國外氣象業務中心核心預報能力的比較和發展

李婧華 田曉陽 賈朋群

（中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

0 引言

世界氣象組織（WMO）為了促進氣象科學的發展，將天氣和氣候預報更加廣泛地應用于世界各國，尤其是發展中國家，從而提升全球人民福祉，近年來特別加強和突出了對世界氣象中心的建設。在1967年認定了美國、俄羅斯和澳大利亞等3個世界氣象中心之后，2017年，歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）、英國、加拿大、日本和中國成為第二批被認定的世界氣象中心。世界氣象中心在推進數值天氣預報（NWP）業務化進程中，發揮著越來越重要的作用[1]。并且，在全球化背景下，氣象業務中心的職責還需在世界氣象發展中發揮“中心”的作用和價值[2]。

WMO作為聯合國旗下各國氣象部門的協調機構，一直關注作為現代天氣預報能力核心工具的各國業務數值天氣預報模式能力的提升。在2011年第16次WMO大會上，通過了在基本系統委員會（CBS）建立一個評估確定性NWP預報的驗證中心（WMO LC-DNV）的決議，ECMWF被指定為該中心的責任機構，實時和分階段針對各國NWP模式指標給出匯總和評價。

如何預測以上述氣象中心為代表的氣象預報能力的發展，具有很大的挑戰性。尤其是，當預報水平更加接近可預報性的極限，預報能力的遞增速度在最近10年已出現減緩的跡象。在這樣的背景下，對預報預測能力進行評估和預測，不確定性會大幅度增加。

本文所指的“主要氣象業務中心”，包含了截至2018年7月，在LC-DNV網頁上針對各國業務預報模式能力進行實時驗證的約10個國家氣象業務中心。目前，進入實時驗證結果監測的國家氣象業務中心的數量還在增加。本文借助近年來針對主要氣象業務中心模式預報能力的對比分析結果，用核心預報指標梳理了這些中心預報能力的進步，并在此基礎上結合“領先水平”的發展痕跡，特別是過去10年里預報預測水平提升的幅度，在給出當前水平（2016—2017年）的同時，對未來10年（2025年）和20年（2035年）國際上預報預測的先進水平將可能達到的高度進行討論。

1 模式的可預報性

經典天氣預報理論中，洛倫茨基于大氣混沌的本質，認為天氣的可預報性為16.8 d。隨著模式模擬技術的發展、學界對非線性過程認識的進步以及計算、模擬技術改進帶來的手段更新等，可預報性問題得到了更加清晰的解析和拓展。在2014年WMO世界天氣公開科學會議上，多位學者從動力、數值方法、云及輻射和陸-氣、海-陸等相互作用的角度，梳理了科學界對可預報性的最新認識進展[3]。Buizza等[4]重新綜合審視可預報性時，從模式與預報對象的時空尺度出發，給出了新的可預報性2D分布（圖1）。可預報性時效大大提高，其中可提前接近1年預報的要素為月平均海面溫度距平和厄爾尼諾等與氣候信號密切相關的變量統計值。其余預報要素從易到難的排列為：月平均2 m溫度和氣壓、遙相關指數、高空場、地面場、降水和極端天氣。這些要素的可預報性空間尺度范圍從1萬千米的大陸尺度到100千米及以下的中小尺度。

圖1 洛倫茨經典可預報理論（a）和最新研究給出的可預報性2D分布（b）Fig. 1 Classical predictability theory by Lorenz (a) and 2D distribution of most recent predictability (b)

從更廣泛的視野審視與預報相關的時空和地球圈層之間的聯系，可以得到針對大氣、陸地和海洋的可預報性分布。短期天氣（7 d以內）和月預報之間時間尺度的預報預測，含有復雜的大氣-陸地-海洋相互作用機制，而季節內到季節（S2S）預報中更多的信號來自海洋。

2 NWP全球業務模式核心指標

2.1 目前主要氣象中心的全球天氣預報業務模式

全球模式是氣象業務中心開展確定性預報的核心工具，基于以往研究[5-13]，表1梳理了目前部分氣象中心業務數值預報模式的情況。當前全球數值天氣預報模式主要基于初始時間概率分布函數估計模型，通過集合系統對天氣演變進行預報。先進的全球集合預報系統大約有20～50個成員，模式水平分辨率在9～50 km，垂直層數為100層左右。北半球500 hPa高度場最初集合離散度約2.5 m（大約是變率的3%），在預報最初24 h內以指數增長，10 d內發散到70 m左右。

預報系統性能領先的ECMWF，其模式水平分辨率達9 km，垂直層數為137層，預報時效在10～15 d。2017年，ECMWF將其綜合預報系統（IFS）升級為IFS Cycle 43r3：改進了對流模擬，采用了新的輻射方案和氣溶膠氣候學，并且更好地利用了下投式探空儀數據和其他觀測數據。

未來5～10年，隨著各國氣象部門業務主模式的更新換代以及高性能計算機的發展，全球NWP業務模式分辨率將達到千米尺度。其中ECMWF的戰略目標是，到2025年以5 km的分辨率進行全球集合預報。

表1 部分氣象中心全球業務模式Table 1 Overviews of some operational NWP systems

反映各國NWP預報系統性能的指標，幾乎與系統可輸出變量一樣多，但其中最關鍵的兩項指標，是ECMWF認定的最能反映預報系統整體性能的500 hPa位勢高度和850 hPa溫度的可預報時效。本節主要圍繞這兩項指標及其他類似指標（如降水預報）展開。

2.2 ECMWF為代表的全球領先模式核心指標現狀

ECMWF給出的截至2017年底各種核心業務指標統計[14]中，影響最大的預報產品——北半球中緯度24 h降水集合預報的進步明顯，從21世紀初的2.5 d增加到7 d左右。盡管如此，對比21世紀前10年和最近10年的預報進步幅度，可以發現預報的改進速度明顯“減緩”（圖2），且在更多變量和時次預報中也是如此，但變緩的進步仍使10 d左右的預報具有價值。

從全球主要氣象中心的預報指標演變和相互比較中看出，21世紀以來ECMWF的發展趨勢也代表了世界預報業務整體上的進步。從圖3中多個氣象中心指標進步速度的比較[15]可以看出，21世紀以來，第二個10年與第一個10年相比，各主要氣象業務中心的預報系統性能提升速率都明顯放緩。此外，在這張比較圖中加入了再分析數據。這是因為模式的表現不僅依賴于預報系統，還與大氣的可預報性和活躍程度等有關。再分析數據的加入，可以將某個時段內的實際業務預報系統表現與幾年內不變的參考系統進行對比，從而更加清晰地解讀出預報系統的相對進步。

圖2 ECMWF北半球中緯度24 h降水總量集合預報有效天數變化（2002—2017年）（圖中給出預報時效（CRPSS≥0.1）的12個月滑動平均值）Fig. 2 Ensemble forecast skill of predicting 24-hour precipitation totals in the northern hemisphere extratropics from 2002 to 2017. The computation of skill is based on the continuous ranked probability skill score (CRPSS).The chart shows 12-month running average values of the forecast range at which the CRPSS drops below 0.1

3 全球NWP模式2025和2035年性能進步預測

圖3 世界上6個主要氣象中心2002—2017年業務系統北半球中緯度500 hPa位勢高度預報有效（距平相關≥80%）預報的天數變化，圖中還給出2個再分析結果用于參考Fig. 3 Lead time of anomaly correlation for 500 hPa geopotential in the northern hemisphere extratropics at global forecasting centres from 2002 to 2017. ERA-Interim and ERA5 are also shown for reference

對世界上主要氣象業務中心在未來10年甚至更長時間內預報水平提升幅度的估計，有多種方法和渠道。首先，各國氣象部門在其戰略中，定性或定量提出未來核心指標的改進目標，例如ECMWF制定的2016—2025年戰略，在預報方面明確提出了“2+4+1”戰略，即到2025年高影響天氣的有效集合預報提前2周，大尺度形勢和機制轉化預報提前4周，全球尺度異常預測提前1年[16]。NOAA天氣氣候預報機構NCEP提出，未來5年部分預報系統升級的主要特征為：水平分辨率進入10 km，區域模式和預警服務進入1～3 km，集合成員數穩定在20～30個，最長預報時段超過1年，達到15個月[17]。此外，在最新發表的一些評述文章中[4,18]，基于過去模式性能改進的技術和科學推動以及未來新技術在獲取新資料和改進模式分辨率等方面發力的分析，給出了未來預報模式改進的樂觀估計，以及面臨的挑戰（圖4）。

3.1 基于全球預報過去20年的改進：2025和2035年預報時效將分別提高到8.5和10.5 d

圖5分別給出過去22和18年ECMWF與NCEP全球預報系統的預報時效的改進進程[4,19]。ECMWF當前5 d預報與22年前的2 d預報相當，而目前的15 d預報與過去的10 d預報相當；NCEP在截止2017年的過去18年里，預報時效提高了4 d。綜合兩個機構的預報時效提升速率，即如果平均每10年提高近2 d的進程在未來20年里持續，那么目前主要預報指標大約6.7 d的時效，在2025和2035年可分別提高到8.5和10.5 d。

3.2 基于高分辨率模式過去22年的改進：2025和2035年時效分別提高到7.6和8.4 d

高分辨率模式是目前各國氣象部門、研究機構和企業重點研發的預報工具，其意義不僅在于大幅度提升觀測大數據和區域預報兩端的數據吸納和服務能力，更在于未來人工智能（AI）更多地介入NWP后[20]，高分辨率模式可成為支持全球模式通過機器學習解讀更多模擬中“灰色”地帶的有效手段。圖6給出過去20年，ECMWF高分辨率模式系統預報時效的改進：最近10年預報時效增加了0.8 d，從大約6.0 d提高到6.8 d[4]。未來10～20年，預報時效持續進步將使高分辨率預報系統的時效分別提升到7.6和8.4 d，接近同期集合預報水平。

圖4 未來數值天氣預報的關鍵挑戰領域。預測技術的進步來自計算科技的革新、物理過程的參數化表達、地球系統構件的耦合、先進觀測資料同化算法的使用、通過集成方法對不確定性的一致描述以及它們在不同尺度的相互作用等。橢圓部分表示數值模式中解析的10-2～104 km尺度范圍內的主要現象，并展示出從小尺度范圍流動到完全耦合地球系統的模擬復雜性；框表示未來預測技術改進遇到的最重要挑戰；箭頭表示跨分辨率尺度和地球系統顯現的誤差傳播重要性Fig. 4 Key challenge areas for NWP in the future.Advances in forecast skill will come from scientific and technological innovation in computing, the representation of physical processes in parameterizations, coupling of Earth-system components, the use of observations with advanced data assimilation algorithms, and the consistent description of uncertainties through ensemble methods and how they interact across scales. The ellipses show key phenomena relevant for NWP as a function of scales between 10-2 and 104 km resolved in numerical models and the modelled complexity of processes characterizing the small-scale flow up to the fully coupled Earth system.The boxes represent scale-complexity regions where the most significant challenges for future predictive skill improvement exist. The arrow highlights the importance of error propagation across resolution range and components of the Earth system

3.3 多種模式要素預報：過去10年進步在1～2 d

圖7給出過去20年，ECMWF在溫度和降水預報上的改進：其中最近10年預報時效增加了0.8～2 d，這些要素在未來10～20年持續改進，將讓這些關鍵預報分別得到可期待的1～2 d和2～4 d的改進[4]。對比前面針對可預報性的討論，到2035年前后，各類集合和確定性模式預報的水平，預報有效性將全面接近和進入10 d，也更加接近可預報性的極限。

圖5 ECMWF（a）和NCEP（b）預報系統對500 hPa位勢高度預報指標的進步歷程Fig. 5 Improvement of forecast skill of 500 hPa geopotential height at ECMWF (a) and NCEP (b)

圖6 ECMWF高分辨預報系統HRES對500 hPa位勢高度預報的進步歷程Fig. 6 Improvement of 500 hPa geopotential height prediction by ECMWF high resolution model HRES

4 耦合氣候模式和地球系統模式核心能力指標

圖7 ECMWF 1998—2017年850 hPa溫度（a）、降水總量（SEEPS驗證，b）和降水（分級概率技巧，c）預報進步歷程和最近10年的進步幅度Fig. 7 Forecast improvement of 850 hPa temperature (a),total precipitation (SEEPS, b) and precipitation (CRPSS, c)at ECMWF from 1998 to 2017

1967年，Manabe等[21]論述一維輻射對流平衡模式的論文，被認為是現代數值氣候模式研究的起點[22]。在20世紀隨后的時間里，氣候模式被加入了更多的要素，模式的結構和計算也走向精細化。Manabe等最初的輻射對流模式已經演化為輻射驅動，計算的復雜化也使模式發展成當前多圈層耦合的地球系統模式。最新地球系統模式的突出特點是包含了生物圈等相互作用，如碳循環、陸地海洋生態系統和生物地球化學、大氣化學以及自然和人為干擾[23]。

20世紀90年代起，世界氣候研究計劃（WCRP）耦合模擬工作組（WGCM）組織開展耦合模式比較計劃（CMIP）。前兩個階段影響范圍局限在氣候模式界，第三階段（CMIP3）起，模式結果的公開性大大增加，開始為其他研究團體所用。2008年啟動的CMIP5，已成為政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估報告的重要參考。當前試驗階段為CMIP6[24]，共44家機構參與。參與CMIP6的氣候中心及其耦合模式或氣候系統模式的情況，能夠給出當前此類模式的全球概覽。

4.1 耦合氣候模式和地球系統模式的核心指標

關于模式分辨率，CMIP3周期的典型水平分辨率為大氣250 km，海洋1.5°。7年后的CMIP5周期中，分別緩慢進步到150 km和1°。截止到2016年，CMIP6部分模式分辨率能實現大氣至少50 km和海洋0.25°。對于氣候預測相關指標，CMIP6的一個目標是實現及時高效并長期的模式基準測試和評估，并將其發展為常規操作[25]。WGCM會議上，通過了兩個將用于CMIP6系統性和即時性能評估的工具ESMValTool（Earth System Model Evaluation Tool）[26]和PMP（PCMDI Metrics Package）[27]。這兩個工具選擇的指標基于IPCC AR5第一工作組報告第9章，該章中給出了針對大氣、臭氧和氣溶膠、碳循環、海洋等35個指標。其他一些指標的選擇思路[28]，如對CMIP5部分模式進行的回顧性評估中，選用的是與地球能量收支相關的44個指標。CMIP6的最新評估結果在兩個工具網站上保持更新，這項工作可對未來氣候預測核心指標的選取起到重要指示作用。

世界天氣研究計劃（WWRP）和WCRP S2S項目選擇的關鍵指標，一為MJO預測技巧，二為天氣型轉變預測。在2013—2017年的第一階段實施中，10個S2S模式中，有7個MJO提前20天預報的雙變量相關技巧（bivariate correlation skill）超過0.5，只有1個模式（ECMWF）預報時效達到30天（圖8）[4,29]；在天氣型轉變預報方面，北大西洋濤動（NAO）正負轉型預報可提前3周，其他天氣型的轉化提前16天預報。

圖8 10個S2S模式模型集合均值與ERA Interim之間的MJO雙變量相關性相對提前期的演變Fig. 8 Evolution of MJO bivariate correlation compared to lead time between the mean values of 10 S2S model sets and ERA-Interim

NOAA氣候預測中心對季節溫度的預報指標在2018年1月技巧達到36.9，超過該年度的目標（26），過去10年實現有效預報占比也保持上升[30]。英國氣象局季節和年代際預報系統對NAO的冬季預測技巧發展指出[31]，1993—2016年間季節預報相關技巧為62%，對下一個冬天預測的技巧為42%[32]，并且隨著集合成員增加，未來季節預報有可能接近0.8。

4.2 氣候預測主要指標的進步和未來指標預測

根據ECMWF模式對MJO預報時效的發展，2006—2016年，預報時效（雙變量相關≥0.5）10年約增加12 d[15]。如保持此進步速度，到2025年將達到49 d。

在2004年NCEP召開的紀念全球NWP業務開展50周年的學術會議上，Lord[33]對那時NCEP的預報水平進行了闡述，用Ni?o 3.4海溫距平指標，給出從1997年冬季到2003年冬季的歷史回報結果（圖9a），其中提前3和6個月的相關性分別約為85%和76%（取6個預報指標的中數）。同樣的指標，當前預報也有很多可比較的量化結果，例如氣候系統歷史預報項目（CHFP）集合世界9個中心對1992—2010年歷史回報3和6個月技巧分別能達到90%和82%（圖9b）[34]。這樣的對比結果表明，在Ni?o 3.4海溫距平指標為代表的短期氣候信號預測方面，過去15年提前3和6個月的預測水平，相關性分別提高了5%和6%。

綜合考慮，上述相差大約15年的氣候預測指數的進展，以及目前指標已經非常接近100%的情況，未來3和6個月針對Ni?o 3.4海溫距平預測的指標，分別可能達到93%和86%（2025年）以及96%和90%（2035年）的水平。

5 討論

天氣和氣候模式的發展，主要以業務預報需求為導向。在當前預報時效已經接近可預報性極限的情況下，借助高性能計算新技術和AI等新手段和思路，以及圍繞預報開發新產品支持各種業務服務，成為推動模式預報有效性及其應用的主要手段。其中，新預報量的設計和業務化、下一代預報模式和資料同化技術的研發等，成為目前NWP領域發展的新趨勢。

5.1 NWP水平提升的腳步沒有停歇

ECMWF最新給出了世界領先的5個氣象業務中心2018年和2017年3—5月預報指標的比較（圖10）。其中，在幾乎所有的預報時段，1年里的進步都是“可測量”且是正面的。ECMWF在不斷改進和升級其業務預報模式的同時，2018年，在其模式輸出端新增加了3個重要變量的模式預報場：閃電、總水汽輸送和最大對流有效位能，以支持更多的模式應用和研究。這些新的預報產品提升了服務（如閃電）和天氣診斷（如總水汽輸送和對流有效位能）利用的可能。

圖9 2000年前后NCEP（a）和CHFP項目給出的9個主要氣候預測中心（b）針對Nino3.4海溫距平指標的歷史回報結果Fig. 9 Hindcast results of Nino-3.4 SST anomaly at NCEP from DJF 1997/1998 to DJF 2003/2004(a) and 9 climate prediction centres in CHFP project(b)

圖10 2017和2018年ECMWF（紅色）、UKMO（深藍）、NCEP（綠色）、JMA（橙色）和CMC（淺藍）對北半球中緯度地區500 hPa位勢高度預報技巧得分對比Fig. 10 Forecast skill scores of north hemisphere 500 hPa geopotential at ECMWF (red), UKMO (dark blue), NCEP(green), JMA (orange) and CMC (blue) in 2017 and 2018

ECMWF已經明確將其業務集合預報系統的分辨率從當前的18 km提高到5 km，且試驗表明，提高預報系統分辨率，將提升預報的準確性。針對2017年9月Irma颶風強度預報表明，5 km模式試驗結果顯示出更準確的預報結果。而當集合預報模式的分辨率提高之后，ECMWF當前集合預報系統的模式數量（50個）是否可以大幅度減少，仍然在試驗中。目前的試驗表明，減少模式數量會使中期概率預報的技巧降低。

5.2 2025和2035年兩個時段可期的預報指標

針對學者最新給出的可預報性2D分布圖[4]，基于文獻研究成果，本節選取了反映世界氣象中心的核心業務指標，給出當前以及未來10和20年可能的發展趨勢（表2）。在分析這些指標過去10～20年進步的基礎上，同時考慮了指標接近可預報極限，增幅減緩的可能。

表2中反映氣象業務中心整體能力的所謂核心指標，實際上是氣象業務中心一系列研發工作及其綜合能力在一個總體上的考量。要有效地提升核心能力指標，WMO天氣公開科學會議[3]提出至少以下8個方面高水平的研發工作：1）理論進步；2）重大國際外場試驗和觀測技術（雷達、廓線儀和衛星等）復雜研發互動；3）數值方法挖掘（譜方法、有限元等）；4）次網格尺度物理參數化（深對流、云、山脈等）；5）大氣-海洋-海冰和陸面-水文耦合；6）大氣擴散和空氣質量；7）地面、高空和衛星觀測系統的資料同化；8）高性能計算系統。

目前世界上領先的數值天氣預報機構ECMWF，在醞釀其2016—2025年戰略時，前任中心主任作為作者之一，在著名期刊Nature上發表了評述NWP進步的評述文章，指出天氣氣候預報技術的巨大進步是“靜悄悄的革命”，文后給出了多達100篇文獻，這些文獻在指明了NWP進步所依據的更廣泛領域科學和技術進步的同時，更意味著數值模式能力的提升，需要多領域日積月累的創新研發活動才有可能。

表2 世界領先水平核心預報預測指標目前值和未來（2025年和2035年）估計Table 2 Current values of state-of-the-art core forecast indicators and their extend values in the future (2025 and 2035)