ECMWF 2019年年报
发布日期 ：2023-05-11
♦李婧华 王卫丹 编译
一、先进的气象服务
欧洲中期天气预报中心的科学家们不断改进和发展综合预报系统（IFS），以推动天气预报的质量达到极限。
2019 年，欧洲中期天气预报中心开发了（1）五次垂直插值法（quintic vertical interpolation）来解决平流层预报中的温度偏差；（2）新版本的弱约束 4D-Var，可改进资料同化中模式偏差的处理；（3）连续长时间窗口数据同化，以最大限度地利用观测数据，这些进展为下一次 IFS升级做好了准备。欧洲中期天气预报中心在 IFS 中实现了云雷达和激光雷达卫星数据的业务使用，并在耦合海洋-大气数据同化方面取得了进展。
新的 ERA5 再分析数据开始用于初始化再预报，欧洲中期天气预报中心的科学家也注意到我们的成员国在一种新的垂直数值方案上所进行的工作，该方案已被应用于 IFS。欧洲中期天气预报中心还对其波浪物理软件包进行了修改，以改进对海浪的预测。波浪物理变化之前已经由法国气象局实施，欧洲中期天气预报中心的科学家对其进行了调整和优化，以用于 IFS。
1.1 五次垂直插值法
多年来，ECMWF 不断努力提高其预报的水平分辨率，目前高分辨率预报（HRES）为 9 km，集合预报（ENS）为 18 km。分辨率的提高大大改进了大部分大气层的预报质量，但也导致平流层中低层的非物理冷却（图 1）。研究表明，这是平流层垂直分辨率不足造成的误差累计的结果。
冬季和春季的平流层变化会影响对流层的天气形势，并且准确的平流层模式信息有助于使用卫星数据来对获取预报初期的地球系统状态的最佳估计。因此，准确表征平流层十分重要。
2019 年，在没有引入计算成本高昂的增加垂直分辨率的方法下，ECMWF 研究了一种解决平流层温度偏差的新方法。结果表明，在 IFS 中，五阶（五次）垂直插值法会导致更多的物理模式行为，降低对水平分辨率的敏感性，并提高平流层中低层的预报技巧。ECMWF 计划在2020 年的 IFS 升级中实施五次垂直差值法。
1.2 处理资料同化中的模式偏差
资料同化结合了短期预报（初估值）和最新观测值，以在预报开始时（分析）估计地球系统的状态。高质量的分析对于成功的预报至关重要。对于大气层，ECMWF 使用4D-Var 资料同化方法。在称为强约束 4D-Var的标准公式中，假定该模式是完美的，且不考虑在短期预报中逐渐积累的任何系统模式误差（偏差）。
结果发现，在这样的假设下，平流层温度在资料同化周期中会出现显著的模式误 差。ECMWF 采用了引入强迫项η来纠正模 式轨迹中累积的偏差（图 2）。
这种新的 4D-Var——弱约束型 4D-Var，可将平流层分析中的温度偏差降低 50%。修订后的 4D-var 将于 2020 年进行的下一次IFS 升级中实施。
1.3 同化云雷达和激光雷达数据
成功的天气预报始于对地球系统当前状态的准确估算。短期预报与最新的地球系统观测结合在一起的资料同化过程可获得此类估计。2019 年 ECMWF 开展的工作首次证明，利用4D-Var 将卫星雷达和激光雷达的云观测数据同化进入全球业务预报系统是可行的，并且可以改进天气预报。
同化试验采用 ECMWF 同化观测数据，测试了添加雷达和激光雷达数据对 10 天预报的影响。结果显示，在一系列关键变量和高度上，预报质量均有提高。如图 3 所示，对第 4～8 天 的 1000 hPa 温度预报，误差减少了约 1%。其他变量也有所改进，但没有达到相同的置信度。
ECMWF 已经利用历史 CloudSat 雷达反射率和 CALIPSO 光达后向散射数据进行同化试验。未来，新的卫星任务将搭载云雷达和激光雷达，如欧洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的 EarthCARE。
1.4 耦合资料同化
IFS 对大气、海洋、海浪、陆面和海冰使用单独的数据同化系统。如果同化系统彼此独立，可能产生内部不一致的分析。耦合资料同化则确保对不同地球系统组分的分析是一致的。
2019 年，ECMWF 对 IFS 进行了大气和 SST 的“弱耦合”数据同化。在弱耦合数据同化中，一个地球系统组分的观测以一定的延迟影响其他组分的分析。以前 ECMWF 已经对大气和海冰进行了弱耦合同化。
在热带而非温带地区进行大气与 SST 的弱耦合数据同化，是由于海洋模式的有效分辨率在热带高于温带地区，温带地区无法分辨漩涡。试验表明，采用耦合大气/SST/海冰数据同化，显著改善了热带和极地地区温度、湿度等大气变量的分析（图 4）。
1.5 利用 ERA5 初始化再预报
再分析数据是结合观测资料与模式信 息，以重建过去的天气和气候，在数值天气预报发挥重要作用。一个使用再分析资料的例子是初始化再预报。再预报是指从过去某个时间点开始，在当前时间作出的预报。再预报用于估计预报模式的气候，从而校准预报产品。再预报还有助于评估延伸期预报技巧和预报技巧的逐年发展。
和预报一样，再预报也需要一组初始条件，再分析数据可以提供这些条件。2019年，ECMWF 采用新的 ERA5 再分析数据取 代了 ERA-Interim 来初始化再预报。测试结果表明，采用 ERA5 后，再预报能力、极端预报指数（EFI）技巧得分以及延伸期异常预测能力均有所提高（图 5）。
1.6 新的数值方案
ECMWF 与其成员国和合作国的专家合作，对计算 IFS 中使用的垂直网格的新数值方案进行了测试。结果非常令人鼓舞。IFS 采用频谱法来求解描述水平方向的大气动力学方程，并采用有限元法来求解垂直方向的方程。由斯洛伐克水文气象局（SHMI）的 Jozef Vivoda 和捷克水文气象局（CHMI）的 Petra Smolíková 领导的一个小组开发了一种新的垂直有限元（VFE）方案。
2019 年，新方案被调整以适应 IFS，并被证明能够满足三个关键要求：需要在垂直方向上提高所选精度的灵活性；在降低精度的情况下具有稳健性，计算效率更高；需要让 IFS 适应更高的分辨率，包括能够运行与当前静力学模式兼容的非静力学版本的模式。
如图 6 所示，采用新的非静力方案对飓风“多里安”进行的 10 天预报，网格间距为 5 公里，与使用新方案进行的等效静力预报非常相似。这些预报与观测到的飓风路径也非常一致。
1.7 海浪升级
海浪是地球系统的一个重要组成部分：海浪取决于大气和海洋的条件，反过来它们又可影响这些条件，例如减慢风速。作为 ECMWF 地球系统方法的一部分，IFS 的波浪模式部分可与大气和海洋模拟两个子系统相耦合。
2019 年，ECMWF 对其波浪物理软件包进行了修改，以改善对海浪的预测。波浪物理软件包可模拟风如何产生波浪、不同的波浪如何相互作用以及波浪能量如何逐渐消散等。
物理软件包的变化包括对波浪的风力输入和深水消散进行新的参数设置，以前法国气象局根据 Fabrice Ardhuin（法国 Ifremer）和合作者所作的工作这样实施过。ECMWF 的科学家们对这些变化进行了调整和优化，使其能够在 IFS 中有效运行。他们确保新的参数化可从模拟的海洋状态向大气模式返回类似水平的反馈，并评估了新的软件包所模拟的海浪对模拟的海洋环流的影响。
这些变化的主要影响是提高了海浪参数的准确性和真实性，如有效波高（大致为最高三分之一波浪的平均高度）。新公式减少了对长周期涌浪能量的过度预测和对风暴路径中小波高的低估。预报结果普遍改善，提前量可达 10 天。