第五章長期天氣過程特征

與長期天氣預(yù)報(bào)

長期天氣過程的特征長期天氣的可預(yù)報(bào)性影響長期天氣過程的物理因子長期天氣預(yù)報(bào)的一般方法第一節(jié)長期天氣過程的特征長期天氣預(yù)報(bào)應(yīng)稱為“氣候預(yù)測”或“氣候預(yù)報(bào)”。當(dāng)前存在問題：業(yè)務(wù)上采用半經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法；而研究人員認(rèn)為數(shù)值預(yù)報(bào)是唯一出路。（氣象局、科學(xué)院、高校的研究重點(diǎn)各不相同）第一節(jié)長期天氣過程的特征“長期天氣預(yù)報(bào)被公認(rèn)為是最困難和成功率最低的一種氣象預(yù)報(bào)”——此話與第一章的結(jié)論矛盾?！盀榱颂岣邷?zhǔn)確率，首先要弄清楚長期天氣過程的基本特征”——這是傳統(tǒng)氣象思路的延伸，不一定適用于長期天氣預(yù)報(bào)（短期氣候預(yù)測）？第一節(jié)

長期天氣過程的特征1.長期天氣過程的非絕熱性

大氣運(yùn)動的總動能僅能維持一個星期左右的時(shí)間。超過7天后，大氣運(yùn)動所需動能必須靠外部輸入。時(shí)間愈長，愈需要外界提供能量來滿足補(bǔ)償動能的消耗。這些外部能量的輸入，就是非絕熱過程（外源強(qiáng)迫）：太陽活動、冰雪覆蓋、陸地溫度、海溫等。2.長期天氣過程的全球性（不同意）

短期預(yù)報(bào)：長波；中期預(yù)報(bào)：超長波；因此——長期預(yù)報(bào)——全球范圍，氣候變化有全球性（全球變暖，也有例外），也有局地性特征。第二節(jié)長期天氣的可預(yù)報(bào)性一、長期數(shù)值預(yù)報(bào)不能像中短期數(shù)值預(yù)報(bào)一樣在預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)做逐日的預(yù)報(bào)，這就是大氣的可預(yù)報(bào)性問題。二、可預(yù)報(bào)性問題分為理論的可預(yù)報(bào)性和實(shí)際的可預(yù)報(bào)性。在考慮天氣預(yù)報(bào)問題的時(shí)候，最終還是“實(shí)際的可預(yù)報(bào)性”重要。三、決定實(shí)際的可預(yù)報(bào)性的主要因素有（誤差）初值誤差（對氣候預(yù)報(bào)而言不必考慮？因?yàn)榕c初值無關(guān)）（非線性系統(tǒng)對初始場敏感）；由于數(shù)值模式內(nèi)部物理過程描述不完整引起的誤差；由于數(shù)值模式所處理的外在物理影響的不完整而引起的誤差；數(shù)值計(jì)算上的誤差。四、一些相關(guān)問題可預(yù)報(bào)性起源于Lorenz的研究工作。蝴蝶效應(yīng)，穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)。上面介紹的都是初值可預(yù)報(bào)性，還有外源強(qiáng)迫可預(yù)報(bào)性。五、可作長期預(yù)報(bào)的原因可以預(yù)報(bào)變量的偏差，即做“偏差預(yù)報(bào)”。長期天氣過程包含緩變過程，即外源強(qiáng)迫的作用。第三節(jié)影響長期天氣過程的物理因子知道有哪些因子，是如何起作用的，也許就可以作出預(yù)報(bào)（比如溫室效應(yīng)——未來全球變暖預(yù)報(bào)）。1964年索耶（Sawyer）提出的可以作為長期天氣異常因子的三個條件：空間尺度1000km時(shí)間尺度一個月以上（火山爆發(fā)）強(qiáng)度達(dá)長波有效輻射（450cal/cm2）的十分之一。（不同意，都建立在尺度分析的基礎(chǔ)上。尺度分析的作用和害處，四兩撥千斤）影響長期天氣過程的主要因子太陽活動：（太陽黑子、太陽常數(shù)、太陽黑子周期長度）；（機(jī)制：直接影響和間接影響）。

海溫：熱容量大，異常持續(xù)時(shí)間長；水汽來源；黑潮海溫；其他作用如CO2、鹽分等。（季風(fēng)，下頁圖）冰雪覆蓋：秦大河、姚檀棟、方之芳、康世昌；高反照率效應(yīng)（高原積雪）；低熱通量效應(yīng)（西伯利亞）；水文效應(yīng)；南極、格陵蘭、陸地冰雪。云的作用：短波輻射、長波輻射、水汽（凝結(jié)潛熱），模式模擬不準(zhǔn)最重要的原因之一。其它因子：土壤溫度（湯懋蒼），作物蒸發(fā)（植被作用，下頁圖），火山爆發(fā)，人類活動，五圈層的相互作用。南亞季風(fēng)（印度季風(fēng)、西南季風(fēng)）A馬斯克林高壓；B南印度洋東南信風(fēng)；C過赤道流（索馬里急流）；D西南季風(fēng)；E南亞高壓東亞季風(fēng)O澳大利亞高壓；P南太平洋東南信風(fēng)；Q過赤道流；S西太平洋副熱帶高壓；T中緯度氣團(tuán)；R西南季風(fēng)（應(yīng)為南海季風(fēng)）；U梅雨鋒帶西南季風(fēng)東南季風(fēng)南海季風(fēng)植被作用反照率第四節(jié)長期天氣預(yù)報(bào)的一般方法在長期天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展過程中，已經(jīng)試驗(yàn)或已經(jīng)提出的長期預(yù)報(bào)方大大只可劃分為以下幾大類：經(jīng)驗(yàn)方法物理統(tǒng)計(jì)方法動力學(xué)方法動力統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（沒有了天氣學(xué)方法）

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

1經(jīng)驗(yàn)方法

經(jīng)驗(yàn)方法在目前長期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中仍然實(shí)用，該方法主要是利用單變量時(shí)間序列的持續(xù)性、周期或準(zhǔn)周期性、相似及韻律等特征作預(yù)報(bào)。（1）持續(xù)性方法許多氣象變量都呈現(xiàn)出某種程度的持續(xù)性，關(guān)鍵是確定持續(xù)性的強(qiáng)度（突出，典型，信度檢驗(yàn)）是否強(qiáng)到在制作長期預(yù)報(bào)是可以利用的程度。（2）周期和準(zhǔn)周期（日，年）如果要使用氣象資料的周期性作長期預(yù)報(bào)，且要達(dá)到一定的準(zhǔn)確率，則必須具備兩個條件：一是觀測到周期性必須是一個真實(shí)物理過程的再現(xiàn)，而不是分析過程人為造成的；二是該周期性相應(yīng)的功率譜必須足夠大，說明該周期不是預(yù)報(bào)變量的隨機(jī)性造成的。QBO，周期性活動對預(yù)報(bào)的作用很小。/////.2物理統(tǒng)計(jì)方法

（1）該方法是目前長期預(yù)報(bào)的主要方法，它一般用到幾個而不是一個物理參量作為預(yù)報(bào)因子：這些預(yù)報(bào)因子通常包括大氣環(huán)流、海洋狀況、冰蓋、雪蓋等，用到的統(tǒng)計(jì)方法主要有逐步回歸、秩相關(guān)秩相識、多層遞階、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開、灰色預(yù)報(bào)等。（2）雖然物理統(tǒng)計(jì)方法是長期預(yù)報(bào)的主要方法，然而它仍存在一些問題：預(yù)報(bào)效果不穩(wěn)定，主要是預(yù)報(bào)方程擬合率高，但實(shí)際預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率低。缺乏深厚的物理基礎(chǔ)。

3動力學(xué)方法和動力統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

動力學(xué)方法和動力統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是長期預(yù)報(bào)領(lǐng)域里被重點(diǎn)研究的方法之一，被認(rèn)為是最終解決長期預(yù)報(bào)方法問題的主要方法（？？）。（1）大氣環(huán)流模式預(yù)報(bào)（曾慶存等）（動力）大氣環(huán)流模式（GCM）一般用于氣候模擬的，但現(xiàn)在有人用它來做長期預(yù)報(bào)的試驗(yàn)，也即從實(shí)際的初值開始計(jì)算，做出未來月或季節(jié)的預(yù)報(bào)，這相當(dāng)于用短期天氣預(yù)報(bào)的方法進(jìn)行外延。月預(yù)報(bào)許多研究都表明，由于大氣初始條件固有的不確定性，大氣確定性可預(yù)報(bào)性限制在兩、三周。但是一些研究又表明，GCM的時(shí)間平均預(yù)報(bào)，隨著平均長度的增長，客觀預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高；時(shí)間平均可以濾去小尺度和短生命史的大氣狀態(tài)和運(yùn)動的分量，并減少位相誤差的影響?！由祛A(yù)報(bào)。季節(jié)預(yù)報(bào)隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長，盡管初始條件對月預(yù)報(bào)仍有影響，但邊界條件的影響就愈來愈重要。這里的邊界條件是指變化非常慢并影響大氣的外部異常強(qiáng)迫，如海洋、冰蓋、雪蓋和土壤濕度等。

（2）概率預(yù)報(bào)（動力統(tǒng)計(jì)）大氣運(yùn)動規(guī)律，實(shí)際上是由確定性過程和隨機(jī)性過程所組成，確定性的問題一般是借助于微分方程用動力方法進(jìn)行描述，而隨機(jī)性的問題是借助于概率論用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行描述。

確定論的—先驗(yàn)的—可預(yù)報(bào)的（動力系統(tǒng)）—但如果控制因子太多，則表現(xiàn)為隨機(jī)的，不確定的（世界可能就是這樣的，比如擲骰子）。非確定論的—后驗(yàn)的—不可預(yù)報(bào)的（隨機(jī)的、概率的）—如果概率有傾向性，表現(xiàn)出一定的可預(yù)報(bào)性。在長期預(yù)報(bào)中一般將動力方法和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合起來，一方面在動力方法中運(yùn)用概率論的思想進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述；另一方面用確定論的方程來研究不確定的大氣隨機(jī)行為。隨機(jī)-動力方法

隨機(jī)-動力的方法可以用概率的形勢預(yù)報(bào)出每一時(shí)間步長的大氣狀態(tài)，實(shí)際上不是直接計(jì)算概率密度函數(shù)，而是計(jì)算非獨(dú)立變量的各階矩，大氣的狀態(tài)就由這些矩來體現(xiàn)。初始的N的態(tài)——未來的N個態(tài)：12345一二三四五蒙特