丑紀(jì)范

中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

一個(gè)創(chuàng)新研究
——大氣數(shù)值模式變量的物理分解及其在極端事件預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

丑紀(jì)范

中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

大氣溫度、濕度、位勢高度和風(fēng)等數(shù)值模式變量可以物理分解為緯圈－時(shí)間平均的對稱部分和時(shí)間平均的非對稱部分，以及行星尺度瞬變擾動(dòng)和天氣尺度瞬變擾動(dòng)等四個(gè)部分.區(qū)域持續(xù)性干旱、暴雨、熱浪、低溫和雨雪冰凍等極端天氣事件與前期及同期數(shù)值模式中的行星尺度和天氣尺度大氣擾動(dòng)系統(tǒng)之間呈現(xiàn)出密切的關(guān)系.瞬變擾動(dòng)天氣圖可成為預(yù)報(bào)極端天氣事件的新工具.本文在歸納本期9篇原創(chuàng)性文章的基礎(chǔ)上，探討大氣變量物理分解后需要進(jìn)一步研究的理論問題和應(yīng)用前景.

物理分解，數(shù)值模式，極端天氣事件，天氣尺度擾動(dòng)，創(chuàng)新研究

1 引 言

極端天氣和異常氣候事件，比如洪澇、干旱、高溫?zé)崂撕偷蜏貎鲇甑?，對社?huì)經(jīng)濟(jì)和人們的生產(chǎn)、生活有著特別重大的影響.領(lǐng)導(dǎo)和公眾格外希望獲得對它們的準(zhǔn)確預(yù)報(bào).隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，短期預(yù)報(bào)已不能滿足社會(huì)需求，迫切需要中期－延伸期的極端天氣預(yù)報(bào).然而，暫且不論“極端”的確切定義，對這些小概率事件，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法難以奏效.中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式給這些預(yù)報(bào)帶來了希望，但模式變量的溫、壓、風(fēng)與極端天氣和異常氣候事件之間又缺乏明確的聯(lián)系.對此，有長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的個(gè)別專家有可能會(huì)悟出一些門道［1］，但這終究不是辦法.面臨的科學(xué)問題是，如何客觀地建立它們之間的聯(lián)系，從而可用中期天氣預(yù)報(bào)模式提供的9～10天預(yù)報(bào)產(chǎn)品作出某種極端氣象事件的預(yù)報(bào)，建立模式變量與天氣狀況的關(guān)系，用氣象術(shù)語表達(dá)是模式輸出產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)釋用，稱為MOS.然而對暴雨等極端事件，樣本不多，統(tǒng)計(jì)方法并非良策.在中小尺度的暴雨短期預(yù)報(bào)中，Gao等［2］開創(chuàng)的采用濕位溫、濕渦度等可稱為模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的動(dòng)力釋用，得到了廣泛的應(yīng)用，取得很好的效果.現(xiàn)在錢維宏等在這一期《地球物理學(xué)報(bào)》中的文章所建立的關(guān)系可稱為模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品對極端氣象事件的天氣學(xué)釋用.如果人們希望把預(yù)報(bào)時(shí)效提前到10天以上，僅僅憑模式變量與極端事件的同期關(guān)系已經(jīng)不夠了，需要找出前期的關(guān)系，這是面臨的又一個(gè)科學(xué)問題.北京大學(xué)大氣科學(xué)系的錢維宏研究組對這兩個(gè)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的、創(chuàng)造性的研究，取得了豐富的成果.首先，該研究組基于中國臺(tái)站氣象觀測資料和他們?yōu)閰^(qū)域持續(xù)性暴雨、熱浪、低溫、干旱等四類極端天氣事件的明確定義，確定了我國近60年來發(fā)生的上千次暴雨事件和上百次熱浪、低溫和干旱事件，出版了《氣候變化與中國極端氣候事件圖集》［3］.以此為基礎(chǔ)，該研究組致力于在觀測的大氣變量和數(shù)值模式變量中，突出其中的異常值，即提煉出對區(qū)域極端天氣事件預(yù)報(bào)有用的信息.辦法是將規(guī)則的外強(qiáng)迫形成的氣候變化部分從觀測變量和模式變量中分離.據(jù)此，他們用觀測大氣變量和數(shù)值模式變量制作了擾動(dòng)天氣圖.擾動(dòng)天氣圖上的擾動(dòng)系統(tǒng)與極端天氣事件之間有密切的聯(lián)系.該研究組從已有的某種極端天氣事件的全部樣本出發(fā)，尋找同期或前期瞬變擾動(dòng)天氣圖上的共同特征，是為倒向問題.依據(jù)尋找出的共同特征作為歷史的回報(bào)和預(yù)報(bào)，是為正向問題.這一期《地球物理學(xué)報(bào)》中的9篇文章反映了他們在這方面創(chuàng)新研究的部分成果.本文在歸納錢維宏研究組已有研究的基礎(chǔ)上，對大氣數(shù)值模式變量物理分解的理論意義和潛在的可能應(yīng)用做進(jìn)一步的探討.

2 揭開面紗的分解法

大氣中充滿了各種時(shí)空尺度的變化.在引導(dǎo)天氣預(yù)報(bào)革命性的大氣動(dòng)力學(xué)理論中，意義最重大的是尺度分離.從原始的Navier－Stokes（N－S）方程出發(fā)，比較方程中慣性力與地轉(zhuǎn)偏向力的大小，從而得到了Rossby數(shù).當(dāng)Rossby數(shù)小于1（運(yùn)動(dòng)尺度大于百公里量級）的時(shí)候，簡化并得到了可指導(dǎo)逐日天氣預(yù)報(bào)的Rossby波方程，從而濾去了與逐日天氣變化無關(guān)的那些波動(dòng)，更重要的是把逐日短期天氣預(yù)報(bào)提升到了理論的高度，即天氣動(dòng)力學(xué).這套流體力學(xué)的尺度分離思想與方法，后來也為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功作出了貢獻(xiàn)［4］.

天氣動(dòng)力學(xué)對逐日天氣預(yù)報(bào)的突出貢獻(xiàn)就是Rossby波，也就是預(yù)報(bào)員每天做天氣預(yù)報(bào)時(shí)在天氣圖上跟蹤的“槽來脊去”波動(dòng).我們曾經(jīng)考慮，Rossby波僅僅是全球大氣三維空間中波動(dòng)的水平分支，另外兩支分別是經(jīng)向垂直剖面內(nèi)的Hadley環(huán)流和緯向垂直剖面內(nèi)的Walker環(huán)流［5］.理論上，用這三支環(huán)流就可以描寫全球大氣的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)了.

上述的例子只是說明，要做好天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測，從混沌的大氣變量中得到簡化了的有用信息，是多么的重要.在錢維宏的《圖集》［3］中，他提出了氣候鐘的概念，認(rèn)為觀測和模式輸出的大氣變量中包含著日循環(huán)、年循環(huán)、十年際和年代際等多時(shí)空尺度的已知外強(qiáng)迫下的變化［6］.這些因果關(guān)系比較清楚的規(guī)則變化就是氣候鐘，它們是需要認(rèn)識(shí)的，相對這些規(guī)則變化的偏差及其出現(xiàn)的極端天氣事件和異常氣候事件才是需要預(yù)報(bào)的［7］.他對天氣與氣候的關(guān)系描述是，認(rèn)識(shí)氣候及其變化是天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ).

我們確信，極端天氣和異常氣候事件與大氣的異常運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而大氣運(yùn)動(dòng)總是有外強(qiáng)迫或激發(fā)源的.大氣作為相對稀薄的耗散流體，異常運(yùn)動(dòng)會(huì)滯后激發(fā)源，并且異常波動(dòng)能夠傳播.大氣的這些特性表明，極端天氣和異常氣候的預(yù)報(bào)可以找到前期信號(hào).姑且不考慮十年際和年代際以上時(shí)間尺度的氣候鐘或異常強(qiáng)迫，而只關(guān)注年（季節(jié)）循環(huán)的氣候鐘及其大氣的異常變化.錢維宏研究組的一套創(chuàng)新體系的基礎(chǔ)就表現(xiàn)在，對大氣變量所作的四部分分離，即緯圈－時(shí)間平均的對稱部分和時(shí)間平均的非對稱部分，以及行星尺度瞬變擾動(dòng)和天氣尺度瞬變擾動(dòng)［8］.前兩部分是太陽季節(jié)輻射和海陸調(diào)節(jié)的氣候鐘，第三部分是赤道海洋與極地?zé)崃?qiáng)迫的行星尺度擾動(dòng)，第四部分是局地強(qiáng)迫或大氣內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起的天氣尺度擾動(dòng).他們得到，對觀測的大氣不同連續(xù)變量，從1到30天，四部分的相對貢獻(xiàn)率是隨平均時(shí)間變化的.

與球諧函數(shù)形式的數(shù)學(xué)分解有所不同，他們把這四部分的變化與太陽輻射、海陸分布和年際及季節(jié)內(nèi)的強(qiáng)迫聯(lián)系起來，稱為物理分解［8］.在分解的第一個(gè)層面上，他們看到了南北半球大氣變量以及全球季風(fēng)降水隨季節(jié)的變化，并滯后太陽輻射的變化一個(gè)月［9］.在分解的第二個(gè)層面上，他們認(rèn)識(shí)到了全球?qū)α鲗拥蛯哟髿庵写嬖?9個(gè)大氣活動(dòng)中心，在22個(gè)氣候槽中有3個(gè)行星尺度的季風(fēng)槽和6個(gè)半島尺度的季風(fēng)槽［9］.在分解的第三個(gè)層面上，他們看到了在對流層頂，有來自赤道與El Nio年際海溫增暖有關(guān)的行星尺度大氣擾動(dòng)向赤道外的傳播，有來自赤道向副熱帶和中緯度傳播的季節(jié)內(nèi)行星尺度擾動(dòng)，和有來自極地向高緯度傳播的季節(jié)內(nèi)行星尺度擾動(dòng).南極濤動(dòng)和北極濤動(dòng)正是這些行星尺度擾動(dòng)與穩(wěn)定的天氣尺度擾動(dòng)在極鋒對流層頂疊加的表現(xiàn)［10］.經(jīng)向行星尺度傳播的大氣擾動(dòng)與那些大范圍持續(xù)性的異常氣候事件有聯(lián)系，如2009年秋季至2010年春季的我國西南干旱事件［11］和2011年初夏江南地區(qū)的“旱澇急轉(zhuǎn)”事件［12］.

極端天氣事件和異常氣候事件往往與分解的天氣尺度大氣擾動(dòng)有關(guān).在傳統(tǒng)的天氣圖上，江淮氣旋的冷、暖鋒面是隨高度向冷區(qū)傾斜的，暴雨帶多位于低空急流的左側(cè).但在分解后的擾動(dòng)天氣圖上，江淮氣旋冷、暖鋒在700hPa以下幾乎是垂直的［12］，暴雨帶位于低層大氣擾動(dòng)氣流對峙的輻合線上［13］.每年夏季，我國東部都會(huì)出現(xiàn)高溫?zé)崂耸录?錢維宏研究組的分解分析認(rèn)識(shí)到，江南部分地區(qū)在7月底出現(xiàn)35℃的高溫是正常的氣候，而不出現(xiàn)高溫才是異常的事件［14］.如果沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)，在傳統(tǒng)的對流層天氣圖上，從大氣變量中很難看到明顯的熱浪事件異常信號(hào).但在擾動(dòng)天氣圖上，顯著的250hPa高度擾動(dòng)和400hPa溫度擾動(dòng)的下方就是地面熱浪區(qū)，并且這些大氣擾動(dòng)是在幾天前，對有些強(qiáng)熱浪事件甚至是在十多天前從遠(yuǎn)方移動(dòng)而來的，大多數(shù)是從歐亞中高緯度移動(dòng)來的［15］.利用大氣變量天氣尺度擾動(dòng)的分析，他們發(fā)現(xiàn)2008年初發(fā)生在我國南方的雨雪冰凍極端天氣的前期冷信號(hào)，來自北非—中亞，并繞過青藏高原北側(cè)，最后才到達(dá)我國南方地區(qū)［16］.利用得到的這一認(rèn)識(shí)，他們提前預(yù)報(bào)了2011年初的南方地區(qū)雨雪冰凍天氣過程［17］.

利用大氣變量物理分解的擾動(dòng)，不但可以繪制水平的擾動(dòng)天氣圖，還可以繪制垂直剖面上的擾動(dòng)天氣圖.如在垂直剖面的熱帶地區(qū)擾動(dòng)天氣圖上，早年Madden和Julian［18］提出的熱帶大氣向東傳播的40—50天振蕩就更清楚了［12］.有些天氣尺度擾動(dòng)當(dāng)它們的尺度比較大時(shí)會(huì)在一些地區(qū)穩(wěn)定很長的天數(shù).對天氣尺度擾動(dòng)變量先做月平均，再做旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開，錢維宏研究組不但得到了早年Wallace和Gutzler［19］用北半球冬季500hPa位勢高度計(jì)算點(diǎn)相關(guān)發(fā)現(xiàn)的5種遙相關(guān)型，還新發(fā)現(xiàn)了北極地區(qū)的“兩對偶極濤動(dòng)”、“歐亞濤動(dòng)（EAO）”和“大西洋－歐亞型”（AEA）波列［20］.這些濤動(dòng)連接了相鄰地區(qū)的異常天氣和異常氣候.

對物理分解后的四個(gè)部分，錢維宏研究組把第二部分氣候鐘描述的季節(jié)變化與擾動(dòng)結(jié)合起來，他們又很好的揭示了華南沿海臺(tái)風(fēng)在初秋增強(qiáng)的季節(jié)鎖相［21］.北京大學(xué)這個(gè)研究組用這套物理分解的方法把前人多年分散研究得到的這么多時(shí)空尺度的大氣環(huán)流系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng)一的框架下聯(lián)系起來了，同時(shí)在此框架下還發(fā)現(xiàn)了前人沒有發(fā)現(xiàn)和命名的環(huán)流系統(tǒng)，包括遙相關(guān)系統(tǒng).這讓我們回想起，門捷列夫化學(xué)元素周期表的摸索制作過程，及其對后來化學(xué)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響.

3 理論問題研究的意義

經(jīng)過化學(xué)領(lǐng)域研究人員的長期努力，今天化學(xué)元素的排列關(guān)系清楚了，人們利用這些組成關(guān)系合成和制造了很多新型材料.人們認(rèn)識(shí)了化學(xué)，并利用了化學(xué)為人類服務(wù).大氣運(yùn)動(dòng)中的多時(shí)空尺度變化關(guān)系也需要先認(rèn)識(shí)，再后預(yù)報(bào)它們的變化，可為人類利用天氣氣候資源和避免氣象災(zāi)害服務(wù).北京大學(xué)錢維宏研究組雖然做了努力，但大氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性及其與外強(qiáng)迫的關(guān)系動(dòng)力學(xué)問題和大量的擾動(dòng)環(huán)流理論問題還沒有完全解決，需要更多研究人員的長期不懈奮斗.

既然大氣變量四個(gè)部分分解是有物理意義的，那么我們希望了解太陽輻射季節(jié)強(qiáng)迫引起的大氣環(huán)流緯圈對稱結(jié)構(gòu)的具體演變圖像.強(qiáng)迫與大氣響應(yīng)的過程，包括全球季風(fēng)對強(qiáng)迫響應(yīng)的滯后時(shí)間關(guān)系，南海夏季風(fēng)爆發(fā)在南、北半球季節(jié)轉(zhuǎn)換突變中的表現(xiàn)，經(jīng)向－垂直剖面上Hadley環(huán)流的演變等.我們希望認(rèn)識(shí)，對流層低層的19個(gè)大氣活動(dòng)中心在垂直方向上是怎么變化的？這些大氣活動(dòng)中心的強(qiáng)度和位置季節(jié)變化和年際變化會(huì)帶來哪些地區(qū)的異常氣候？需要定義和構(gòu)造怎樣的一些大氣環(huán)流異常指數(shù)（指標(biāo)）？哪些季風(fēng)（或環(huán)流）指數(shù)之間是有內(nèi)在聯(lián)系（或是獨(dú)立）的？全球22個(gè)氣候槽在季節(jié)變化上隨高度是怎樣變化的？它們有怎樣的年際和年代際變化，如何表達(dá)？它們與區(qū)域和全球季風(fēng)強(qiáng)弱變化有什么聯(lián)系？這些時(shí)間平均的海陸尺度非對稱系統(tǒng)季節(jié)演變的動(dòng)力學(xué)是否還滿足傳統(tǒng)大氣動(dòng)力學(xué)的那些平衡關(guān)系？緯向－垂直剖面上Hadley環(huán)流的演變怎樣？

大氣是一部多時(shí)空尺度的熱機(jī).只要有冷熱源的變化，這些熱機(jī)就會(huì)被啟動(dòng)起來.如果把冷熱源也分解成氣候鐘式的冷熱源和異常的冷熱源，那么我們只需關(guān)注異常的那些冷熱源.赤道太平洋上的年際El Nio事件、熱帶海洋上的季節(jié)內(nèi)熱力變化和地球上的冰雪面積季節(jié)內(nèi)變化都會(huì)形成行星尺度的冷熱源異常.它們在大氣變量中的反映可集中在物理分解的行星尺度緯圈平均的瞬變擾動(dòng)中.在這些行星尺度強(qiáng)迫源的作用下，經(jīng)向剖面上的半球三圈環(huán)流會(huì)發(fā)生怎樣的變化，特別是不同時(shí)間尺度強(qiáng)迫源變化與大氣行星尺度波動(dòng)的關(guān)系，以及不同行星尺度大氣波動(dòng)在傳播中的相互作用，這些問題都需要研究.

更為復(fù)雜的問題是天氣尺度的大氣擾動(dòng).它們的激發(fā)源是來自外強(qiáng)迫，還是大氣內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定？錢維宏等用大量的區(qū)域暴雨、熱浪、低溫、冰凍等的例子，分析了天氣尺度擾動(dòng)信號(hào)來源的地理位置和垂直結(jié)構(gòu).但不同擾動(dòng)變量之間，為什么有這樣的配置，并且牽涉到對流層頂，甚至平流層的擾動(dòng)？很多的動(dòng)力學(xué)問題，特別是擾動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展問題并沒有回答.

可以預(yù)見，天氣尺度擾動(dòng)變量描述的大氣動(dòng)力學(xué)可能會(huì)與不分解的傳統(tǒng)大氣動(dòng)力學(xué)有所不同.傳統(tǒng)天氣動(dòng)力學(xué)中的表現(xiàn)形式是Rossby波，是否在擾動(dòng)天氣動(dòng)力學(xué)中的表現(xiàn)形式成了一些擾動(dòng)渦旋的“粒子”了呢？正像光的波粒二相性那樣，即光傳播的波動(dòng)性和粒子性.不管光是按照什么理論傳播的，人們總是把光利用起來了，照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、汽車后視鏡，無一不是.

4 天氣擾動(dòng)應(yīng)用的前景

在規(guī)則強(qiáng)迫的氣候鐘下，錢維宏研究組提出了大氣變量可物理分解得到擾動(dòng)分量.他們通過大量例子，建立了天氣尺度擾動(dòng)分量與極端天氣和異常氣候事件之間的聯(lián)系，這是天氣擾動(dòng)的應(yīng)用.在天氣預(yù)報(bào)中，當(dāng)家的預(yù)報(bào)工具是天氣圖.根據(jù)大氣變量四個(gè)部分物理分解的關(guān)系，自從第一張?zhí)鞖鈭D問世以來的二百多年中，預(yù)報(bào)員使用的天氣圖上的信息包含了對指示極端天氣和異常氣候事件無關(guān)的氣候分量部分和有關(guān)的擾動(dòng)部分.錢維宏研究組把這部分對極端天氣和異常氣候事件有指示意義的擾動(dòng)部分單獨(dú)提取出來，繪制的變量空間分布稱為擾動(dòng)天氣圖.長期以來，人們得到的經(jīng)驗(yàn)是，每個(gè)時(shí)次的700hPa以下2—3個(gè)氣壓層上的常規(guī)天氣圖上的天氣系統(tǒng)可用于預(yù)報(bào)當(dāng)日區(qū)域暴雨等極端天氣發(fā)生的具體位置，500hPa形勢圖用于短期2—3天的天氣過程預(yù)報(bào)，而對對流層上部和平流層的天氣圖很少在業(yè)務(wù)中使用.錢維宏等的擾動(dòng)天氣圖恰反映出，對流層至平流層的各層變量的擾動(dòng)都會(huì)對區(qū)域極端氣象事件有指示和預(yù)報(bào)意義.預(yù)報(bào)員需要通過大量的例子分析，建立極端天氣和異常氣候事件與相關(guān)擾動(dòng)量之間的聯(lián)系.

各級政府和公眾對氣象預(yù)報(bào)的要求越來越高.盡管我們現(xiàn)在除了有分布全球的常規(guī)探空氣象觀測網(wǎng)外，覆蓋全球的氣象衛(wèi)星觀測資料和產(chǎn)品也越來越多.隨著全球城市化的發(fā)展和高速交通線路的運(yùn)營，城市局地和交通沿線短時(shí)（2～6h，或2～12h）的詳細(xì)天氣預(yù)報(bào)，特別是高影響天氣預(yù)報(bào)，成為人們的迫切需求.為了預(yù)報(bào)短時(shí)高影響天氣，時(shí)空加密探測要先行.現(xiàn)在的上海地區(qū)，除了常規(guī)的氣象雷達(dá)和10km分辨率的自動(dòng)氣象站觀測外，還分布有11部風(fēng)廓線雷達(dá).風(fēng)廓線雷達(dá)提供了地面至3000m高度上高分辨率風(fēng)的瞬時(shí)觀測.這些氣象儀器探測到的資料可以在每5min內(nèi)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集和處理顯示在預(yù)報(bào)員的面前.按照錢維宏的理論探討［6］，顯示在預(yù)報(bào)員面前的這些要素中包含了逐時(shí)和逐日變化的氣候鐘式的分量.這些與局地高影響天氣關(guān)系不大的大氣分量要去除.留下的與高影響天氣有關(guān)的擾動(dòng)分量還需要進(jìn)行分析和加工，最后的信息會(huì)大大的減少漏報(bào)和空報(bào).

在天氣預(yù)報(bào)走向客觀定量化的道路上，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式無可替代.在時(shí)空尺度上，現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)向兩極發(fā)展：“一是向行星環(huán)流的中長期演變和氣候預(yù)測發(fā)展，另一是向中小尺度的災(zāi)害性天氣的‘甚短期預(yù)報(bào)’發(fā)展”［22］.建立什么樣的模式？提供模式什么樣的啟動(dòng)預(yù)報(bào)的資料？又如何從海量資料中，依據(jù)什么物理規(guī)則提煉出有用信息？這些又是業(yè)務(wù)應(yīng)用中的一系列問題.

問題多并不可怕.過去我們搞氣象的人，怕的是沒有資料.現(xiàn)在有那么多的資料，怕的應(yīng)該是沒有物理思路和方法.如果我們能夠找到一條合理的物理思路和解決問題的方法，各種時(shí)空尺度的預(yù)報(bào)前景應(yīng)該看好.

5 結(jié) 語

現(xiàn)實(shí)的對極端氣象事件的預(yù)報(bào)問題研究途徑，包括倒向問題和正向問題的雙向探索.首先，作為倒向問題，即從已發(fā)生的某種極端氣象事件的全部樣本出發(fā)，做大量的例子分析，尋找其數(shù)值模式同期和前期來自觀測的大氣變量的共有特征.然后作為正向問題，依據(jù)近期觀測的實(shí)況或數(shù)值模式的預(yù)報(bào)，當(dāng)出現(xiàn)倒向問題得出的指標(biāo)時(shí)，作出某種極端氣象事件的預(yù)報(bào).作為倒向問題尋找出的指標(biāo)往往不能概括所有全部樣本，總有些例外，埋下了漏報(bào)的隱禍.這些指標(biāo)是必要條件，而非充分條件，由此而產(chǎn)生的正向問題存在著空報(bào)的可能.如何減少漏報(bào)和空報(bào)率是今后努力奮斗的目標(biāo).從根本上說，是需要將上述物理氣候統(tǒng)計(jì)的方法發(fā)展為動(dòng)力學(xué)的方法.具體的，要研究瞬變擾動(dòng)天氣圖上哪些指標(biāo)有物理意義，以及哪些擾動(dòng)可能引發(fā)極端氣象事件的物理機(jī)制.這顯然是個(gè)困難的問題，因?yàn)樗沧償_動(dòng)天氣圖上的量，比如風(fēng)速，并非實(shí)際的氣流.這需要從動(dòng)力學(xué)上證明，實(shí)際氣流中被分離出的部分，它們對該現(xiàn)象不起作用，猶如實(shí)際風(fēng)在分解為速度勢部分和流函數(shù)部分時(shí)，輻合輻散（垂直運(yùn)動(dòng)）完全由速度勢部分所產(chǎn)生的那樣.只有倒向問題得出的指標(biāo)獲得動(dòng)力學(xué)的闡明，并為實(shí)際預(yù)報(bào)所證實(shí)時(shí)，那才是真正的指標(biāo).顯然，要攻克極端氣象事件預(yù)報(bào)的難題，人們還有很長的路要走.

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An innovation study on the physical decomposition of numerical model atmospheric variables and their application in weather extreme events

CHOU Ji－Fan

CMA Training Center，China Meteorological Administration，Beijing100081，China

Numerical weather model variables such as temperature，humidity，pressure（geopotential height）and winds can be decomposed as four components，including the zonal timeaverage climate symmetric part，the time－average climate asymmetric part，the planetary－scale zonal－average transient symmetric anomaly，and the regional－scale transient asymmetric anomaly.Regional persistent extreme weather events such as drought，flood，heat wave，low temperature and freezing rain have closely relations with the present and previous planetary－scale and regionalscale atmospheric anomalies based on the numerical model output.The anomaly weather map may be a new tool to predict the extreme weather events.After a summery of innovation results from 9papers published in this volume，some theoretical problems and applying foregrounds of variable physical decomposition are discussed in this paper.

Physical decomposition，Numerical model，Extreme weather event，Regional－scale anomaly，Weather prediction

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001

P433

2011－12－04，2012－04－20收修定稿

丑紀(jì)范，男，1934年生，中國科學(xué)院院士，主要從事大氣動(dòng)力學(xué)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究.E－mail：nyz007＠126.com

丑紀(jì)范.一個(gè)創(chuàng)新研究——大氣數(shù)值模式變量的物理分解及其在極端事件預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1433－1438，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001.

Chou J F.An innovation study on the physical decomposition of numerical model atmospheric variables and their application in weather extreme events.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1433－1438，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.001.

（本文編輯 汪海英）