数据下的延伸期天气预报

数据下的延伸期天气预报

(南京气象科技创新研究院,江苏省气象科学研究所 杨秋明)

 

10—30,在天气预报里面,是一个非常重要的数字。由于理论和技术等综合方面原因,东亚季风区环流、降水和温度10—30天延伸期范围内的预报效果进展仍然缓慢。10—30天延伸期预报困难的原因在于其预报时效超越了经典数值模式确定性预报的2周的理论上限。另一方面,基于数据驱动的AI气象大模型由于迭代预报误差增长迅速,在15天以后逐步失去预报能力。怎么解决10天以后的预报,是相当复杂的问题,需要科技界大力攻关。10—30天的延伸期天气预报是主动减灾的一个关键,对于许多管理部门如农业、电力生产、旅游、交通、水资源、灾害风险降低以及卫生健康等的决策,最终的需求是月时间尺度以内的预报。延长10天以上天气预报时效，有利于各级政府提前较长时间组织部署气象灾害防御，高效有序应对各种气象灾害，真正实现对完整的高影响天气事件的决策服务，提高气象服务经济高质量发展水平。2013年6月,江苏省气象科学研究所天气气候实验室课题组网站“延伸期天气预报”(http://www.lcjrerf30.org)正式上线，为10—30天延伸期天气预报搭建了一个即时、专业、实用的广阔平台。这个基于有中国特色的延伸期预报理论并以便捷图形显示的网站，是国内第一个集大气低频环流监测、低频振荡观测和理论分析、极端降水延伸预报产品等为一体的预报试验网站。

2005年以来，南京气象科技创新研究院（江苏省气象科学研究所）杨秋明研究员的延伸期预报研究团队历时10年左右,构建了完整的数据驱动的低频分量系列预测模型框架（LFCF1.0,2.0,3.0）。基于低频分量预测模型框架,建立了一个新的具有原始创新的简单高阶扩展复数自回归模型(ECAR)。这个模型基于全球环流和降水主要低频分量构成扩展数据阵,通过傅里叶变换生成扩展的复序列构成扩展复数矩阵,以及简单高阶复数自回归模型,从多角度识别和描述大量实和虚数据中的主要时滞低频相关和ISO型（大气季节内振荡）变化的多样性。同时,这个数据模型中还采用了近5年来新研制的基于数据变换的实时SSA滤波,较好地抑制序列滤波的边界效应,在实时预报中可以较精确地得到ISO变化信号。实时分量的重建序列分别成为单一和稳定的具有不同周期的主要低频信号序列，随机干扰得到了有效的衰减，显著增强了可预报性，极大地提高了模型实时预测的稳定性和显著延长了预报时效。相关成果在2018年1月发表于《地球物理学研究:大气》（Journal of Geophysical Research: Atmospheres）。

这个简化模型应用于2009—2014年逐日长江下游地区20—30天低频降水实时预测表明,预报技巧能稳定达到28天，比国内外过去20年的延伸预测模型和近两年国际上最新延伸预测模型均具有明显优势,将长江下游地区暴雨(强降水)实时预报时效稳定延长到25—30天。

人类发展永无止境,信息网络创造数字社会。自然界的复杂多变来源于最简单的图像或数据，复杂与简单存在调和之美，而科学则呈现着简单与复杂的辩证法。对于描述大气低频变化的数据模型的构建,诸如简洁、数学表达上的优雅等其他因素可能反而会更重要一些,使用某种更为复杂的决定论模型不会有明显的优势。精细逼真的模型描述会使预报缺乏针对性,纯而又纯的确定论是片面的。随着大数据时代的发展,会改变现有天气气候监测和预报思维模式和方法。纷繁芜杂的观测数据构建了多姿多彩的气象变化世界,更好地整合数据的力量、结合互联网+时代新的数据分析技术和知识来认识天气气候并预测极端天气气候事件是进一步研究的重点方向。通过数据分析科学和技术发展以及数据新产品应用等科技创新,从实测数据和虚拟数据中提取隐藏在扩展数据里的更多有价值的信息及其时间变化,着力研究解决复杂现象的“海量数据+简单逻辑”的问题,反演出可预报性较大的简化数据模型,可以让预报模式从根本上摆脱可预报性的束缚,实现模式的短中期、延伸期和短期气候无缝隙预报预测的能力。

南京气象科技创新研究院（江苏省气象科学研究所）研究员杨秋明长期从事中长期天气预报理论研究与实践，在天气气候预测研究中已取得21世纪初国际水平的科研成果。主持完成国家自然科学基金面上项目1项(“SCGT与夏季东亚ISO相互作用研究及其在长江下游强降水延伸期预报中的应用”,No.41175082),合作完成多项省部级科研课题并多次获得省部级政府科技进步奖。1990年以来在国际权威期刊《Journal of Geophysical Research》和《中国科学》(中英文版）,国内权威期刊《大气科学》（中英文版）、《气象学报》（中英文版）、《物理学报》以及国家级和省部级刊物《地球科学进展》、《应用数学》、《气候与环境研究》等发表论著81篇（独著或第一作者59篇，合著22篇）；代表性论著主要有《The 20―30-day oscillation of the global circulation and heavy precipitation over the lower reaches of the Yangtze River valley》(《Sci China Ser D-Earth Sci》, doi: 10.1007/s11430-009-0156-2,2009）；《长江下游地区降水50－80d低频分量的次季节预测研究》（《气象学报》,doi:10.11676/qxxb2016.046,2016);《冬季长江下游地区气温低频振荡和低温天气的延伸期预报研究》（《大气科学》,doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2007.19208,2021)和《Predictability and prediction of low-frequency rainfall over the lower reaches of the Yangtze River valley on the time scale of 20 to 30 day》(《J.Geophys.Res.》, doi:10.1002/2017JD027281,2018）等。