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加强气候预测基础研究 实现天气与气候一体化预报  

2016-09-10 20:14:30|  分类: 天气学教学参考 |  标签: |举报 |字号 订阅

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加强气候预测基础研究 实现天气与气候一体化预报

2016-08-25 

加强气候预测基础研究
实现天气与气候一体化预报

中国工程院院士 丁一汇


  加强气候科学的基础研究,深入理解海洋、陆地、生物圈、冰冻圈与大气的交互作用,科学认识多尺度气候变化规律,这是提升气候预报能力的前提与根本条件。

  不断优化月-季-年短期气候预测模式,实现天气和气候预报完全一体化,这是未来预报的发展方向。

  在极端天气气候事件频发的条件下,提升大城市与经济快速发展地区气候变化预估和适应能力,保障国家超大城市群与大型工程安全,有效应对包括由海平面上升引起的复合型灾害的影响是我们当前面临的重大课题。


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厄尔尼诺(左)和拉尼娜(右)是常见的强信号事件。


  当代气候研究有两个最为重要的目标,一是理解气候是如何发生异常变化的,在此基础上对未来一个月或数月以及一年或数年进行科学有效的预测,以达到预防和减轻灾害损失的目的;二是理解气候系统如何在人类活动和自然因素影响下发生长期改变(如全球变暖与极端事件问题),并进行科学有效的长期预估和展望,使人类可以更好地适应气候变化,科学有效地进行气候干预,这是气候变化的长期预测。为实现这两个目标,就要着重研究气候预测的基础理论和预测方法,即深入研究气候发生异常变化的规律、科学成因、可预报性和预测技术,并不断提升气候变化适应能力。

  气候变化是天气气候演变的一个大背景、大格局,它对各个时空尺度的天气气候预测均具有重要影响。一方面,如果不清楚气候变化对大气、陆地、海洋等的影响,对气候背景把握不准,我们在中短期天气预报中就可能出现较大偏差。另一方面,二氧化碳排放、气溶胶、城市化等对气候的影响日益显著,而目前我们对此认识尚不够深入,需要深入研究这种影响的物理与地球生物化学过程。

  首先,无论是长期气候预测还是中短期天气预报,对于陆地、大气、海洋、冰川等各个圈层之间的相互作用研究是提升预报能力的根本。全球气候系统是一个由大气圈、水圈(含海洋)、冰雪圈、岩石圈(含陆面)和生物圈组成的高度复杂的系统,这些圈层不但自身在发生变化,而且它们之间在不同的时空尺度有着明显的相互作用。围绕这些变化和相互作用的可预报性进行集中研究,不但是提升短期气候预测水平的关键,对改进天气预报也是如此。

  其次,升级气候预测数值模式是提升气候预测能力的关键。在强信号事件(如厄尔尼诺)背景下的气候预测中,我们有了一定的经验和基础,可以做出较为准确的预测。但在没有强信号事件背景的时期与年份中,由于不能完全掌握气候系统的变化和影响规律,我们的气候预测效果常常并不理想,预报的技巧总体上不高。

  目前,我国在月-季-年的短期气候预测能力方面与美国、欧洲、日本等还有一定差距。譬如我们的海冰模式基本是从国外引进的,如果海冰预报不准,就会影响北极海冰的预报,进而影响冷空气和雨带的预报。在月-季-年的时间尺度上,目前在海气耦合强迫信号的气候影响上预报能力相对较强,但对阻塞高压、低涡等中纬度天气系统的预报能力还很有限,这就需要我们找到稳定而可靠的短期气候预测的早期信号,并以此为核心提升预报预测能力。当然,月-季-年的短期气候预报模式不是短时间内就能快速改进的,可能需要5至10年的时间才能有较大提升。

  因此,我们既要加强气候系统各组成部分之间相互作用的物理机制和地球生物化学过程研究,提高气候变化长期预测的可信度,又要不断升级月-季-年的短期气候预测模式,同时还要大力发展2-5周的延伸预报。这样三方面发展的必然结果就是天气预报和气候预报完全一体化,实现无缝隙预报。天气预报本来就受到气候的影响,如果对于气候这个大背景的预测出现偏差,必然影响天气预报的准确性。譬如,厄尔尼诺事件发生时,海洋蒸发量加大、水汽输送增加,大陆可得到更多的水汽。如果在天气预报过程中不考虑有无厄尔尼诺发生的大背景,即是否有水汽增加的影响,那么天气预报准确性尤其是降水预报的精度就会大大降低。气候变暖之后,台风强度增强,如果还按照气候变暖之前的模式进行预测,那预报的台风强度肯定就会偏弱。

  天气气候预报一体化模式在我国还未正式起步,但肯定是未来发展方向。一体化模式不等于天气和气候预报用一个模式,而是在做天气和气候预报时,将其纳入同一模式框架,对同样的物理过程用不同的模块(如不同分辨率与参数化方案)来进行天气和气候预测。为了满足天气预报的需求,一体化模式的分辨率要很高。现在英国已经基本实现了天气气候预报一体化,其气候预报区域模式分辨率可达到3公里。

  最后,在加强气候变化研究,改进气候预测模式的同时,我们还需要提升对于气候变化的适应能力。这主要体现在三个方面:首先是加强气候变化对超大城市群影响和适应措施的研究;其次是加大对国家重大工程的安全保障问题研究;三是海平面上升引起的复合或迭加灾害对沿海地区影响的研究。为了保障这些方面的有效进行,建立现代化的综合监测系统和早期预警系统是关键。

  政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出,气候变化将对粮食和水安全等产生潜在的负面影响,威胁沿海城市安全,贫困人口将增多。这就要求我们在加强气候变化研究的同时,需要广泛普及关于气候变化的研究成果,让越来越多的公众了解、认识并参与到应对气候变化的行动中来。只有这样,我们才能尽可能减少气候变化带来的风险。


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