热带气旋路径预报是否已经达到了其可预报性上限?

作者: 来源:中国气象报 时间:2020-10-19

本期嘉宾:中国科学院大气物理研究所副研究员 周菲凡

美国国家海洋和大气管理局教授 佐尔坦·托斯

采访人:中国气象报记者 卢健

本期观点:当前热带气旋路径预报技巧尚未达到其可预报性的上限,并且将以十年提高一天的速度继续增加。据推测,这种提高可以再维持25年到30年。
  在过去的几十年中,得益于数值模式的进步、数据同化的改进、主要来自卫星平台的观测数据的急剧增加以及集合预报技术的使用,热带气旋路径预报技术取得了令人难以置信的进步。然而在近几年,代表其前进步伐的那条一路走低的路径预报误差折线最新的“停滞”与“抬升”,正在引起越来越多科学家的关注与担忧——
  我们已经触碰到热带气旋路径预报技术的“天花板”了吗?如果没有,我们还有多少前进空间,“天花板”会在哪里出现?
  中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室副研究员周菲凡与美国国家海洋和大气管理局教授佐尔坦·托斯经过研究,给出了一个非常乐观的答案:预报技巧的提高尚未止步,未来25年到30年,人们将可以继续享受科学进步在防灾减灾领域带来的红利。
  在大气科学领域,天气系统存在“固有可预报性极限”:从理论上来讲,即使打造出一个几乎完美的数值预报模式,再匹配几乎完美的初始及边界条件,得到的预报误差仍无法趋近于零。“这种极限来源于事物的本质,不以人的认知为转移,是由大气的内在动力系统决定的。”周菲凡说。经过几十年的探索,科学界已经能大致划定这个范围。
  不过具体到某一种天气系统,气象学家张福青曾提出,不同天气系统之间,“详细的误差增长行为有所不同”。在众多天气系统中,2018年,一颗来自东太平洋和大西洋海域的“石子”,激起了关于“热带气旋”这一天气系统的路径预报是否达到可预报性极限的讨论浪潮。
  美国国家飓风中心(NHC)两位研究人员在对该中心2001年到2017年热带风暴以上级别热带气旋的5天预报资料进行统计分析后,得出一个令人震惊的结论:在大西洋海域和东太平洋海域,近5年数值预报关于热带气旋路径预报误差的“减小趋势都不明显,甚至有所降低”。这个“数字停顿”是否意味着热带气旋路径预报已经遭遇天花板了呢?
  周菲凡和佐尔坦·托斯选择剥开数据外衣,进入到内里,从误差增长的动力学角度来寻找答案。“我们有‘一同一不同’,与NHC研究者相比,我们使用的数据完全相同,但根据数据计算得出的‘预报误差’值不同。”
  “‘预报值’减去‘观测值’,即一般业务上所说‘预报误差’概念。但从本质上来说,‘观测值’并非真实值。”周菲凡介绍,因为热带气旋定位是存在误差的,风眼是否清晰、热带气旋是强是弱、观测资料是疏是密,这些因素都会导致误差的产生。
  从实际业务来看,热带气旋定位误差在20公里至30公里左右。受制于客观条件,误差不可消除。“但更接近真实预报误差的数值,则可通过进一步的科学算法去估算。”沿着这个思路出发,团队避开传统预报误差计算,采用“统计分析和预报误差估计方法”(SAFE)后,一个“真实预报误差”的变化规律被揭示出来。
  “我们发现,估计出来的真实路径预报误差具有随预报时长呈指数增长、分析误差随年际呈指数衰减的特征。”这一研究结论意味着什么?周菲凡进一步解释,由于24小时的热带气旋路径预报误差增长率具有很小的年际变化特征,也就是说误差增长的速度在每一年基本是稳定的,而初始误差每年又在不断地减小,因此预报误差实际上每年也都在减小,即真实的路径预报误差实际上一直保持着减小的态势。
  “当然,我们也要理解分析误差指数衰减投射在实际业务中的意义,举例来说,对于‘100’的初始误差和‘10%’的衰减率,第一年减小10,第二年减小9,第三年只有8.1。这好比做任何事情开始取得进步会比较容易,当达到一定水平后,再向前迈一步就比较难了。”周菲凡说。
  站在当下,我们已经梳理出历史的真实脉络,那未来这种态势也将继续保持下去吗?在上述特征的基础上,研究团队构建了一个由4个参数组成的模型,根据该模型,可以预测未来的路径预报误差的演变趋势。结果是令人欣喜的:到2031年,72小时的预报技巧将和2016年的36小时预报技巧相当;到2032年,5天的预报技巧将和2012年的3天预报技巧相当。“我们可以明确地说,当前热带气旋路径预报技巧尚未达到其可预报性的上限,并且将以10年提高1天的速度继续增加。”周菲凡说。
  至此,不免又要回到开头的“天花板”疑惑:可预报性上限的高悬,必然给这种“增长”以期限,那期限会是多久呢?
  在张福青研究的基础上,周菲凡给这个问题提供了一个初步解答:“根据张福青的研究结论,当误差减小到‘一定程度’,就会进入到一个‘不可预报’的量级里。据此,我们可以推断,上述预报技巧的提高速度可以再维持25年到30年。”

(来源:《中国气象报》2020年10月19日三版 责任编辑:王美丽)