中长期天气预报的历史回顾

第二节　中长期天气预报的历史回顾

一、长期天气预报的回顾

对长期天气预报的研究在有些国家已经进行了半个世纪以上，实际上它作为气象学的一个分支是从19世纪末期开始逐步形成的。1873年在维也纳召开了第一次国际气象会议，标志着在天气观测网、情报交换以及促进气象事业发展的机构等方面开始了国际间的协作。

当时积累起来的地面气象站的观测资料，达到了能够用气候统计方法来进行研究的程度。人们发现在月平均的海平面气压图上，呈现出几个高气压和低气压，在不同的年际之间虽然有些变化，但并不很大。冬季的主要特点是两大低压（它们是北太平洋上的阿留申低压和北大西洋上的冰岛低压）一个高压（叫蒙古、西伯利亚高压，亚欧大陆东部几乎都在它的控制之下）。夏季和冬季相比有非常显著的差异。大陆上和海洋上的气压系统冬夏几乎相反，高压变成了低压，低压变成了高压。这在亚洲尤其明显，这是大规模风系季节转变的反映。1883年T·D·包特把这些高、低压称为“大气活动中心，并且指出大范围天气变化是和大气活动中心的位置和强度的变化有关系的。接着，有些气象学家就根据高低压型式与天气变化关系，创立天气类型，成为19世纪末期长期天气预报的主要工具。

到了20世纪初期，人们对活动中心的位置和强度为什么会反常，仍然提不出令人满意的解释。却可以根据积累的地面观测资料，对各活动中心的气压之间，以及它和各地温度、雨量之间的同时和非同时的关系进行分析，通过这种分析便揭露出了客观存在的事实。

英国气象学家沃克在他担任印度气象局局长期间（1942～1937）发表了六篇文章，用在全球选出的32个气象站的观测记录，广泛研究了大气活动中心与世界天气的关系。他发现世界上广大地区，不同台站的气象要素之间有同时和非同时的关系。同时的关系，他发现有所谓“三大波动”：北大西洋波动、北太平洋波动和南方波动。每个波动包括地面图上的两个大气活动中心，当一个气压高时，另一个气压低，象“跷跷板”一样，一上一下，一高一低，彼消此长。它表明地球上的大气是一个整体，一个地方的天气变化，是受全球天气变化的影响的。沃克的这一发现的最重大意义也许在于，它揭示了大气的长期变化具有和短期变化完全不同的特征。你知道，短期变化主要是罗斯贝波在起主导作用。这是一种在空间上能传播的波，叫做“行波”；而“波动”则是两个地区的气压此起彼伏，只在本地区变化而不传播，叫做“驻波”。驻波与行波的差别是物理因子本质不同的表现。

沃克还研究了气象要素间的非同时联系，作成相关系数。可以依据这种联系来做预报。印度农作物收成的好坏与夏半年西南季风所带来的降水量多少有密切关系，如果夏半年季风雨量少，则常常造成旱灾和饥馑，所以印度当局很重视长期天气预报。沃克则特别注意印度季风降水量的预报。他发现印度季风降水量的变化与北大西洋及南太平洋的气压振荡现象有关，并根据当时观测到的记录算出印度季风降水量与南美气压（四月至五月，记为A）的相关系数为0．50，与印度前年的季风降水量（记为K）的相关系数为0．20，与副热带地区桑吉巴及和塞叶列斯的雨量（五月，记为Z）的相关系数为0．50，与喜马拉雅山雪量（五月，记为H）的相关系数为0．30。由此他得出计算印度季风降水量Q的公式：

Q＝0．35A——0．62Z＋0．1 H＋0．5 K＋0．551

多年来印度季风降水的预报就是这样做的。沃克创立的这种方法，后来被世界各地许多人仿效应用于各种要素的预报。现在有些预报在实质土仍然是按照这种思路来做的。不过用的前期的要素不限于地面的气压、温度和雨量了。

实践表明，袄克的这种方法效果并不理想。今天的气象学家已公认夏半年（5月～10月）对流层上部及平流层下部的南亚高压对印度季风降水量有决定性的影响，所以应设法预报出对流层和平流层的气压形势，才能有好的效果。但迄今为止，一个月或一个月以上的气压形势尚无法加以准确地预报。

三大波动并没有包括地球上所有地区，而且至少有三个地区也是比较重要的，但三大波动并未涉及到，如：

①欧亚大陆、青藏高原及其积雪显然对长期天气很重要；

②北极地区、高纬积雪和极冰也有很大的作用；

③南极大陆，那里有全球最深厚的冰盖。

上述这三个地区从长期天气过程的物理性质来看，需要加以考虑。所以有人设想地球上可能不止有三大波动，可能有四个、五个或更多的波动系统。如能对这些波动系统的形成及演变加以研究，对长期天气的预报是非常有益的。如陈烈庭前几年提出了北方波动的概念，所谓北方波动是指东太平洋ShipN站（30°N，140°E）和西太平洋马尼拉站（14°31′N，121°E）的气压距平呈明显的相反变化趋势。陈烈庭把北方波动和厄尔尼诺现象联系起来，用北方波动来作厄尔尼诺年的预报。由此可见三大波动仍有研究的意义。

1912年，穆尔坦诺夫斯基以追踪反气旋路径为基础开始制作长期预报。他首先研究欧洲天气与极地冷高压路径的关系，按冷空气活动的不同路径（轴）来划分不同类型的大型天气过程，提出了欧洲的季节天气是由某几个大气活动中心制约的见解。以后又提出自然天气区域，自然天气周期、自然天气季节、韵律、位相等基本概念和经验规律，奠定了天气学长期预报方法的基础，从而形成了穆氏学派，并于1922年开始制作5～7天和一个季度的天气预报。所谓“韵律”的本意是指诗歌中同韵尾字重复出现的规律。大气中也存在相同（相似）天气过程隔一定时段重复出现的规律。穆氏学派的贡献是第一次用天气学方法来作长期天气预报，第一次提出了长期天气预报的阶段性和周期性。

我国自50年代以来，对韵率问题也开展过一系列地研究，对韵事的概念作了很大的推广。认为韵率可以看成是相距一定时间两个天气现象或天气过程之间的联系。它具有四个特点：（1）两个天气现象之间有准稳定的时间间隔，如150天、180天等。（2）不能从第一个现象本身的发展一步一步推到第二个现象的出现。（3）韵律与季节有密切的关系，它只出现在固定的季节，一般不能继续重复下去。（4）两个天气现象不一定是同类的，从国内的工作的初步归纳可以看出，长期天气过程中确实存在间隔数月的韵律现象，其中6个月左右的韵律较为普遍，并且其空间分布有一定的规律。

我国的长期预报以汛期降水状况的预报最为重要，每年3月或4月要组织大规模的全国性会商讨论。在汛期预报中，人们应用最多的是间隔约5～7个月的相关关系——6个月左右的韵率，不少韵率关系在汛期预报中起到了良好的作用。不过单纯利用韵率关系制作长期预报效果也并不理想。

韵率现象是如何形成的？国内外都提出过各种设想，但至今尚未得到令人满意的解释。这是一个很困难的课题。

韵率现象在中、高纬度比较明显，在低纬度并不明显。1935年，王根盖姆以大气环流型的季节转换规律为基础研究制作长期预报。他把大西洋——欧洲区域的26种天气过程概括为三种基本环流型，研究发现了本季节的优势环流型在下一个季节中将向另一种优势环流型转换的规律，并利用优势环流型下天气异常分布的特征，制作北极地区的季节天气预告。以后吉尔斯把王根盖姆的分型原则推广应用到亚洲——太平洋区域，进一步建立了整个北半球的基本环流型及其亚型。从北半球大气环流的结构出发，研究了大气环流各种时段的演变规律，为大型环流长期预报方法奠定了比较坚实的基础，这是王氏学派的主要贡献。

1936年，鲍尔用回归方程和复相关系数表制作长期预报，提出了“物理一统计预报法则”以及大型天气形势等基本方法和概念，他深信，以天气谚语、气候规律和预报员经验为线索，经过天气气候分析转换成定量的气象参数，加以严格的统计学检验和必要的物理解释，可以作为长期天气预报的基础。在50年代，他亲自制作发布季节预报，主要是中欧地区冬夏季节的天气预报，准确率约达90%以上，当然预报只局限于以物理学为基础，统计推断出有用的指标。该准确率是迄今任何长期预报所能达到的最高水平。鲍氏学派的主要贡献是提出了统计学和天气方法相结合作天气预报的方法。

纳米阿斯则采取了与上面四个学派完全不同的思路，他认为长期天气预报的对象是月平均气温、月总降水量，而月平均天气又受月平均环流控制，如能正确预报月平均环流的发展，则可以预报出相应的月平均天气的分布，也就是月平均气温与月总降水量。他应用平均环流法作长期天气预报，这一思路在长期天气预报方法方面开辟了一个新的领域。

以上几大学派都是以丰富的天气气候分析经验作为预报方法的基础，对不同时空尺度大气运动的演变规律作了科学的概括，不但有一定的理论基础，而且提出了切实可用的预报方法，奠定了近代长期天气预报的科学基础。

二、中期天气预报的回顾

与长期天气预报的发展历史相比，中期天气预报发展历史要短得多，但发展速度要比长期预报快得多。这主要是数值预报方法的成功，特别是中期数值预报实现业务化使中期天气预报水平上了一个新的台阶。在本世纪上半叶，国际气象界有所谓的三大学派，即以自然天气周期为核心的前苏联穆氏学派；以大型天气形势为主的德国鲍尔学派；以罗斯贝指数循环为中心的美国学派。前两种学派在前面已作介绍，而美国学派的指数循环理论将在本书第三章详细介绍。但无论那种学派，所使用的方法都是以天气图分析为预报基础，在预报实践中，都会遇到很难掌握大型环流转变的困难。继后的一二十年，实际的业务预报方案，主要是建立在天气图分析和统计学相结合的基础之上，有时统计更为主要。这种预报途径所遇到的问题同单纯天气学途径一样，预报因子的选择带着一定的盲目性。这是因为统计学本身是一个工具，必须选择具有物理依据的量作为因子，才能发挥统计学的效能。进入70年代以后，由于上述中期预报方法的缺点再加上生产发展和各方面的需要，国内外都加强了时效达两周的中期数值预报基础理论和预报应用试验研究，并在以后的一二十年中，它成了大气科学研究中重点攻关的课题之一。中期数值预报的主要任务为制作3－15天的天气预报提供理论依据，并在这种规律指导下给出具体的业务工作方法，通过相应的组织系统作出3～15天逐日的天气预报。然而就中期数值预报模式的建立来说，除了数学工具的应用以外，它的基础有两个方面：一是事实基础，主要是指对环流演变的物理过程的认识；二是理论基础，即大气动力学的规律。同时，中期数值预报业务的开展及预报水平的提高，还受到计算机性能的制约。目前，制作中期天气预报水平最高的是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）。

纵观中期预报的历史进展，不管采用哪一种途径制定预报方案，都不外乎依赖于对物理过程的认识和对大气运动规律的研究，并以其作为基础。这两个方面紧密结合，加上恰当地应用工具——数学的、统计的或者天气图，便可以建立比较符合大气运动规律的中期预报方案。