一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

丑纪范

中国气象局气象干部培训学院，北京 100081

一个创新研究
——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

丑纪范

中国气象局气象干部培训学院，北京 100081

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈－时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分，以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上，探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景.

物理分解，数值模式，极端天气事件，天气尺度扰动，创新研究

1 引 言

极端天气和异常气候事件，比如洪涝、干旱、高温热浪和低温冻雨等，对社会经济和人们的生产、生活有着特别重大的影响.领导和公众格外希望获得对它们的准确预报.随着经济发展和人们活动范围的扩大，短期预报已不能满足社会需求，迫切需要中期－延伸期的极端天气预报.然而，暂且不论“极端”的确切定义，对这些小概率事件，统计预报方法难以奏效.中期数值天气预报模式给这些预报带来了希望，但模式变量的温、压、风与极端天气和异常气候事件之间又缺乏明确的联系.对此，有长期实践经验的个别专家有可能会悟出一些门道［1］，但这终究不是办法.面临的科学问题是，如何客观地建立它们之间的联系，从而可用中期天气预报模式提供的9～10天预报产品作出某种极端气象事件的预报，建立模式变量与天气状况的关系，用气象术语表达是模式输出产品的统计释用，称为MOS.然而对暴雨等极端事件，样本不多，统计方法并非良策.在中小尺度的暴雨短期预报中，Gao等［2］开创的采用湿位温、湿涡度等可称为模式预报产品的动力释用，得到了广泛的应用，取得很好的效果.现在钱维宏等在这一期《地球物理学报》中的文章所建立的关系可称为模式预报产品对极端气象事件的天气学释用.如果人们希望把预报时效提前到10天以上，仅仅凭模式变量与极端事件的同期关系已经不够了，需要找出前期的关系，这是面临的又一个科学问题.北京大学大气科学系的钱维宏研究组对这两个问题进行了系统的、创造性的研究，取得了丰富的成果.首先，该研究组基于中国台站气象观测资料和他们为区域持续性暴雨、热浪、低温、干旱等四类极端天气事件的明确定义，确定了我国近60年来发生的上千次暴雨事件和上百次热浪、低温和干旱事件，出版了《气候变化与中国极端气候事件图集》［3］.以此为基础，该研究组致力于在观测的大气变量和数值模式变量中，突出其中的异常值，即提炼出对区域极端天气事件预报有用的信息.办法是将规则的外强迫形成的气候变化部分从观测变量和模式变量中分离.据此，他们用观测大气变量和数值模式变量制作了扰动天气图.扰动天气图上的扰动系统与极端天气事件之间有密切的联系.该研究组从已有的某种极端天气事件的全部样本出发，寻找同期或前期瞬变扰动天气图上的共同特征，是为倒向问题.依据寻找出的共同特征作为历史的回报和预报，是为正向问题.这一期《地球物理学报》中的9篇文章反映了他们在这方面创新研究的部分成果.本文在归纳钱维宏研究组已有研究的基础上，对大气数值模式变量物理分解的理论意义和潜在的可能应用做进一步的探讨.

2 揭开面纱的分解法

大气中充满了各种时空尺度的变化.在引导天气预报革命性的大气动力学理论中，意义最重大的是尺度分离.从原始的Navier－Stokes（N－S）方程出发，比较方程中惯性力与地转偏向力的大小，从而得到了Rossby数.当Rossby数小于1（运动尺度大于百公里量级）的时候，简化并得到了可指导逐日天气预报的Rossby波方程，从而滤去了与逐日天气变化无关的那些波动，更重要的是把逐日短期天气预报提升到了理论的高度，即天气动力学.这套流体力学的尺度分离思想与方法，后来也为数值天气预报的成功作出了贡献［4］.

天气动力学对逐日天气预报的突出贡献就是Rossby波，也就是预报员每天做天气预报时在天气图上跟踪的“槽来脊去”波动.我们曾经考虑，Rossby波仅仅是全球大气三维空间中波动的水平分支，另外两支分别是经向垂直剖面内的Hadley环流和纬向垂直剖面内的Walker环流［5］.理论上，用这三支环流就可以描写全球大气的主要运动形态了.

上述的例子只是说明，要做好天气预报和气候预测，从混沌的大气变量中得到简化了的有用信息，是多么的重要.在钱维宏的《图集》［3］中，他提出了气候钟的概念，认为观测和模式输出的大气变量中包含着日循环、年循环、十年际和年代际等多时空尺度的已知外强迫下的变化［6］.这些因果关系比较清楚的规则变化就是气候钟，它们是需要认识的，相对这些规则变化的偏差及其出现的极端天气事件和异常气候事件才是需要预报的［7］.他对天气与气候的关系描述是，认识气候及其变化是天气预报的基础.

我们确信，极端天气和异常气候事件与大气的异常运动有关，而大气运动总是有外强迫或激发源的.大气作为相对稀薄的耗散流体，异常运动会滞后激发源，并且异常波动能够传播.大气的这些特性表明，极端天气和异常气候的预报可以找到前期信号.姑且不考虑十年际和年代际以上时间尺度的气候钟或异常强迫，而只关注年（季节）循环的气候钟及其大气的异常变化.钱维宏研究组的一套创新体系的基础就表现在，对大气变量所作的四部分分离，即纬圈－时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分，以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动［8］.前两部分是太阳季节辐射和海陆调节的气候钟，第三部分是赤道海洋与极地热力强迫的行星尺度扰动，第四部分是局地强迫或大气内部运动引起的天气尺度扰动.他们得到，对观测的大气不同连续变量，从1到30天，四部分的相对贡献率是随平均时间变化的.

与球谐函数形式的数学分解有所不同，他们把这四部分的变化与太阳辐射、海陆分布和年际及季节内的强迫联系起来，称为物理分解［8］.在分解的第一个层面上，他们看到了南北半球大气变量以及全球季风降水随季节的变化，并滞后太阳辐射的变化一个月［9］.在分解的第二个层面上，他们认识到了全球对流层低层大气中存在19个大气活动中心，在22个气候槽中有3个行星尺度的季风槽和6个半岛尺度的季风槽［9］.在分解的第三个层面上，他们看到了在对流层顶，有来自赤道与El Nio年际海温增暖有关的行星尺度大气扰动向赤道外的传播，有来自赤道向副热带和中纬度传播的季节内行星尺度扰动，和有来自极地向高纬度传播的季节内行星尺度扰动.南极涛动和北极涛动正是这些行星尺度扰动与稳定的天气尺度扰动在极锋对流层顶叠加的表现［10］.经向行星尺度传播的大气扰动与那些大范围持续性的异常气候事件有联系，如2009年秋季至2010年春季的我国西南干旱事件［11］和2011年初夏江南地区的“旱涝急转”事件［12］.

极端天气事件和异常气候事件往往与分解的天气尺度大气扰动有关.在传统的天气图上，江淮气旋的冷、暖锋面是随高度向冷区倾斜的，暴雨带多位于低空急流的左侧.但在分解后的扰动天气图上，江淮气旋冷、暖锋在700hPa以下几乎是垂直的［12］，暴雨带位于低层大气扰动气流对峙的辐合线上［13］.每年夏季，我国东部都会出现高温热浪事件.钱维宏研究组的分解分析认识到，江南部分地区在7月底出现35℃的高温是正常的气候，而不出现高温才是异常的事件［14］.如果没有足够的经验，在传统的对流层天气图上，从大气变量中很难看到明显的热浪事件异常信号.但在扰动天气图上，显著的250hPa高度扰动和400hPa温度扰动的下方就是地面热浪区，并且这些大气扰动是在几天前，对有些强热浪事件甚至是在十多天前从远方移动而来的，大多数是从欧亚中高纬度移动来的［15］.利用大气变量天气尺度扰动的分析，他们发现2008年初发生在我国南方的雨雪冰冻极端天气的前期冷信号，来自北非—中亚，并绕过青藏高原北侧，最后才到达我国南方地区［16］.利用得到的这一认识，他们提前预报了2011年初的南方地区雨雪冰冻天气过程［17］.

利用大气变量物理分解的扰动，不但可以绘制水平的扰动天气图，还可以绘制垂直剖面上的扰动天气图.如在垂直剖面的热带地区扰动天气图上，早年Madden和Julian［18］提出的热带大气向东传播的40—50天振荡就更清楚了［12］.有些天气尺度扰动当它们的尺度比较大时会在一些地区稳定很长的天数.对天气尺度扰动变量先做月平均，再做旋转经验正交函数展开，钱维宏研究组不但得到了早年Wallace和Gutzler［19］用北半球冬季500hPa位势高度计算点相关发现的5种遥相关型，还新发现了北极地区的“两对偶极涛动”、“欧亚涛动（EAO）”和“大西洋－欧亚型”（AEA）波列［20］.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.

对物理分解后的四个部分，钱维宏研究组把第二部分气候钟描述的季节变化与扰动结合起来，他们又很好的揭示了华南沿海台风在初秋增强的季节锁相［21］.北京大学这个研究组用这套物理分解的方法把前人多年分散研究得到的这么多时空尺度的大气环流系统在一个统一的框架下联系起来了，同时在此框架下还发现了前人没有发现和命名的环流系统，包括遥相关系统.这让我们回想起，门捷列夫化学元素周期表的摸索制作过程，及其对后来化学发展的深远影响.

3 理论问题研究的意义

经过化学领域研究人员的长期努力，今天化学元素的排列关系清楚了，人们利用这些组成关系合成和制造了很多新型材料.人们认识了化学，并利用了化学为人类服务.大气运动中的多时空尺度变化关系也需要先认识，再后预报它们的变化，可为人类利用天气气候资源和避免气象灾害服务.北京大学钱维宏研究组虽然做了努力，但大气运动的复杂性及其与外强迫的关系动力学问题和大量的扰动环流理论问题还没有完全解决，需要更多研究人员的长期不懈奋斗.

既然大气变量四个部分分解是有物理意义的，那么我们希望了解太阳辐射季节强迫引起的大气环流纬圈对称结构的具体演变图像.强迫与大气响应的过程，包括全球季风对强迫响应的滞后时间关系，南海夏季风爆发在南、北半球季节转换突变中的表现，经向－垂直剖面上Hadley环流的演变等.我们希望认识，对流层低层的19个大气活动中心在垂直方向上是怎么变化的？这些大气活动中心的强度和位置季节变化和年际变化会带来哪些地区的异常气候？需要定义和构造怎样的一些大气环流异常指数（指标）？哪些季风（或环流）指数之间是有内在联系（或是独立）的？全球22个气候槽在季节变化上随高度是怎样变化的？它们有怎样的年际和年代际变化，如何表达？它们与区域和全球季风强弱变化有什么联系？这些时间平均的海陆尺度非对称系统季节演变的动力学是否还满足传统大气动力学的那些平衡关系？纬向－垂直剖面上Hadley环流的演变怎样？

大气是一部多时空尺度的热机.只要有冷热源的变化，这些热机就会被启动起来.如果把冷热源也分解成气候钟式的冷热源和异常的冷热源，那么我们只需关注异常的那些冷热源.赤道太平洋上的年际El Nio事件、热带海洋上的季节内热力变化和地球上的冰雪面积季节内变化都会形成行星尺度的冷热源异常.它们在大气变量中的反映可集中在物理分解的行星尺度纬圈平均的瞬变扰动中.在这些行星尺度强迫源的作用下，经向剖面上的半球三圈环流会发生怎样的变化，特别是不同时间尺度强迫源变化与大气行星尺度波动的关系，以及不同行星尺度大气波动在传播中的相互作用，这些问题都需要研究.

更为复杂的问题是天气尺度的大气扰动.它们的激发源是来自外强迫，还是大气内部的运动不稳定？钱维宏等用大量的区域暴雨、热浪、低温、冰冻等的例子，分析了天气尺度扰动信号来源的地理位置和垂直结构.但不同扰动变量之间，为什么有这样的配置，并且牵涉到对流层顶，甚至平流层的扰动？很多的动力学问题，特别是扰动系统的发展问题并没有回答.

可以预见，天气尺度扰动变量描述的大气动力学可能会与不分解的传统大气动力学有所不同.传统天气动力学中的表现形式是Rossby波，是否在扰动天气动力学中的表现形式成了一些扰动涡旋的“粒子”了呢？正像光的波粒二相性那样，即光传播的波动性和粒子性.不管光是按照什么理论传播的，人们总是把光利用起来了，照相机、望远镜、显微镜、汽车后视镜，无一不是.

4 天气扰动应用的前景

在规则强迫的气候钟下，钱维宏研究组提出了大气变量可物理分解得到扰动分量.他们通过大量例子，建立了天气尺度扰动分量与极端天气和异常气候事件之间的联系，这是天气扰动的应用.在天气预报中，当家的预报工具是天气图.根据大气变量四个部分物理分解的关系，自从第一张天气图问世以来的二百多年中，预报员使用的天气图上的信息包含了对指示极端天气和异常气候事件无关的气候分量部分和有关的扰动部分.钱维宏研究组把这部分对极端天气和异常气候事件有指示意义的扰动部分单独提取出来，绘制的变量空间分布称为扰动天气图.长期以来，人们得到的经验是，每个时次的700hPa以下2—3个气压层上的常规天气图上的天气系统可用于预报当日区域暴雨等极端天气发生的具体位置，500hPa形势图用于短期2—3天的天气过程预报，而对对流层上部和平流层的天气图很少在业务中使用.钱维宏等的扰动天气图恰反映出，对流层至平流层的各层变量的扰动都会对区域极端气象事件有指示和预报意义.预报员需要通过大量的例子分析，建立极端天气和异常气候事件与相关扰动量之间的联系.

各级政府和公众对气象预报的要求越来越高.尽管我们现在除了有分布全球的常规探空气象观测网外，覆盖全球的气象卫星观测资料和产品也越来越多.随着全球城市化的发展和高速交通线路的运营，城市局地和交通沿线短时（2～6h，或2～12h）的详细天气预报，特别是高影响天气预报，成为人们的迫切需求.为了预报短时高影响天气，时空加密探测要先行.现在的上海地区，除了常规的气象雷达和10km分辨率的自动气象站观测外，还分布有11部风廓线雷达.风廓线雷达提供了地面至3000m高度上高分辨率风的瞬时观测.这些气象仪器探测到的资料可以在每5min内通过计算机自动收集和处理显示在预报员的面前.按照钱维宏的理论探讨［6］，显示在预报员面前的这些要素中包含了逐时和逐日变化的气候钟式的分量.这些与局地高影响天气关系不大的大气分量要去除.留下的与高影响天气有关的扰动分量还需要进行分析和加工，最后的信息会大大的减少漏报和空报.

在天气预报走向客观定量化的道路上，数值天气预报模式无可替代.在时空尺度上，现代数值预报向两极发展：“一是向行星环流的中长期演变和气候预测发展，另一是向中小尺度的灾害性天气的‘甚短期预报’发展”［22］.建立什么样的模式？提供模式什么样的启动预报的资料？又如何从海量资料中，依据什么物理规则提炼出有用信息？这些又是业务应用中的一系列问题.

问题多并不可怕.过去我们搞气象的人，怕的是没有资料.现在有那么多的资料，怕的应该是没有物理思路和方法.如果我们能够找到一条合理的物理思路和解决问题的方法，各种时空尺度的预报前景应该看好.

5 结 语

现实的对极端气象事件的预报问题研究途径，包括倒向问题和正向问题的双向探索.首先，作为倒向问题，即从已发生的某种极端气象事件的全部样本出发，做大量的例子分析，寻找其数值模式同期和前期来自观测的大气变量的共有特征.然后作为正向问题，依据近期观测的实况或数值模式的预报，当出现倒向问题得出的指标时，作出某种极端气象事件的预报.作为倒向问题寻找出的指标往往不能概括所有全部样本，总有些例外，埋下了漏报的隐祸.这些指标是必要条件，而非充分条件，由此而产生的正向问题存在着空报的可能.如何减少漏报和空报率是今后努力奋斗的目标.从根本上说，是需要将上述物理气候统计的方法发展为动力学的方法.具体的，要研究瞬变扰动天气图上哪些指标有物理意义，以及哪些扰动可能引发极端气象事件的物理机制.这显然是个困难的问题，因为瞬变扰动天气图上的量，比如风速，并非实际的气流.这需要从动力学上证明，实际气流中被分离出的部分，它们对该现象不起作用，犹如实际风在分解为速度势部分和流函数部分时，辐合辐散（垂直运动）完全由速度势部分所产生的那样.只有倒向问题得出的指标获得动力学的阐明，并为实际预报所证实时，那才是真正的指标.显然，要攻克极端气象事件预报的难题，人们还有很长的路要走.

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An innovation study on the physical decomposition of numerical model atmospheric variables and their application in weather extreme events

CHOU Ji－Fan

CMA Training Center，China Meteorological Administration，Beijing100081，China

Numerical weather model variables such as temperature，humidity，pressure（geopotential height）and winds can be decomposed as four components，including the zonal timeaverage climate symmetric part，the time－average climate asymmetric part，the planetary－scale zonal－average transient symmetric anomaly，and the regional－scale transient asymmetric anomaly.Regional persistent extreme weather events such as drought，flood，heat wave，low temperature and freezing rain have closely relations with the present and previous planetary－scale and regionalscale atmospheric anomalies based on the numerical model output.The anomaly weather map may be a new tool to predict the extreme weather events.After a summery of innovation results from 9papers published in this volume，some theoretical problems and applying foregrounds of variable physical decomposition are discussed in this paper.

Physical decomposition，Numerical model，Extreme weather event，Regional－scale anomaly，Weather prediction

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001

P433

2011－12－04，2012－04－20收修定稿

丑纪范，男，1934年生，中国科学院院士，主要从事大气动力学和数值天气预报研究.E－mail：nyz007＠126.com

丑纪范.一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用.地球物理学报，2012，55（5）：1433－1438，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001.

Chou J F.An innovation study on the physical decomposition of numerical model atmospheric variables and their application in weather extreme events.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1433－1438，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001.

（本文编辑 汪海英）