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暖冬寒潮也频繁?气候专家何以早知道?
发布时间:2017年12月12日 点击数: 【字体: 收藏 打印文章
 

  今年北方的寒潮也来了好几拨儿,可气候专家说,今年又将迎来一个暖冬,既然是暖冬,为什么还有频繁的寒潮天气?气候专家又是如何知道的?带着这些问题,让我们跟随丁一汇院士的解读,共同揭开气候预测的面纱。

  专家顾问:中国工程院院士、中国气象局气候变化特别顾问 丁一汇

  暖冬寒潮也频繁?气候专家何以早知道?

  上一个冬天,是我国过去61年以来最暖的冬天。而这个刚刚到来的冬天,还是延续了偏暖的特质。事实上,这种冬季偏暖的趋势从上世纪80年代中后期就开始了。

  可是,回想过去,人们好像并不记得哪一个冬天有多暖和,反倒一些特别冷的事情令人印象深刻。去年1月下旬所谓的“世纪寒潮”,全国气温跳水,南方多年未曾下雪的地方飘起了雪花,就是一例。

  冷暖之间,判断的标尺是平均温度。在气象学上,如果冬季三个月的平均温度超过常年平均值,就是暖冬;如果低于多年的平均值,就是冷冬。一般来说,暖冬里,冷空气会比冷冬少一些、弱一些,但并不意味着不会出现很冷的极端天气事件。当然,也可能出现很暖的极端天气事件。所以,是否暖冬与寒潮冷事件出现的次数多少有明显的相关性,但并不是不会出现寒冷事件。目前我国冬季的情况是:平均气候是变暖的,但极端冷事件和极端暖事件也都在增多,实际上是极端暖事件比冷事件发生的机会更多。

  平均温度之所以居高不下,除了全球变暖,另一个重要原因在于海洋。近二十年北太平洋海洋暖,整体气候便暖,这是自然因子。造成冷事件增加的原因是北极变暖,这使极地冷涡这团巨大的冷空气团遭到分裂与减弱,冷空气外流时,就会成为我们经历的寒潮。在暖气候下,公众对寒潮等冷事件印象深刻,但实际上对供暖、能源、农业等部门来说,暖冬或冷冬的信息也相当重要。

  为什么气候专家能判断未来一段时间整体气候趋势,却又无法精确预测较长时间里的具体天气过程呢?

  这就必须要谈到气候预测与天气预报的不同之处了。天气预报主要聚焦大气圈,搞清楚大气圈的活动就可以预报未来一到两个星期的天气。气候预测不同,要预测未来一个月、一个季度、一年,甚至几年、几十年的气候,光靠研究大气圈远远不够,还需要了解海洋、陆面、冰雪圈及太阳活动等的情况,以及气候变暖的背景,将它们纳入一个预报系统里,进行集中考虑。由此可见,气候预测要比天气预报更为复杂。

  气候预测需要的数据资料非常庞大。北极海冰的变化、海洋温度的变化、陆面积雪状况甚至太阳黑子的活动等各类资料都是其重要依据。在较长时间尺度上,海洋圈、冰冻圈等其他圈层的缓慢变化缓慢影响着大气圈的“状态”。气候专家只有精准地“捕捉”这种变化,才能给出准确的气候预测结论。

  遗憾的是,相对大气圈的监测资料,其他圈层的数据比较缺乏。因此,气候预测的准确率不及天气预报的准确率也在情理之中。即便如此,做满足社会和公众需要的气候预测仍然是气候专家最重要的任务和矢志不渝的目标。

  跟发达国家比,我国气候预测水平如何?

  上世纪90年代,我国的气候预测业务刚刚起步,准确率约为60%到65%。二十年过去了,气候预测准确率提升了十几个百分点,大约在70%到80%之间,这是一个很大的进步。

  就像一个人总有优点和缺点,气候预测也有擅长和不擅长的领域。包括我国在内的全球主要气候中心,各国气候预测能力目前并无太大差别。

  目前,各国对海洋地区气候的预测比较准确,比如在厄尔尼诺和拉尼娜现象的判断上,我国气候专家的预测也相当准确。由于海洋气候主要受海洋影响,只要掌握了海洋资料,就能比较准确地把握海洋气候变化的趋势。在此基础上,只要掌握了海洋的“慢动作”,跟着海洋“一起变动”的热带地区气候的预测也较好作。

  另一方面,对低纬度地区和中高纬度地区气候的预测水平有所不同,前者的准确率高于后者。以处在中高纬度的北京地区为例,它的气候预测准确率相对低于长江及长江以南地区。

  此外,对气候平均状态的预测准确率要高于对极端事件的预测。比如,对未来某段时间的平均温度偏高或是偏低判断较准。但这段时间里到底会发生多少次寒潮,气候预测还说不具体。而这,也是气候预测正在努力改进的地方。

  尽管各国预报水平相差并不是很大,但就气候预测模式的客观预测能力而言,水平最高的要数欧洲中期天气预报中心。他们的气候预测结论值得参考。我国与美国、日本等国家属于第二层次,但可以说,也位居国际先进行列。而且,在预报方法上,我们有自己的特点。

  欧洲和美国、日本等发达国家或地区预测气候主要依靠先进的数值模式与大数据,我国气候预测除数值预报外,还综合参考多种方法,比如统计方法和环流型关键区预报。用大量的数据,可以从过去的演变推出未来的演变。虽然推出的结论并非百分之百准确,但仍然是行之有效的。对关键区预测来说,有经验的老预报员是极其宝贵的“财富”。无论暖冬或是冷冬,他们根据经验,能在一定程度上知道哪些是关键区域和关键影响。有了这些依据,再结合统计结论,便可根据现在的情况了解未来。

  数据和规律 影响气候预测准确率的两大关键我们需要更多数据。预测气候是目标,而气候主要受海洋、陆面、海冰等“强迫”。形象地说,大气随着海洋等下垫面的“脉搏”在跳动。以气候专家最关心的厄尔尼诺现象和拉尼娜现象为例,它们每隔一段时间就会发生一次,也成为制约气候变化的主旋律。只要这个主旋律报准了,就能基本掌握大气的异常变化、摸准气候预测的“脉搏”。

  我们与美国、日本等国家在海洋气候预测方面存在的主要差距也正是缺少海洋资料。现在海洋上大约漂浮着3500多个浮标,它们收集着从海面到海面以下2000米的海温资料。另外,由于厄尔尼诺是沿着太平洋赤道地区发生的,美国很早就在我国南海到美国西海岸的海洋上,沿着赤道设置了固定浮标站。这些浮标位置固定、间距相等,可定时定点向美国发送海洋观测资料。这是非常先进的探测技术。

  我国专家无法获取这些浮标站收集到的第一手数据,也就无法掌握厄尔尼诺监测的第一手资料。在这种情况下,美国的资料优势尽显。目前,我国可根据海洋漂浮浮标来部分解决这个问题。但漂浮浮标位置不稳定,有时候会随着海浪漂浮到远离赤道的地方。

  除了海洋资料以外,全球对于北极海冰变化等的监测和认识也远远不足,仍需要借助新的科学技术发展使北极观测系统更加完善。目前许多国家对此已有大量投入。

  此外,在资料同化技术上,我国与欧美也有差距。气候预测需要将海洋和大气资料一起同化到模式里。但我们目前对海洋资料的同化才刚刚开始。至于海气耦合同化还没有起步。从这个角度来讲,尽管我国气候预测水平已经处在国际前列,但并非最前列,还要努力追赶。

  另一个关键是掌握气候变化的规律。现在,气候科学家已经知道,气候受人类引起的气候变暖、海洋、陆地积雪、极地冰雪融化等多种因素影响。这些都是“慢过程”:海冰、陆地积雪的影响相对缓慢,厄尔尼诺现象的形成和发展也需要一两年时间。正因为我们掌握了“慢过程”的规律,我国气候专家才能在1998年和2016年强厄尔尼诺现象发生的时候,成功预测长江流域洪水。

  最大的困难存在于状况变化太快的中高纬度地区。一般来说,冷空气往哪里走是随机的,这也被称为混沌现象。1963年,洛伦兹(Lorenz)在《大气科学》杂志上发表了《决定性的非周期流》一文,首次提出大气的“混沌现象”理论,大气现象与变化具有非周期与不可预见性,它们明显地依赖于初值误差和表征气候过程的物理参数化方法。时至今日,尽管根据大气环流规律或集合预报方法可以判断或预测部分行为,但气候专家仍然无法完全掌握气候变化过程中的混沌现象。

  在中高纬度地区,夏天一会儿打雷下雨,一会儿吹来风;冬天,一阵阵从北极南下的冷空气更是变化多端。夏天的风主要来自热带海洋,冷空气则来自极地。因此,冬季的预测实际上比夏季更难。究其根本原因,还是人类对大气运动规律的科学认识有待提高。

  目前,国际上也在攻关这一难点,希望更好地认识了解这些快速变化的混沌现象,不让它们干扰由下垫面强迫得到的气候预测确定性结论。

  地球模拟器 可期待的气候预测未来冬季寒潮(暖冬、夏季高温热浪)现象到底会不会出现?具体是什么状况?什么时候出现?每一个关注气候预测的用户,都想知道这些问题的答案。

  所以,在仅给出偏暖、偏冷的传统气候预测已经不能满足公众需求的情况下,为了更好地服务防灾减灾、经济社会发展和公众生活,气候专家定下了新目标。他们将试图回答出:冬天,这个月里会有几次寒潮?夏季,会出现几次高温事件?什么时候发生?强度会怎样?

  一体化的天气气候模式和预报系统是科学家解决这一问题的入口之一。将天气和气候纳入一个模式进行预报,从第一天到未来一个月的天气和气候变化都被要求预报出来,前十五天要给出具体的天气预报,后十五天要提供重要或高影响天气变化的过程信息。如此一来,进入天气模式的初始资料需要改变,除了大气资料之外,海洋、冰雪等监测资料都需要“接受”同化。虽然很难,但这样的气象预报产品对经济发展和防灾减灾更加有用。

  这也是国际气候预测领域研究的热点。我国目前已经起步,虽然还没实现业务化,但已经取得了可喜的试验性成果。

  当然,一个月只是“小目标”,对未来几年、十年、二十年气候的年代际预测才是“大目标”。国际上已经投入很大力气展开研究。试想一下,如果可以预见未来十年、二十年的气候状况,就能提前对包括经济活动在内的很多国家大政方针政策给出科学参考依据。以大气污染为例,假使气候预测结论能够证明2020年仍然是很暖的冬天,那么我们还希望推测,一个暖冬中会有几次冷空气活动,因为与冷空气活动较多的冬季相比,暖冬下大气污染物的扩散条件更差。这种情况下,要享有清洁空气和美好环境,就需要在节能减排上下大功夫。

  有望实现这一目标的“神器”叫“地球模拟器”。它是一个缩小版的“活地球”,包含了影响气候变化的各个圈层。地球模拟器涵盖了从太阳活动、海洋到大气的各个状况,天气和气候的变化也是一体的。所以,它能模拟整个地球气候的演变。本质上,地球模拟器属于矢量型超级计算机,通过在计算机内设置虚拟地球,来完成整个地球的大气循环预测、海洋与海冰预测、温室化预测,甚至地壳变动、地震发生等大规模计算。

  最早开始研发地球模拟器的是日本,欧洲、美国等跟随其后。目前,我国首个自主研发的地球模拟器已于今年9月正式投入使用。而且,以“神威·太湖之光”为代表的我国超级计算机已经超越美国,成为世界第一,这是地球模拟器的强大支柱。乐观地看,如果计算能力继续增强,对自然系统的规律认知和预测模式更进一步改进,未来20年,我国乃至全世界的气候预测能力可能取得飞跃式发展。

  到那时,你关心的问题,都会有答案。

作者:张格苗 来源:中国气象报
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