长期天气预报的一般方法

第六节　长期天气预报的一般方法

在长期天气预报的发展过程中，已经试验或已经提出的长期预报方法大致可划分为以下几大类：经验方法、物理统计方法、动力学方法和动力统计学方法。下面对每种方法分别进行讨论。

一、经验方法

经验方法在目前长期预报业务中仍然使用，该方法主要是利用单变量时间序列的持续性、周期或准周期性、相似及韵律等特征作长期预报。关于相似和韵律方法将在第八节介绍，下面主要介绍利用持续性和周期性作长期预报的方法。

1．持续性方法

许多气象变量都呈现出某种程度的持续性，关键是确定持续性的强度是否强到在制作长期预报时可以利用的程度，为此气象界进行了广泛的研究。例如，中国科学院大气物理研究所长期天气预报组检查了黑潮海温与长江中下流汛期降水的相关性，发现相关一直很稳定，所以就把这一关系用于长期预报的业务实践中，效果较好。Nap（1981）研究了荷兰温度距平的持续性，发现持续性的强度有强烈的季节和地理变化，也就是在某些区域持续性是很强的，而在某些区域持续性不明显。在强的区域的持续性可以用于长期预报。

2．周期和准周期性

除了固定不变的年、月、日周期变化外，气象要素的变化还存在其它周期或准周期活动，作长期预报时应考虑到这点。如果要使用气象资料的周期性作长期预报，且要达到一定的准确率，则必须具备两个条件：一是观测到的周期性必须是一个真实物理过程的再现，而不是样本分析过程中人为造成的；二是该周期性相应的功率谱必须足够大，说明该周期不是预报变量的随机性而造成的。

二、物理统计方法

该方法是目前长期预报的主要方法，有的文献也称该方法为多变量统计和物理的方法。它一般用到几个而不仅是一个参量作为预报因子，这些预报因子通常包括大气环流、海洋状况、雪盖和冰盖等资料。用到的统计方法很多，主要的有逐步回归、秩相关秩相似、谐波分析、功率谱分析、多层递阶、经验正交函数展开、灰色预报等。但需要指出的是，物理统计方法虽然是长期预报的主要方法，然而它本身还存在一些问题，在使用中应加以注意：

（1）预报效果不稳定，主要是预报方程拟合率高，但实际预报准确率低。出现这个问题的原因有：①预报量和预报因子的关系不稳定，随气候规律的变化而变化。对这个问题目前还不能很好地解决，因气候规律的转折性本身也是属于预报的对象。②预报因子质量不高或对其表征方法不恰当，因子质量不高就是所选的并非对预报对象起主要作用的因素，或虽选的是主要因子，但建立的统计关系不能反映预报因子和预报量的真正关系。这个问题只能对预报量和预报因子的表征方法做深入研究后方能在一定程度上解决。

（2）缺乏深厚的物理基础。有些统计模式是纯粹建立在相关普查的基础上，有些虽对物理过程有所考虑，但和对数值模式中的物理因子的考虑相比差距甚远。当然，统计模式有它方便的地方。物理机制不清楚的因子不能进入数值模式，但可进入统计模式，如天文因子就是这样。目前，在气象学和统计学的有机结合方面的研究刚刚开始，人们正努力地探索、建立统计学方法的物理基础。

另外，天气——运动学方法也是近看来一些国家制作长期预报的主要方法。Namias（1978）提出运动学方法，基本思想是假定在几个月的时间内，大气环流有长时间的、缓慢变化的倾向，这个倾向能通过跟踪距平或分析重叠月的方法看出来。该方法可以像季节强迫变化一样，指出因长波波长变化而引起的新发展。例如，如果一个槽与其上游的脊向相反的方向运动，西风带就会有新的扰动，为了确定新发展的地区，还要研究其它的天气学或统计学指标。这一方法实际上也是一种多变量方法，只不过这时用作预报因子的是气象状况内部的物理特征而非统计特征。

除了Namias以外，前苏联、日本等气象机构也对该方法进行了研究，并用于实际的长期预报工作中。

三、动力学方法和动力统计学方法

动力学方法和动力统计学方法是在长期预报领域里被重点研究的方法之一，被认为是最终解决长期预报问题的主要方法。这种方法有多种模式法，下面仅介绍大气环流模式预报方法和概率预报方法。

1．大气环流模式预报

大气环流模式（GCM）一般是用于气候模拟的，但现在有人用它来做长期预报的试验，也即从实际的初值开始计算，做出未来月或季节的预报，这相当于用短期天气预报的方法进行外延。这种方法在长期预报的试验中取得了一定的成功。

2．概率预报

大气运动的规律，实际上是由确定性过程和随机性过程所组成的，确定性的问题一般是借助于微分方程用动力方法进行描述，而随机性的问题是借助于概率论用统计学方法进行描述。目前在长期预报业务工作中主要是使用概率统计学方法，在某些局部地区取得了这一效果。由上所述可以看出，这种预报因物理过程不清楚，而难以从本质上进行改进。单纯的动力方法从目前情况看，模式中还不能体现某些大气中确实存在的统计规律。因此，应该将动力方法和统计方法结合起来，即一方面在动力方法中运用概率论的思想进行统计描述；另一方面用确定论的方程来研究不确定的大气随机行为。这一方法被认为是解决长期预报最有效的方法。