延伸期逐日預報平臺對強降水事件預報能力分析
——以2016年4月持續性強降水過程為例*

馬浩 強玉華

(1. 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017； 2.麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

延伸期逐日預報平臺對強降水事件預報能力分析
——以2016年4月持續性強降水過程為例*

馬浩1強玉華2

(1. 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310017； 2.麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

延伸期逐日預報是現代氣候業務整體進程中出現的新興業務。浙江省氣候中心自2015年開始研發延伸期逐日預報業務平臺，2015年10月發布測試版本。2016年4月，受厄爾尼諾事件影響，浙江省降水量異常偏多，出現了4月3—13日、4月18—26日兩次持續性強降水過程。本文深入分析了延伸期逐日預報平臺對這兩次強降水過程的預報表現，發現第一次強降水過程的預報效果較好，提前20 d預報出這一過程且結果穩定；對第二次強降水過程的預報一開始時段存在較大偏差，隨模式不斷調整，最終提前16 d預報出這一過程。在個例分析基礎上，總結了科學使用延伸期逐日預報平臺的若干策略：關注動態演變、宏觀把握時段、與氣候趨勢預測相結合、與氣溫預報相結合、分析預報上限等。

延伸期逐日預報；強降水過程；業務平臺；使用策略

0 引 言

延伸期天氣預報一般是指時效為10～30 d之間的預報，也被視為短中期天氣預報和短期氣候預測之間的“縫隙預報”[1-2]。近年來，低頻天氣圖的推廣大大推動了延伸期預報業務的發展[3-5]，強降水過程預報已成為國家級和省級氣候中心的基本業務之一。然而，基于統計方法的過程預報作為一種半定量預報，并沒有完全解決延伸期時段的服務需求，主要表現在缺少落區定位、降水強度較粗糙、預報時段較模糊；在業務實踐中，強降水過程預報實際上指示的是“未來某個時段(或前后)(時段伸縮大)在某個區域(區域不確定)可能會發生較強(強度不確定)降水過程”，不難看出，諸多“不確定”無形中產生了新的“縫隙”，為延伸期產品的應用和服務帶來了一定困擾。

對氣象業務人員而言，較理想的狀態是延伸期預報產品是短中期天氣預報的“自然延伸”，即預報逐日要素，然而這就回到了逐日預報的本源問題——初值問題的兩周預報上限。Lorenz指出，逐日天氣可預報時效的理論上限一般為2周，超過理論上限的預報水平不優于隨機猜測水平，即失去可預報性[6]。名不正則言不順，在混沌理論框架下，2周以上的逐日預報似乎成為一個不可能完成的任務。為延伸期逐日預報“正名”的是短期氣候預測機理的形成和集合預報理念的提出。在氣候預測領域，存在著一個根本性的概念問題：既然2周以上的天氣尚且不可預報，那么月以上時間尺度的氣候預測又是如何做到的？這是由于天氣預報和氣候預測具有不同的時間尺度，在天氣預報時段內，大氣初值信息強烈地發揮著作用，即天氣預報在很大程度上可歸結為“初值問題”，這也是天氣模式大多采用大氣模式的重要原因；在氣候預測時段內，初值信息已顯著衰減，而海溫、冰雪、土壤濕度等外強迫信號開始發揮作用，因此氣候預測在很大程度上可歸結為“外強迫問題”即“邊值問題”[7-10]，這也是大多數氣候預測模式采用海洋—大氣耦合框架的重要基點。歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)采用融合預報方案，即10 d以下預報采用大氣環流模式結果、10 d以上預報采用海—氣耦合模式結果，在實踐中取得了良好的效果[11]。氣候模式能夠提供延伸期時段的有用信息，從而為延伸期逐日預報帶來了曙光。集合預報思想從技術上提高了天氣預報的準確率。在集合預報框架下，初值并非“一個”，而是滿足某一誤差分布概率的數據集，因此預報結果也是“一組”數據的集合[2]。Krishnamurti等基于集合預報理念提出了超級集合算法，大大改進了模式計算誤差、提高了氣候預測準確率[12]。依托氣候模式、采用集合預報策略，使延伸期逐日預報成為可能。

浙江省氣候中心自2015年開始研究延伸期逐日預報問題，基于美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)研發的新一代氣候預測模式——CFSv2模式(Climate Forecast System version 2)[13]提供的逐日預報結果，采用5 d集合平均策略，通過雙線性插值最終形成省、市、縣3級行政區域逐日氣溫、降水預報產品。之所以采用5 d集合平均方案，是因為大樣本情形能夠在一定程度上保證耦合模式預報結果的穩定性[14]。業務平臺的測試版本于2015年10月發布，目前已運行10個月。

應當指出，延伸期逐日預報平臺的預報性能究竟如何、特別是該平臺能否提前15～30 d預報出強天氣過程，目前仍然是一個缺乏了解的問題。為了客觀評估平臺預報能力，我們挑選了2016年4月的兩次強降水過程進行檢驗；此外，延伸期逐日預報產品不能直接視同于“逐日天氣預報”，如何科學地借鑒和應用本身也是一個技巧性的問題，因此有必要對平臺的使用策略進行深入分析。

1 2016年4月強降水過程

2016年是超強厄爾尼諾事件衰減年，受厄爾尼諾和熱帶印度洋海盆一致模態(Indian Ocean Basin Mode，IOBM)的共同影響，春季西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)異常偏西、偏強，使西南暖濕氣流輸送旺盛、我國南方地區降水偏多。從降水過程的時間演變來看(圖1)，3月降水過程較少，4月初開始降水過程顯著增多、形成持續性連陰雨過程，5月中旬以后降水過程逐漸減弱。如果以中雨以上量級(≥10 mm)作為強降水的判別標準，則4月開始主要形成了4月3—13日、4月18—26日、5月2—10日3次強降水過程，其中4月降水的群集性特征尤其突出。2016年4月是降水顯著偏多的月份，從空間分布上來看(圖2)，各地均偏多，全省大部偏多2成以上，其中浙西北大部、嘉興大部偏多1倍以上，共有12個縣(市、區)降水量破歷史同期最多紀錄。因此，選取4月強降水過程開展分析具有典型性和代表性。

圖1 2016年3月1日～5月31日逐日全省平均降水量 (單位：mm)

圖2 2016年4月浙江省降水量距平百分率空間分布 (單位：%)

2 延伸期逐日預報平臺對4月強降水過程的預報能力分析

4月形成了4月3—13日、4月18—26日兩次持續性強降水過程。關于第一次過程，由圖3可見，延伸期逐日預報平臺3月14日就預報出4月2—13日將發生一次持續性強降水過程，且這一預報基本穩定，3月15、16、17、18日起報的結果同樣預報出4月3—12日持續性強降水過程(圖略)，總體而言提前20 d預報出這一過程，說明業務平臺基本把握住了該次過程的時段和強度。需要指出的是，延伸期逐日預報結果不宜與實況“一一對應”，即不應基于平臺的輸出結果直接開展延伸期時段的逐日天氣預報，這是因為在延伸期時段，初值信息已大大衰減，外強迫中的強信號主要表現為大尺度調控[15]，因此細化到具體的區域容易出現時間、空間上的偏差。從這個意義上來說，對延伸期“時段”的考慮和把握更為重要，關鍵在于綜合預報時段內的逐日信息、提煉歸納出典型天氣過程的發生時段及強度，以圖3為例，較合理的解讀應為：4月上旬前期—中旬前期將發生一次持續性強降水過程。

(柱狀圖表示降水量預報值，“T”形細實線的上端和下端分別表征預報上限和預報下限)圖3 延伸期逐日預報平臺3月14日起報3月29—4月13日逐日全省平均降水量

關于第二次強降水過程，預報平臺給出的信息值得深入研究。3月27日起報的結果提示4月11—19日將發生一次強降水過程(圖4)，預報時段與實況存在較大偏差，且這一預報在較長時間內保持穩定，3月28、3月29、3月30、3月31日、4月1日起報的結果均指示強降水主要發生在4月中旬(圖略)，但4月2日起報的結果發生了轉折，預報強降水時段為4月17—25日(圖4)，4月3日則更加清晰地指示出了4月18—26日強降水過程(圖4)，與實況一致，總體而言提前16 d預報出這一過程。平臺預報結果的變化反映了大氣環流的調整與轉折，事實上，模式在延伸期時段內的逐日預報也往往是這樣一個“動態演變”的過程，因此不能孤立地看待某一天起報的結果，而應當從連續多日起報的結果中提取重要的穩定性和轉折性信號，再通過具體研判確定預報。

(柱狀圖表示降水量預報值，“T”形細實線的上端和下端分別表征預報上限和預報下限)圖4 3月27日起報(a)、4月2日起報(b)、4月3日起報(c)未來15～30 d逐日全省平均降水量

需要指出的是，逐日預報平臺不僅對2016年4月兩次強降水過程表現出較好的預報能力，對今年汛期的多次過程(如梅雨期降水)也展現出良好的預報效果(圖略)。盡管平臺尚無法完全準確地提前15 d以上預報出每一次強降水過程，對典型降水過程強度的預報也存在一定偏差(主要表現為量級偏小)，但總體而言其預報能力已經遠遠超過隨機猜測水平，能夠為預報員提供必要的參考。

3 延伸期逐日預報平臺的使用策略

通過以上分析，不難得出延伸期逐日預報平臺的輸出結果不宜直接用來制作逐日天氣預報，科學、合理、有策略地使用平臺，才能取得最佳預報效果。除了上文提到的注意把握時段、關注動態演變之外，還有以下技巧可供選擇。

1)將氣候趨勢預測與逐日預報相結合。逐日預報結果不能脫胎于氣候背景預測，二者互為因果，因此分析趨勢預測結果有助于更加科學地看待逐日預報。以2016年4月強降水過程預報為例，國家氣候中心4月氣候趨勢預測意見明確給出了北極濤動(Arctic Oscillation，AO)呈現負位相、西太副高偏強、西伸脊點偏西的結論，從而有利于冷空氣活動及暖濕氣流輸送；同時，在降水預測意見中給出了浙江大部偏多2成以上的判斷；環流預測與降水預測結論為預報4月強降水過程提供了堅實的氣候背景支撐。深入研究趨勢預測結果，有助于對強天氣過程的時段和強度(特別是強度)作出正確的分析與取舍。

2)將氣溫預報與降水預報相結合。氣溫預報所預示的升溫或降溫過程，往往對降水預報有較好的指示意義。由圖5可見，3月19日起報平均氣溫，4月3—10日有一次較明顯的降溫過程，與4月3日開始的強降水過程有著良好的對應；4月3日起報平均氣溫，4月18—25日有一次較明顯的降溫過程，與4月18日開始的強降水過程有著良好的對應。春季臺風影響較弱，冷暖氣流輻合是形成降水的重要原因[3-5]，因此冷空氣活動往往對降水有著較好的參考意義，研判氣溫預報有助于對降水時段作出正確的把握。

3)關注預報上限。預報上限是CFSv2模式80個成員中降水量預報的最大值。誠然在絕大多數情形下，預報上限已嚴重偏離實況，然而在預報上限持續出現較大數值時，往往預示著強降水過程的出現。以圖3為例，考察3月14日起報結果，不難發現4月2日預報上限躍升至60 mm左右且持續至4月5日，說明4月2日前后觸發強降水過程的可能性很大。

圖5 3月19日起報(a)、4月3日起報(b)未來15～30 d逐日全省平均氣溫

4 結 語

判別延伸期業務平臺的預報性能，關鍵看其能否提前較長時間預報出致災性強、破壞性大的極端天氣氣候過程。本文以2016年4月發生的兩次強降水過程為例，分析了延伸期逐日預報平臺的預報能力，發現總體上平臺能夠提前10 d以上預報出持續性強降水過程；此外針對延伸期逐日預報產品的特點，指出了科學應用業務產品的策略和方法。

延伸期逐日預報目前仍是一個年輕的學科，尚未形成完善的理論體系和技術方法。延伸期逐日預報平臺目前僅完成了一期建設任務，其預報能力仍然較為有限，逐日預報產品的生成距離逐日預報的真正實現尚有很長的路要走；為了有效提升預報水平，必須基于客觀預報產品研發與之相適應的解釋應用技術，同時嘗試開展延伸期概率預報，將科技含量注入業務平臺，不斷夯實業務基礎、豐富產品體系。然而，氣象預報有其深刻的自身規律，也有難以突破的固有邊界。正如天氣預報永遠無法完全替代實況一樣，延伸期天氣預報也永遠無法達到天氣預報的精度和水平。一直在進步，永遠有遺憾，這或許就是氣候預測這門實踐科學的神奇與美妙之處。

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2016-08-26

*浙江省氣象局預報專項項目(2016YBY26)