气候预测VS天气预报不同的技术基础

 

　　每晚七点三十分中央电视台的天气预报节目深受人们关注。尽管有时会在预报气压系统移动速度和方向上有些误差，但是大多数情况下还是能告诉人们明天是冷或暖，下不下雨等。这其中一个主要原因是，现代天气预报有了卫星、雷达以及几乎覆盖全世界的天气观测网，因此不难看到气旋、反气旋、锋面、台风等带来天气变化的气压系统。一般而言，天气系统的生命史为3天~5天，通过卫星、雷达、天气图，一般均可看到未来1天~2天内可能影响我国的天气系统。同时，又有大型计算机能够利用数值预报模式预报这些气压系统的发展变化，所以总体而言，天气预报是有良好的科学及技术基础的。

 

　　气候预测则不同。哪怕只是预测1个月的时间，天气图上的气旋、反气旋都可能已经发生、发展和消亡了7~8次，早已不知去向。数值天气预报虽然可以计算出未来1个月乃至3个月逐日的气压系统，但是由于误差的累积，到10天之外可用的信息就已经很有限了，这一点对于哪怕是国际上最好的天气预报系统，如欧洲中期天气预报中心来说也不例外。因此，即使将来科学技术进一步发展，要想知道未来3个月内的逐日天气变化也几乎不可能。

 

　　在天气预报理论研究中，这个问题叫做“可预报性”，也就是天气预报的理论上限。目前各种研究都证明上限大约是2周~3周。但是在当前的科技水平下只能做到10天。而且10天之中也只有前5天~6天才能有足够的准确性，后几天的预报仅供参考而已。

 

　　原则和意义体现的是“平均”预测

 

　　那么是不是说3个月的预测就不可能做了？回答是否定的。从物理学角度看自然界，有一个重要的概念就是“尺度”，通俗地讲就是包括时间和空间在内的尺寸大小。例如，从宏观上看，当我们预报明天多云，云量为6时，就是说天空有6/10为云覆盖。但是，这并没有涉及是哪一片云，具体在什么地方，因为预报一片片云的变化是不可能的。从更微观的现象举例，温度是空气的物理属性，温度的高低反映了分子运动。但是，我们预报温度变化时，并不可能预报每一个分子的运动。同样，我们把这种观点用于气候预测，即虽然不能做未来3个月内逐日的有效天气预报，但是却可能预测未来1个月或3个月的平均状况，如总降水量、平均温度等。例如，在做汛期降水预测时，一方面可以预测今年6月~8月总的旱涝趋势，如北方旱、还是南方旱，主要洪涝区在哪里等。另一方面也可以预测6月~7月长江流域的梅雨强不强、7月~8月华北的雨季明显不明显等大致情况。这样就构成了每年6月~8月汛期降水预测的基本框架。

 

　　由于只做1个月或3个月的平均预测，我们称之为气候预测，从而与天气预报进行区别。为了进一步区别与受未来十年到几十年人类活动影响的气候的长期预测，我们将1个月到3个月的气候预测称为短期气候预测，简称气候预测。

 

　　直接目标预测“大气活动中心”

 

　　我们知道，做天气预报是以每天的天气图为基础，从中找出气压系统发生发展的基本规律。而这些规律是以物理学中的动力学及热力学为基础，所以能设计出物理的模型，并通过大型电子计算机计算未来气压系统的发展。

 

　　而气候预测面对的却是更为宏观的现象，所以气候预测的基础是月平均的气压图。月平均海平面气压图上，并不像每日天气图上一样有气旋、反气旋、锋面、台风等，而是范围广大的高压区或低压区，称为“大气活动中心”成员。全世界仅有十余个大气活动中心，其空间尺度比逐日天气图上的气旋、反气旋大了几倍到几十倍。

 

　　所以，气候预测的一个直接目标就是预测月平均图上的大气活动中心，当然还要包括对流层的平均环流系统。但是，控制大气活动中心变化的物理机制与控制逐日天气图上气旋、反气旋活动的物理机制是不同的——大气动力学是控制气旋、反气旋逐日活动的主要因素，而热力学则是控制大气活动中心月季变化的主要因素。曾经有动力气象学家估计，如果没有能量的补给，地球大气运动的总动能将因为摩擦耗损而在5天左右消耗殆尽。因此，原则上说，5天之后的大气运动能量取决于对大气的加热。所以，有的人认为短期天气预报是动力学问题，气候预测是热力学问题。这种提法虽然有一定偏颇，但却恰恰是抓住了问题的核心。

 

　　“噪声”问题决定预测准确率“上限”

 

　　现行的气候预测模式仍然以大气模式为主，虽然考虑了大气的热力学过程，但是对于海洋、冰雪、陆面植被等与大气的相互作用则考虑得不够。因为这需要应用海气耦合模式，或者更广泛的气候系统模式。尽管目前气候系统模式仍处于研制阶段，而且耗资巨大，但通过它做气候预测应该是一个不能回避的途径。换句话说，建立了气候系统模式不一定立即可以把预测准确率提高5%或10%，但如果不建立这样的模式，则几乎永远不可能使预测准确率稳步提高。

 

　　当然，在气候预测中统计学方法也是不可少的。统计学方法可以考虑人们关心的各种可能影响到未来数月气候的因子，如海温、海冰、陆面冰雪覆盖等。尽管有时很难区分找到的信号是真实的还是一种偶然的巧合，但经过细心筛选，人们还是可以得到很大的收益。这也是不能放弃统计预测方法的原因。

 

　　首先说明，100%准确的气候预测是不可能的。例如月降水量受逐日降水影响，我们连2周~3周以上的逐日预报都不可能完全准确，更不用说做好未来1个月或3个月降水量预报了。也就是说，短期气候预报中有一部分是不可能做预测的。用一个术语说，这叫“噪声”，其大小因预测对象不同而异。一般认为，考虑噪声的存在，气候预测的准确率上限在75%到85%之间。因此，当有人用1次、2次预测的成功就声明自己预测的准确率为100%时，我们立刻可以判断这个说法是不正确的。

 

　　现在世界各国的气候预测业务距离这个上限还有很大的差距。气候变暖是当前气候变化的主旋律，即使不做分析，年年、月月预测气温偏暖也能达到较高的准确率。因此这时检验预测的能力，重点要看对冷事件的预测水平。