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翟盘茂, 倪允琪, 陈阳. 我国持续性重大天气异常成因与预报方法研究回顾与未来展望. 地球科学进展, 2013, 28(1177-1188): 1188[Zhai Panmao, Ni Yunqi, Chen Yang. Mechanism and forecasting method of persistent extreme weather events: review and prospect.Advance in Earth Science, 2013, 28(11):1177-1188]  
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我国持续性重大天气异常成因与预报方法研究回顾与未来展望
翟盘茂, 倪允琪, 陈阳
中国气象科学研究院,灾害天气国家重点实验室,北京 100081

翟盘茂(1962-)，男，江苏宜兴人，研究员，主要从事极端天气气候事件诊断研究. Email:pmzhai@cma.gov.cn

基金:国家重点基础研究发展计划项目#cod#x0201c;我国持续性重大天气异常形成机理与预测理论和方法研究#cod#x0201d;(编号：2012CB417205)资助.
摘要

持续性天气异常具有非常强的致灾能力,对人民的生命财产安全以及社会经济的健康发展构成了严重的威胁。然而,现阶段其形成机理尚不清晰,对其预报方法的研究也不足。在回顾国内外持续性重大天气异常相关研究的基础上,提出了针对持续性重大天气异常如何开展预报时效为1～2周的预报研究的重大科学问题,并围绕这个问题,提出可以将大气慢变过程、多尺度相互作用、复杂下垫面强迫和海陆气相互作用几方面作为相应的切入点并最终建立起动力预报与物理统计预报相结合的预报理论和方法的研究思路。以期通过开展相关研究,弥补对持续性重大天气异常系统性研究的空白,进一步延长这类高影响天气事件的预报时效,提高对其预报的准确率。

关键词: 持续性重大天气异常; 持续性暴雨; 低温雨雪冰冻灾害; 1-2周预报
Mechanism and forecasting method of persistent extreme weather events: review and prospect
Zhai Panmao, Ni Yunqi, Chen Yang
State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing100081, China
Abstract

Persistent extreme weather is of high disastercausing capability, represents a great threat to the safety of both people and property and results in substantial economic losses. However, the underlying mechanism of such highimpact weather remains unclear, and related forecasting methods are quite understudied currently. Based on the comprehensive reviews of the relevant studies about persistent extreme weather, the prediction of such events within the period during 1～2 weeks in advance is believed to be a significant scientific issue. For this scientific problem, the studies of atmospheric lowfrequency process, the interaction between multiscale systems, the forcing of complicated underlying surface and sealandatmosphere interactions are necessary to be performed. These multiperspective studies will favor the final establishment of the corresponding forecasting theory and method based on the combination of dynamical prediction and statistical predication. It is hoped that the deficiencies in systematic studies about persistent extreme weather may be made up through pertinent studies, which will prolong the time length of forecasting and increase the prediction precision of such highimpact events.

Keyword: Persistent extreme weather events; Persistent extreme precipitation; Persistent low temperature and freezing; Prediction of 1～2 weeks in advance.
1 引言

持续性天气异常可以引发多种严重的气象灾害,如夏季持续性暴雨引发的洪涝、持续性的高温热浪、冬季雨雪冰冻灾害、春秋季低温连阴雨以及持续干旱少雨天气等。据初步统计,1951—2005年在淮河流域发生超过3天的持续性暴雨过程有17次,长江中下游有40次,华南地区有18次[ 1]。1951—2008年我国冬季发生持续性雨雪冰冻灾害过程共有8次,持续天数均在10天以上,最长为2008年达19天[ 2]。对近60年来我国持续性暴雨事件的统计发现该类持续性重大天气异常事件呈现出频次增多,强度增大,影响范围呈不断增长趋势[ 3]。如,1998年夏季,长江流域持续性强降水长达40天,前后发生了2次分别长达10天和6天的持续性强降水,尤其是发生在1998年7月20～25日的一次持续性暴雨,3天(20～22日)的总雨量达655 mm,造成洞庭湖水系发生20世纪第二严重的特大洪水。据国家防总统计,这次持续性暴雨过程所引发的全流域洪涝灾害造成直接经济损失达2 500亿元人民币,死亡人数超过3 000人。而在冬季,持续性低温雨雪冰冻灾害同样在我国广大地区频繁发生。如,2008年1～2月,我国20多个省市遭遇了持续长达20天的低温雨雪冰冻灾害,造成我国南方大范围电力中断,交通堵塞、春运停滞,给国民经济造成超过1 900亿元的损失。此外,2013年入夏以来的华中、华南地区的持续高温热浪,东北地区和四川盆地的持续性强降水引发的洪涝灾害以及2010以来的云贵川地区的连年干旱都使得国民经济遭受重大损失,给人民的生产生活造成了严重的影响,甚至威胁到人民的生命财产安全。因此深入了解持续性重大天气异常,提高其预报能力,延长其预报时效对社会和经济的发展具有十分重要的意义,是各级政府与广大人民群众对气象科技工作者提出的迫切需要解决的科学问题,同时也是国家的重大需求。

研究我国持续性重大天气异常形成机理的新理论和新预报方法,把预报时效延伸到对政府有决策价值的时间长度(1～2周以上)已成为我国气象领域面临的重大挑战。鉴于1～2周以上的天气预报是介于短期天气预报和短期气候预测之间最薄弱的环节,缺乏有效的预报理论和方法,对其的研究也是当今国内外气象界共同面临的重大前沿气象科学技术问题。目前最先进的天气预报的时效为10天左右,我国目前天气预报的能力已经接近7天。中国气象局发展了中尺度暴雨短期数值预报模式系统,对强降水过程在3天以内预报准确率有明显改善。在气候预测方面,在国家多个重大研究项目和“九五”重中之重攻关项目支持下,我国发展了以海面温度异常和青藏高原积雪异常的外部强迫信号等为主要因子的短期气候预测的理论与方法,虽然预测能力有限,但已经具有较完整的理论基础,基于动力与统计相结合的短期气候预测业务系统已经建立。然而,我国在时效为1～2周及其以上的延伸期预报领域一直没有重大突破。

与此同时,针对高影响天气的时效为1～2周的预报也是国际大气科学领域的最前沿问题。2003年以来,世界天气研究计划(World Weather Research Program, WWRP)开始实施“全球观测系统研究和可预报性研究计划(The Observing System Research and Predictability Experiment, THORPEX)”,把提高1～14天高影响天气预报准确率的研究推向了国际大气科学领域的最前沿。该计划围绕可预报性与动力学过程研究,试图通过研究利用各种概率集合预测技术,把具有一定技巧的灾害性天气预报的时效延伸到有决策价值的时间尺度(至14天)。2005年,世界气候研究计划(World Climate Research Program, WCRP)提出了为期20年的地球系统的协调观测和预报(Coordinated Observation and Prediction of the Earth System, COPES),把建立从几周到几十年,最后到上百年的无缝隙预测作为它主要科学发展方向。目前欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)已经在开展10～30 天的预报,美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)、加拿大气象局(The Meteorological Service of Canada, MSC)等单位也正在开展1～2周及其以上的预报试验。最近,WWRP和WCRP也在积极促进天气气候合作研究,以推进季节内的预测,形成天气预报到气候预测无缝隙的预报。并且认为,无缝隙天气气候预报,包括集合预报是WWRP-WCRP四大主要合作领域之一,多模式集合是改进长期预报的重要途径[ 4]。

2 研究进展
2.1 国外研究现状和发展趋势

2.1.1 国际上的机理研究

大气的遥相关可以通过大尺度环流异常引发重大持续性天气异常。Wallace[ 5]首先揭示了北半球冬季500百帕高度场的5对典型的遥相关型,Hoskins等[ 6]指出某些遥相关类型可能是定常罗斯贝波传播的结果。针对北半球夏季大气环流,Huang and Li[ 7]提出了东亚太平洋(East Asia/Pacific, EAP)波列(即P-J波列[ 8]),并指出其发生发展可以给日本带来持续冷夏或热夏以及造成中国东部地区的干旱或洪水；Enomoto等[ 9]发现还存在一种沿着亚洲急流传播的所谓“丝绸之路”的波列,也能对亚洲的天气气候造成重大影响。近年来研究发现,在冬季大气平流层的低层,当北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)出现极度异常时,北极涛动(Arctic Oscillation, AO)持续的时间尺度增长,同时也使得地面气压出现持续异常响应,因此可利用平流层低层NAM信号来预报AO[ 10]。对AO及北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)形成过程的研究表明,它们在不同尺度上的位相关系的差异取决于局地的波—流相互作用过程。拉尼娜(La Niña)通过影响大西洋上空急流及行星尺度的准定常波加强30～60天时间尺度上的异常,而在10～20天时间尺度上的AO与NAO是同步变化的,说明它们都是同一物理现象及大西洋上天气尺度波的破碎的反映[ 11]。上述大气遥相关的稳定性和持续性,常常能够引起大尺度环流的持续异常,进而产生持续性异常天气。如Archambault等[ 12]指出当NAO和太平洋-北美遥相关型(Pacific/North American, PNA)持续维持在高(低)指数时会使得美国的东北部地区的冷季温度和降水出现持续性的异常。对于这方面的研究,同陆面过程和海陆气相互作用在持续性重大天气异常机理中的热力动力作用一样,总的讲来仍处于一种起步阶段。在2008年大气海洋遥相关的国际会议上,指出遥相关也可以被用作预报工具,改进预报能力,在热带外地区,其可预报时效可达1～2周[ 13]。

国际上很重视阻塞高压等稳定的天气系统对持续性重大天气异常的影响机理研究。Berggren等[ 14]早在1949年就指出阻塞区域上游强的斜压天气尺度波对阻塞的形成、维持和发展起着非常重要的作用。Carrera等[ 15]指出位于阿拉斯加地区的阻塞高压对下游地区的风暴轴,500 hPa位势高度等要素都会产生持续的影响。针对2010年巴基斯坦的持续性强降水引发的洪水,很多研究指出位于巴基斯坦上游地区的阻塞高压的维持和由此引发的能量的频散对强降水的发生和维持起到了至关重要的作用[ 16, 17, 18]。在对2008年年初中国南方的持续性低温雨雪冰冻灾害过程中,位于乌拉尔山地区的阻塞高压的稳定维持对异常大气环流的稳定同样必不可少[ 19, 20]。近几十年来,对北半球温带冬季持续异常天气形势的结构及成因分析,及其对区域天气异常的持续影响与动力过程、Rossby波的活动及其分离传播间的相互作用对持续天气异常形成的影响机理等方面,均已取得了不同程度的进展[ 21, 22]。

在THORPEX计划中的欧洲计划部分曾组织相关世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)成员国实施了系统性的有关阻塞形势及其对持续性天气异常影响机理的系统性研究[ 23]。该计划在对可预报性影响的框架下将大气阻塞与低频变异以及多尺度相互作用等并列为动力过程机理研究中的重大科学挑战之一。

2.1.2 国际上的预报理论与方法研究

在数值天气预报取得成功的基础上,启发了人们用数值模式进行延伸期预报试验,并取得积极的进展。Miyakoda 等[ 24]从中期预报试验开始,改进了模式和资料问题,试图将预报延伸到月尺度。此后,利用全球模式(Goddard Institute for Space Studies, GISS)开展了延伸期预报研究。Gilchrist[ 25]和Mansfield[ 26]发现对预报进行时空滤波可提高预报技巧。Bengtsson[ 27]发现数值模式对一些个例的阻塞形势显示出相当的预报技巧,Cubasch等[ 28]曾用ECMWF谱模式研究中期延伸期的可预报性问题。早期的延伸期预报的数值模拟试验大部分采用的是大气环流模式,没有与海洋模式耦合。初始场用大气的实际初始场,海温则大多采用气候平均或初始海温持续不变,一般只积分到30天。有一定技巧的预报主要集中在前10天。因此,这些试验在当时并未使得延伸期预报投入业务应用。

事实上,对持续性重大天气异常1～2周以上的预报主要取决于一些大气的慢变过程和地球表面的外强迫因子。例如,海面温度十分重要,土壤湿度、植被和冰雪覆盖等下垫面状况也很重要[ 29]。延伸期预报时效还可在大气的持续记忆的特点和一些长生命史的缓慢振荡中挖掘潜力：

(1)国际上近年来把大气低频振荡作为持续性天气异常延伸预报的关键切入点进行研究与预报试验。低频振荡是大气环流的准周期变化,主要有2个主要频带,分别为10～20天和30～60天。Madden and Julian[ 30]首先在热带地区发现30～60天振荡,后被称为MJO (Madden and Julian Oscillation)。随后相继有一些研究发现季风区的环流、对流和降水等都具有明显的低频振荡,而且具有明显的北传特征[ 31, 32]。对于绝大多数异常天气现象,目前确定性的天气预报限制在10天以内,而MJO活动在季节内的时间尺度上可能存在至少15～25天(甚至更长)的可预报性[ 33]。利用MJO的准周期变化特征来预报相关地区的持续异常天气过程一直是国际努力的方向。正是基于这个目的,Wheeler等[ 34]建立了实时多要素相结合的MJO指数,并将其应用于澳大利亚的气象预报试验中。一些国家和地区也利用这个指数研究MJO与各地大气活动的关系[ 35, 36, 37]。

(2)集合预报是提高已有条件下的数值预报能力和延伸预报时效的重要途径之一。天气和气候模式由于对初值敏感和模式物理过程的不确定性,导致模式预报结果与观测之间存在较大的偏差。利用不同初始条件所做预报的集合预报技术可以减少初值敏感等带来的误差。同样,采用多模式结合(Multi-Model Ensemble, MME) 可以减少由于模式物理过程的不确定性而导致的预报误差,从而提高模式的预报技巧(图1)[ 38]。

图1 亚洲季风区区域平均的超级集合(粗实线)以及单独的大气模式对比计划(AMIP)中的模式(细实线)的均方根误差[ 38](a)对850 hPa经向风的预报(单位：m/s)；(b)对降水的预报(单位：mm/d)Fig.1 Asian monsoon domain average rms error for the supersemble (heavy line) and the selected AMIP models (thin line)[ 38](a)850 hPa meridional wind (unit:m/s); (b) Precipitation (units: mm/d)

图1摘自Krishnamurti发表在《Science》上文章,该图清晰地显示了MME的误差要比任何一个单独预报模式的误差要小。

可以看到国际上目前十分重视持续性重大天气异常的研究,通过加强观测资料应用,实施科学试验,从多尺度相互作用角度探索持续性天气异常形成的机理,加强海陆气耦合模式发展和应用,通过大气遥相关、低频振荡、多模式超级集合等手段努力挖掘预报潜力等方面是当今国际大气科学界研究持续性天气异常机理、预测理论和方法的重要发展趋势。

2.2 国内研究现状和发展趋势

2.2.1 我国在机理研究方面的早期探索

持续性强降水的发生往往与大尺度环流的持续异常直接相关。叶笃正等[ 39]、陶诗言等[ 40]系统地研究了大气环流的若干问题和北半球冬季阻塞形势,认识到不同时间尺度的天气过程是与不同空间尺度的长波或超长波活动相联系的。章基嘉[ 41]发现了超长波的移动不仅与波长有关,而且与大气的斜压性和地形有关。20世纪80年代,陶诗言[ 42]提出经向型和纬向型两类持续性暴雨的概念模型。1998年夏季长江流域发生持续性大暴雨后,陶诗言和倪允琪等[ 43]的研究指出持续性天气异常出现时,亚洲中、高纬度往往出现阻塞形势,西太平洋副热带高压总体偏强、偏西。对2008年1～2月南方持续性冰冻雨雪天气的研究[ 44]表明乌拉尔阻塞高压持续的时间超过20天,西太平洋副热带高压偏西偏北。这些研究表明我国持续性强降水天气与中高纬的阻塞高压和中低纬的西太平洋副热带高压的同时持续稳定强大密切相关。

我国学者在20世纪80年代前后开展了对低频振荡的研究,特别是在低频振荡与东亚季风的关系上开展了广泛研究[ 45],指出30～50天振荡的北传与夏季风雨带的推进有密切关系[ 46]。以1991年发生在长江流域(28～32°N,115～122°E)的2次持续性强降水(6月12～15日,7月1～11日)为例,如图2所示,2次持续性强降水过程都对应着明显的低频振荡的增强过程。很多研究从不同角度讨论了低频振荡与我国华南暴雨、长江流域洪涝、东北持续性冷涡暴雨过程和冬季低温雨雪冰冻灾害的关系,并指出了低频振荡对延伸期预报的指示意义[ 47]。

图2 1991年长江流域(28°～32°N,115°～122°E)降水小波分解(a)为区域平均降水序列(单位:mm)；(b)降水序列的小波能谱,其中基小波采用高斯函数的6阶导数,粗实线代表通过95%信度检验,虚线以外的地区表示头部效应对分解结果影响较大的区域；(c)为全时段小波谱,虚线代表信度为95%的红噪声能谱Fig.2 Wavelet analysis of precipitation of Yangtze River (28°～32°N, 115°～122°E) in 1991(a) Displays the regional averaged precipitation (unit: mm); (b) Represents the wavelet power spectrum of precipitation, areas surrounded by bold contours denote that the power exceed 95% confidence level; the dashed lines indicate the region under the edge effects;(c) Shows the global wavelet spectrum, with dashed line indicating the red noise spectrum at the 95% confidence level

2.2.2青藏高原的重要作用

过去几十年,在第一、第二次青藏高原科学试验和中日气象灾害合作研究中心计划(JICA)项目等现场观测试验的观测研究、理论分析和数值模拟研究中,提高了青藏高原对我国天气、气候影响的认识。叶笃正等[ 48]首先揭示了高原的热力作用,Wu等[ 49]指出高原热力作用对于亚洲季风的爆发起到“抽吸泵”的作用,它还会激发一个自东亚沿岸经白令海峡直到北美的一个异常波列。孙建华等[ 50]指出在有利于降水发生的大尺度环流背景下,高原低值系统的频繁东移是导致江淮流域致洪暴雨天气中的重要原因(图3)。

高原上空的低频振荡及其影响的研究是我国学者对低频振荡领域研究的又一重要贡献。研究发现,青藏高原上空的环流和降水都具有明显的低频振荡特征,夏季以30～60天为主,而冬季以准20天为主。Liu等[ 51]还利用数值试验证实当高原热源达到一定强度时能激发出双周振荡。青藏高原上形成的大气低频振荡可以向北传播,也能向东频散,与南亚高压的活动密切相关。高原大气低频扰动的传播对持续性降水过程有一定影响[ 52, 53]。

需要指出的,受观测条件的制约,在青藏高原对下游持续性天气异常影响机理等方面不系统和深入,急需进一步加强。

图3 2003年6月27日至7月11日淮河流域致洪暴雨的天气学模型(a)和(b)分别为500 hPa位势高度(单位:10 gpm)27.5°～32.5°N平均经度时间剖面图和110°～130°E平均纬度时间剖面；(c)为110°～120°E平均的700 hPa温度和经向风纬度—时间剖面,等值线间隔为2 ℃,实线表示温度≥0 ℃,虚线表示温度≤0 ℃,阴影：偏北风；(d),(g),(h)均为淮河流域(32°～34°N,115°～120°E)日均降水量(单位：mm)；(e)表示110°～120°E平均的季风涌随时间的演变,箭头表示整层(地面到300 hPa)的积分水汽通量(单位：kg/(m·s));阴影表示风速≥12 m /s；(f)为32°～34°N 600 hPa涡度(≥0,单位：10-5s-1)的经度—时间剖面[ 50]Fig.3 The synoptic model for the floodingcausing heavy precipitation in Huai River during 2003.06.27-2013.07.11(a)and (b) Denote longitudetime (27.5°～32.5°N )and latitudetime (110°～130°E) plot of geopotential height at 500 hPa (unit: 10 gpm); (c)Displays the latitudetime (110°~120°E) plot of meridional wind and temperature at 700 hPa, with contour interval 2 ℃, the shadings indicates the northerlies; (d),(g)and (f) Represent the daily precipitation (unit:mm) of Huai River (32°~34°N,115°~120°E); (e) Shows the evolution of the monsoon flux(110°～120°E), with arrows indicating the verticallyintegrated water vapor flux from ground to 300 hPa ((unit: kg/(m·s)),the shadings denote that the wind speed is greater than 12 m/s; (f) Shows the longitudetime (32°～34°N) plot of vorticity at 600 hPa, with shadings indicating positive vorticities (unit: 10-5s-1)[ 50]

2.2.3 我国针对延长预报时效的探索

过去几十年,我国中期天气预报的发展主要经历了自然天气周期法、天气型分类法、指数循环法等统计与诊断预报方法和以中期数值预报为代表的动力预报方法的发展历程。最近十多年来,中期数值天气预报取得了很大的进展,特别是资料同化技术和模式的性能都有了很大的提高,模式的耦合技术也有了进一步发展。

在国外探索利用大气环流模式试做月平均预报的同时,我国学者创造性地提出一种距平滤波模式的理论和方法[ 54],对500hPa高度和地表温度距平场的月预报取得了令人鼓舞的效果。史久恩等[ 55]考虑大气具有确定性和随机性的双重性质,基于大气动力模式,根据蒙特卡洛预报和滞后平均预报的思想,开展了利用动力—统计模式进行月平均环流集合预报试验。张培群等[ 56]提出了一种利用历史天气资料来改进月动力延伸预报的方法。

最近,孙国武等[ 57]采用低频天气图的分析方法进行时效为15～45天的延伸期预报试验,为延伸期预报提供了一种新的方法。钱维宏等[ 58]通过将气象要素场进行时空分解,将变量分解为纬圈—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4个部分,对持续性异常天气的预报也进行了一些新的探索 。

总的看来,我国虽然开始探索发展延伸期预报技术,但针对持续性重大天气异常的机理和预报理论研究这样的重大科学难题还缺乏深刻认识。从科学上看,虽然对持续性重大天气异常1～2周以上的预报具有挑战性,但当出现重大持续性天气异常时,相应的大气环流异常也持续稳定,这种持续性使得超过1周以上的预报具有较大的可行性。

3 亟需解决的关键科学问题和需研究的内容

开展持续性重大天气异常的预报必然要涉及到预报强降水持续时间、出现的区域和范围以及强降水的强度,同时也还涉及到预报时效要达到1～2周以上的难题。为此,我国持续性重大天气异常机理和预报理论研究面临以下3个方面新的科学问题：

3.1大气环流多尺度相互作用的影响

持续性重大天气异常通常发生在有利于其形成的大尺度环流持续异常背景条件下,不断出现能产生强降水的天气尺度系统的频繁活动以及形成有利于产生强降水天气系统生成、发展的动力、热力条件与水汽条件[ 59, 60]。正因为如此,其研究主要涉及到大尺度环流和天气尺度系统之间的相互作用；它还涉及到不同空间尺度的大气环流的相互作用；还涉及几小时(中尺度系统)至几十天(低频波)的多时间尺度相互作用的问题。所以它具有多时空尺度相互作用、不同层次、不同纬度带大气环流的相互作用的复杂性,它是国际大气科学界在天气领域的一个研究难点。

主要的研究内容需从半球尺度、大陆尺度、天气尺度和中尺度多尺度天气系统的相互作用入手,研究产生持续性重大天气异常的多尺度天气波动的演变特征,剖析大气遥相关对持续性天气异常环流的作用,研究形成我国持续重大天气异常的低频振荡的形成源地、传播特征及其对持续性重大天气异常形成的作用和机理,以及研究建立形成我国持续性重大天气异常的物理模型。

3.2持续性重大天气异常形成的根本原因

能否产生持续性重大天气异常,特别是持续性强降水取决于大尺度环流的异常程度和持续时间,既取决于来自海洋上的暖湿空气的强弱和持续时间,同时也取决于来自于北方的冷空气的强度和持续时间,只有当冷、暖空气稳定地持续对峙时才会形成我国持续性降水天气,这种条件不仅适用于夏季,冬季也是如此(图4)。重大持续性天气异常的形成,涉及到局地复杂的下边界强迫以及海陆气相互作用影响的物理过程、尤其是青藏高原的动力和热力影响。因此,研究复杂下边界强迫、海陆气相互作用的物理过程,特别是青藏高原的动力与热力作用的影响,利于深入了解持续性重大天气异常产生的大尺度环流的持续异常与中低纬度活跃的天气系统。

其中的研究内容有高原大地形动力和热力异常激发的准静止行星波对我国持续性重大天气异常的影响,高原天气系统群发、频发和持续东移对我国持续性强降水的影响和作用；海陆气相互作用对持续性大气环流异常与大尺度水分循环的作用和影响,特别是热带印度洋、西太平洋、北大西洋等区域海洋热力异常对持续性稳定的大尺度环流形势形成的作用；复杂下垫面强迫,特别是局地陆面过程在持续性降水过程中的贡献。

图4 图4(a)2002年6月25～29日南方持续性暴雨期间200 hPa高空流线图；(b)2008年1月27～30日南方持续性低温雨雪期间高空流线图其中带箭头等值线代表流线,阴影代表水平风速(单位：m/s)Fig.4 (a)Displays the streamlines for persistent heavy precipitation at 200 hPa during 2002.06.25～29; (b)Shows streamlines for the persistent low temperature during 2008.01.27～30The contours denote the streamlines and the shadings indicate the horizontal wind speed(unit:m/s)
3.3 持续性重大天气异常预报理论与方法

研究我国持续性重大天气异常的预报(预报时效为1～2周以上)理论和方法是需要解决的关键科学问题,其科学基础基于深入了解多尺度相互作用的动力过程和复杂下边界强迫以及海陆气相互作用,其中包括青藏高原的动力和热力作用影响我国持续性重大天气异常形成的关键物理过程。

相关的主要内容应包括我国夏季持续性强降水和冬季持续性低温雨雪冰冻天气过程特征和可预报性,持续性重大天气异常有关的强信号,持续性重大天气异常的物理统计预测模型；基于海陆气耦合模式集合预报和区域高分辨模式嵌套的动力持续性强降水的预报理论与方法以及统计与动力相结合的我国持续性重大天气异常的预报理论和方法。

4 未来研究思路

持续性的重大异常天气往往是多种时空尺度,多种外强迫因子共同作用的结果,这使得准确预报持续性重大异常天气极为困难。这一方面要求深入理解持续性重大异常天气发生的原因以及关键影响因子的异常特征,另一方面要求数值模式对这些关键因子的预报在时效上要增长,准确率要提高。本文通过总结国内外在持续性重大异常天气的已有研究成果的基础上,提出了开展我国持续性重大天气异常1～2周以上的预报理论和方法这一科学问题,这一问题与国际前沿大气科学研究计划THORPEX联系紧密(表1)。以下提出一些需要开展相关科学研究的可能途径：

(1)从大气异常持续性和慢变过程切入,从多尺度相互作用入手,揭示我国持续性重大天气异常形成机理

持续性异常天气产生的原因既是不同空间尺度的天气系统相互作用的结果,又是不同纬度天气系统相互作用以及高低层大气相互作用的结果。只有在稳定的背景条件下才能在中纬度地区促使天气尺度系统的不断形成、发展、东移,才有可能不断有小股冷空气南侵和夏季风带来的暖湿空气的对峙,从而产生持续性降水的天气形势,为中尺度系统的发生发展提供了动力、热力和水汽条件,最终产生强降水过程。这就需要我们研究不同时空尺度天气系统在季风背景条件下相互作用,从而探索形成持续性重大天气异常的可能直接原因和形成机理。

表1 持续性重大异常天气研究与THORPEX计划的联系 Table 1 The relationship between persistent extreme weather events and THOPEX program

(2)从复杂下垫面强迫和海陆气相互作用入手,特别强调青藏高原的作用,剖析我国持续性重大天气异常形成物理过程及本质原因

在冬夏季风背景条件下多尺度天气系统之间通过什么样的动力过程和热力过程相互影响影响,是在研究直接原因和持续性重大天气异常形成机理层面上需要深入研究的另一个科学问题。但事实上,为什么会形成高纬持续稳定的大尺度超长波系统,它又是如何建立的？为什么这种有利于形成持续性重大天气异常的天气形势会稳定或持续这么长的时间？对这些问题的回答就要在更深层次上研究形成这种相对稳定的多尺度天气形势的原因和深层次的机理。已有研究表明这种相对稳定的多尺度天气形势的形成都与复杂下垫面强迫和海陆气相互作用有密切关系,这就是本项目提出的要进一步研究复杂下垫面的强迫和海陆气相互作用对形成这种相对稳定和持续的多尺度天气系统的影响及其物理过程的原因。因此,从海陆气相互作用以及各种下垫面强迫影响,尤其是青藏高原动力、热力作用的角度,研究稳定的、有利于持续性重大天气异常的天气形势的形成原因就成为更深层面上的另一个科学问题。这就是持续性重大天气异常如持续性重大天气异常形成的根本原因。因此,只有从上述两个层面上研究持续性重大天气异常形成机理才会全面、深入地获得科学的答案。

(3)既追踪国际延伸期预报研究思路与方法的前沿动态,更注重创新发展,针对持续性重大天气异常面临的科学问题与预报技术难点,发展动力预报和物理统计预报相结合的预报理论和方法

要发展持续性重大天气异常预报理论和方法,正如在上述的国际发展动态中已经指出的,发展全球集合预报是延伸期预报有效的方法和途径之一。在基于海陆气耦合模式集合预报的基础上同时发展与全球集合预报耦合的空间分辨率更高的区域预报模式来提高强降水的预报精度,从而构建既有延伸时效的预报能力、又有持续性重大天气异常预报能力的集合预报耦合模式系统,最终建立我国持续性重大天气异常动力预报的基本理论和基本方法。但是,数值模式发展仍然面临种种困难问题,单纯依靠发展动力数值预报模式来实现持续性重大天气异常有效的预报能力仍有很大的困难。因此,如何在大气和外强迫异常中提取更多有关的强信号就成为改进和提高预报时效的预报方法的另一途径。可以通过发展动力预报和发展物理统计预报相结合的思路来进一步提高持续性重大天气异常的预报能力和预报时效。因此还应发展物理诊断与统计分析理论和方法,在此基础上寻找影响大尺度环流持续异常背景形成和活跃的天气尺度系统发生、发展以及中尺度系统形成和发展的物理过程与物理因子及其与持续性重大天气异常的关系,在观测资料和模式预报结果中把握关键环流异常特征,提取相应的强信号,从而建立持续性重大天气异常物理统计预报的理论和方法。

最后,图5概括了上述关键科学问题以及研究思路。希望本文的讨论与思考能为持续性重大天气异常1～2周以上的预报理论和方法的研究提供一些启发。

图5 开展持续性重大天气异常1～2周以上的预报理论和方法研究的关键科学问题以及研究思路概念框图Fig.5 The schematic of key scientific issues for the persistent extreme weather events

The authors have declared that no competing interests exist.

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