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下一代地球系统预测——次季节至季节预测战略 发布日期 :2020-06-16  

  预报的前沿领域包括熟练的对环境状况和破坏性天气提前几个星期甚至几个月进行预测,填补目前短期天气预报和海洋预报(未来14天内)与不断增强的长期气候预测(几十年甚至更久)能力之间的空白(图1)。过去十年以来,季节和次季节预测能力(链接1)不断提高,但未来S2S预测仍有很大的提升机会,同样在预报变量的广度和定期提供的预报产品方面也有发展空间。这样做可以为环境预报事业带来极大的益处:挽救生命,保护财产,增强经济活力,提供决策选择。

  

  尽管潜力巨大,但地球系统次季节至季节预测领域,预报研究人员、模式人员和预报员仍面临诸多挑战。人们越来越认识到,S2S预测有许多可预报性来源,但在模式中准确描述这些来源并不是一件容易的事。模式必须准确获得大气、海洋、陆面和冰冻圈的初始状态,以及它们之间的相互作用,即耦合。此外,S2S预测时效越长,描述不确定性和检验过程就越难,比数值天气预报需要越大的计算强度。然而,技术(卫星、计算机等)和科学(模式参数化、资料同化等)的潜力使得S2S预测在未来十年取得进展成为可能。

  另一个重要的挑战是使S2S预测更适用于用户。S2S预报总体没有短期预报技术成熟,发布的时空分辨率较低,可能会包含一般用户不熟悉的概率信息。通过相关研究以及让用户参与其中,这些障碍将会被克服。

  尽管有提升S2S预报的可能,但是伴随着发展还有许多挑战,海军研究办公室(ONR)、NASA和 Heading-Simons 基金会向美国科学总院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)提出一份研究议程,计划在10年内提高S2S研究和模拟能力,改进S2S预测,为决策提供支持。

  未来10年的愿景和研究战略 

  委员会认为S2S预测很有提升潜力,社会多方面将会从中受益。但同时也指出,克服挑战需要不断的努力和持续的投资。

  委员会提出了未来10年S2S预测将像天气预报一样被广泛应用的愿景,明确了4个研究战略和16条指导建议(图2)。4个研究战略分别是:

  1.用户参与次季节至季节预测产品的开发过程;

  2.提高S2S预报技巧;

  3.提高极端事件和破坏性事件及其影响的预测;

  4.在S2S预报模式中纳入更多地球系统组分。

  

研究战略1:用户参与次季节至季节预测产品的开发过程

  许多障碍阻碍着现有S2S预测信息的使用,预报变量和格式的需求不断增加,但却不能方便的获得。提供更多可操作的S2S预测信息,重要的第一步就是制定一个结合社会学和行为学的研究体系,更全面的了解S2S预测产品的当前使用情况和使用障碍(建议A)。这项研究能够揭示产品特征——预报变量、时空分辨率、技巧水平等——使S2S产品对多个部门的决策者更加有用。

  除了上述评估,通过不断的交流和沟通,使S2S研究和业务预报人员与用户之间形成紧密联系,有助于确保预报系统、预报产品以及其它模式输出,从设计一开始就对决策有用(建议B)。需要不断将S2S科学预测性和技术可行性与用户需求和可操作性相匹配,因为科学和用户需求都在不断发展变化。启动科学界与用户之间的“对话”需要把决策者引导到科研和发展过程中,且宜早不宜迟。私营机构和学术界的“边界组织”(boundary organization)(如NOAA区域综合科学和评估方案、哥伦比亚大学气候与社会国际研究所)已经开始了相关研究。利用整个天气和气候的相关机构——不只是公共部门——在发展S2S产品和服务中不断协调沟通很有必要。

研究战略2:提高S2S预报技巧

  尽管S2S预报技巧有所提高,但即使对传统的天气和气候变量(温度、降水)的预报技巧仍提高的有限。提高S2S预报技巧,首先要理解地球系统S2S可预报性来源及其局限。现有研究表明,S2S可预报性来源有: 

  •自然变率(如ENSO,MJO,QBO);(图3) 

  •缓慢变化过程(如土壤湿度、积雪和其他陆面因素,海洋热容量,环流和涡旋位置,海冰); 

  •导致地球系统发生系统性和可预测演化的外部强迫因素(如气溶胶、温室气体)。

  

  这些现象及其相互作用的基础性研究是明确和理解地球系统模式的基础,在此基础上才能提高S2S预报技巧(建议C)。

  除了加强对S2S确定性来源的研究,预报系统的每一个环节都需要付出努力,如提高观测和资料同化方法,改善地球系统模式,改进定量不确定性、偏差订正和检验的方法

  观测 

  常规观测对准确的模式初始场、可靠的模式输出结果、提高物理系统及其可预测性的认识至关重要。尽管大气、海洋、陆面和冰冻圈都是S2S重要的可预报性来源,但与大气观测相比,其余圈层仍然缺乏足够观测。维持和改善地球系统各组分的观测网络对提高S2S预报技巧至关重要(建议E)。

  虽然扩大地理覆盖和许多类型观测的分辨率十分有利,但是成本和组织工作将继续确定为最重要的优先事项。观测系统模拟实验(OSSEs)和其他敏感性研究是探索观测对评估地球系统状态和模式总体性能重要性的有力工具,在改进S2S预报系统观测网的中要优先重点发展(建议F)。

  资料同化 

  资料同化是利用观测对模式进行初始化和升级,对预报定量不确定性、偏差订正和模式验证十分重要。将数以万计的观测数据集合进入地球系统模式不同组分中充满挑战,包括确保初始化动力守恒,将误差增长最小化。考虑到耦合地球系统多种动力组分(如大气、海洋、冰、陆地)是S2S预报的首要任务,发展和实施耦合资料同化方法要在发展S2S模式之前完成。弱耦合(weakly-coupled)资料同化方法在天气预报中越来越多的应用,该方法也有希望改进S2S预报系统。强耦合(strongly-coupled)资料同化方法允许地球系统某一组分的观测影响其他组分的状态评估。这项技术仍处在起步阶段,但有潜力加速资料同化方法向前飞跃。应当在不断探索强耦合方法研究和测试的同时,继续发展弱耦合方法(建议G)。

  模式 

  S2S预报地球系统模式中,有大量的系统误差——许多全球模式都会存在系统误差,如太平洋赤道附近不切实际的强冷舌,虚假的双热带辐合带,许多地区降水预报偏湿或偏干,以及其他种种偏差。模式误差会比S2S预报的目标预报信号还大。因此,减少耦合地球系统模式误差是提高S2S预报技巧的重中之重。

  适度提高模式分辨率会减少模式误差,未来仍要进一步研究。然而,考虑到增加模式分辨率的计算成本,在未来,许多关键的地球系统过程还需要进行参数化。因此,加强物理参数化研究仍然是减少模式误差和提高S2S预报技巧的基础(建议H)。耦合场运动、目标过程卫星任务、科研与业务之间的长期合作对发展模式和模式参数化至关重要。

  偏差订正、组合、检验和优化S2S预报 

  即使改进模式和提高分辨率后,还是会存在一些模式误差。利用多模式集合(MMEs)是目前降低S2S预报地球系统模式误差的最有希望的方法之一。需要大力发展MME预报系统研究。优化多模式预报系统的配置包括研究在MME中添加新模式的成本和效益,评估S2S预报系统设计要素(交换空间("trade space"))需要偏差订正方法、模式分辨率、集合成员数量、平均周期、预报时效、回报(retrospective forecasts)以及次模式耦合(coupled sub-models)的选择(建议K)。研究“交换空间”是很复杂的,研究上需要很大努力,但明确模式性能如何依赖于系统配置,是S2S研究的关键任务。

  检验指标对跟踪和比较模式进展十分重要,同时也是建立用户信任的重要部分。特征检验法(feature-based verification method)和两步检验法(two-step verification method)的研究,回报和再分析的设计考虑,都能够影响用户直接评估各种预测概率的结果,所以改进检验需要与用户进行合作(建议J)。

  科研向业务转化 

  将S2S预报研究中的新思想、新工具和新方法业务化很有挑战,但同时将研究成果更好地为决策提供支撑是十分重要的。MME的研究,如北美多模式集合计划(NMME),已经证明了提升S2S预报技巧的潜力,为发展业务MME提供了很多宝贵的经验。运行当前MME,依靠的是科研经费支持的非业务化机构,这种做法并不十分推荐,但对美国业务机构发展MME业务预报系统还是有重要的价值(建议L)。

  快速发展S2S业务预测系统是委员会的设想,加速研究和业务之间的信息互动十分重要(建议M)。这包括推进和扩展现有机制以促进知识交流,如NOAA气候过程团队,还包括发展新机制促进科研人员访问业务预报数据,比如集合预报、回报和初始场的资料。另外,允许科研人员进行预报系统的特定试验,推动科学发现和技术进步。

研究战略3:提高极端事件和破坏性事件及其影响的预测 

  为了提高S2S整体预报技巧,向用户提供更多的可行性信息,委员会确定了值得特别关注的两个领域,并将二者提升为研究战略3和4。研究战略3对离散事件更加关注,包括2组建议。战略3首先是强调了对天气、气候和其他破坏生产生活的地球系统事件(例如,冬季风暴、极端降水、季风的建立和爆发、热带风暴和热浪)的预测。因此,与提前几天预报特定天气事件不同,提高S2S预测可以确定破坏性后果的概率,特别是在次季节预测范围(约2-12周)。协同努力以提高对破环性事件的预测,将会为社区提供更多的时间进行应对和减轻损害。提高对破坏性事件的预测也可能会涉及发展“机会预测”(forecasts of opportunity)——由于地球系统某些特征,大尺度气候模式的某些阶段(例如,季节循环、ENSO、MJO),或者模态之间的某些相互作用,缓慢变化的过程和外部强迫等因素的存在,在特定的地方,当期望的技巧比平常高时,要及时确定“窗口”(identify windows)。研究这些相互作用,并确保他们在模式中被正确的代表,对提高S2S预测和识别预报机会非常重要(建议D)。

  战略3的第二部分涉及利用S2S预报系统来预测外部强迫引起的破坏性事件的后果。这样的外部强迫包括火山爆发、流星撞击和人类活动(例如,气溶胶、大面积火灾、大量原油泄漏、战争、气候干预)。尽管这些事件本身是不可预测的,但其后果很可能被预测——特别是在S2S尺度。S2S尺度上预测这些破坏性事件的后果将有助于应急和减灾规划(建议N)。政府和学界之间的协同合作,破坏性事件发生后,快速的S2S预报将会有助于后期的恢复工作。

研究战略4:将更多地球系统组分纳入S2S预测模式 

  另一方面,委员会认为需要更多的关注对流层外地球系统模式组分利用和发展,这也是数值天气预报长久以来关注的重点。S2S预测的问题本质上要解决地球系统各组分耦合过程中的接口问题。

  近几十年,模式组件的耦合器不断扩展,各组分在业务S2S预测系统中被更加全面的描述(见研究战略2)。然而,加速开发对流层外模式组分并改善其在S2S预报系统内的耦合的需求不断增长。未来要加速推进耦合地球系统的下一代海洋、海冰和陆面模式,此外还要发展大气模式中的云分辨能力。这需要解决海洋中的涡度分辨率(eddy-resolving resolutions),包括海洋表面波影响、更好的代表海冰、陆面和地表水文过程。其他改进业务S2S预报系统的方法还有提高气溶胶和空气质量、土壤状态和季节性植被生长、水产品和海洋生态系统的预测能力。研究还需要更好地理解新增组分与天气气候系统之间的相互作用,未来要动态集成到业务预报系统中(建议I)。

  改进模式组分对更好地预测在S2S尺度上广泛的地球系统变量同样重要,即使他们在耦合系统中没有强烈的反馈。与用户反复的沟通(研究战略1)可以帮助确定哪些过程和变量对耦合S2S系统及其他系统是最为重要的。

支持S2S预报事业

  类似于天气预报和气候模式,S2S测试系统考验着当前的网络基础设施的极限。S2S预报中涉及的观测数据量、资料同化步长(data assimilation steps)、模式输出、再分析和回报意味着S2S预报模式过程中的数据量是极其惊人的。改进S2S预报模式(如提高分辨率、增加复杂性、产生和保留长期回报)将需要大幅增加(可能是1000倍)计算能力,以及扩展存储和数据传输能力。地球系统模式并没有充分利用当前计算体系,提高模式性能可能需要新算法,这需要在本地处理更多的数据,利用更多的并行计算。未来十年的计算机硬件和软件不一定更快,但会更复杂,这种转变将是颠覆性的。未来的存储技术也将更加复杂和多样,这些创新将需要基础软件发生改变。面对这些未来的挑战和不确定性,美国将受益于制定一个国家计划和投资战略,充分利用现有的硬件和软件资源,迎接各个阶段下新硬件和新软件发展的挑战(建议O)。

  培训优秀的S2S研究人员面临诸多困难。S2S十分复杂,不光涉及计算和传统地球科学,还涉及为了更好的设计和沟通预报产品的科学用户决策。鉴于劳动力有限,委员会认为美国S2S相关工作人员数量并未快速增长,未能与快速发展的S2S领域保持同步。考虑到S2S预测对国家的重要性,需要通力协作,培训、发展和留住S2S人才。这包括了解研究人员的需求及S2S预报所需专业知识,提高奖励和资助支持现有研究人员并吸引新人才,扩大跨学科培养强劲和多样的劳动力,这样才能弥补S2S模式人员和预报产品用户之间的空白(建议P)。

结论 

  报告设想了S2S预测能力的大幅提升,委员会预计通过提升S2S预测能力,社会和个人都会从中受益。报告提出了研究议程,指出了今后必须做的事——观测、基础研究、数据管理并与用户互动——最终目标是提高S2S预测和改善社会效益。尽管报告对下一步工作提出了建议,但并未一一阐明实施过程中的具体挑战——谁将做什么和如何获得财政支持相应工作。研究议程中显著地扩展了当前S2S努力的范围,委员会认为,在现有的组织架构和支持下,可以开展一部分研究工作,但想要实现S2S愿景,还需要更多资源,用以进行基础和应用研究、观测、预报业务和用户参与等。研究议程需要联邦机构和国际合作伙伴之间更紧密的合作,需要研究和业务预报之间就思想火花和数据不断沟通,更需要整个天气和气候机构共同参与。

  同样的,委员会承认显著提高S2S预报技巧及其应用仍面临许多挑战,需要采取很多行动。但委员会重申为实现S2S预测的全部潜力,需要切实执行这些行动。在研究议程范围内开展的研究越多,才越可能实现S2S预测的全部潜力,才越可能让广泛的用户和整个国家从中受益。

  链接1 什么是次季节至季节预测

  季节预测通常指提前一个月或几个季度发布一个季度或者3个月的海洋和大气平均状态的展望。次季节预测通常指提前2-6周预测一周或几周海洋和大气平均状态。在本报告中,“次季节至季节”(S2S)包括了2周到12个月的环境预测。

  链接2 WWRP-WCRPS2S预测项目

  2013年1月,世界天气研究计划组织(WWRP)和世界气候研究计划组织(WCRP)联合推出了一个为期5年的研究项目:次季节至季节预测项目(S2S)。该S2S项目有三大目标:(1)提高S2S时间尺度上的预报技巧和科学认识;(2)通过业务中心和相关领域的应用,推进S2S预测及其宣传;(3)利用天气和气候研究,解决全球气候服务框架的重要问题。S2S项目尤其关注极端天气,包括热带气旋、干旱、洪水、热浪和季风降水。

  S2S项目的中心活动是建立一个多模式数据库,包含次季节预报(60天)和基于全球观测系统研究与可预报性试验(THORPEX)交互式全球集合(TIGGE)的回报。2016年1月,9个业务机构开始将预报和回报数据发送至S2S项目,到2016年底,预计共有11个机构向S2S项目贡献数据。S2S项目利用业务系统,但是预测结果有3个星期的延后,因此目前项目主要专注于利用业务模式输出研究改善后续模式系统。此外,WMO也有项目计划研究近实时(near real-time)预报。

  S2S项目的主要研究内容是评估次季节事件的可预测性,包括可以提高预测技巧的机会窗口(windows of opportunity),尤其关注对社会和经济有重要影响的次季节事件的预测。此外还将关注对农业和粮食安全息息相关的雨季的内季节特征预测。S2S项目围绕6个子课题展开,包括MJO、非洲、极端天气、检验、热带-温带相互作用和遥相关。