心发展的 CMME 多模式集合系统的预测信息也发挥了重要参考作用。 欧美等发达国家预测气候的主要方法是先进的数值模式与大数据处理。而我 由于地形复杂,气候带种类多、影响气候的因素复杂、预测难度大,因此我国的气候预测一直是动力与统计相结合的两条 腿走路的策略:一方面大力发展动力气候 模式,另一方面不断挖掘现有动力气候模式的高技巧信息或通过误差订正进行再应用,在模式发展的基础上锦上添花。 我国的短期气候预测业务不仅为国家防灾减灾的规划和决策提供重要参考, 同时也为工农业生产活动、重大庆祝活动的筹备提供技术支撑。2022 年 4 月 28 日,国务院印发《气象高质量发展纲要 (2022—2035年)》。随着气象科技自主创新能力的提高,短期气候预测将在筑牢气象防灾减灾第一道防线、提高气象服务经济的能力、优化人民美好生活、强化生态文明建设等方面发挥更大的作用。