4.3.1 中期天气预报概述
4.3.1 中期天气预报概述
中期天气预报的需求可从文学作品《三国演义》中的“借东风”情节看出。诸葛亮向周瑜提出可借东风，预言持续三日三夜，“预报”时效已达4～7天，已经超出了短期天气预报72小时的时效。
图4.4 不同来源的2014年3月13日12时500hPa位势高度场数值天气预报图
中期天气是指从预报时刻开始的4～10天（72～240小时）时效内的天气。中期天气过程的时间、空间尺度比短期天气过程要大得多，也复杂得多。在短期大气过程（24～48小时）中，基本上仅涉及天气系统的发展过程，而不涉及新天气系统的产生，在中期天气过程中，既有旧扰动消失，又有新扰动生成，涉及了大气中能量产生和耗散过程。因此，中期天气的预测主要抓大尺度天气系统的维持和调整及天气过程的持续和更迭。
预报中期和长期天气是一个困难的、复杂的科学问题。中心问题是大气的可预报性。所谓—个系统的可预报性，指的是有可能作出近期或是遥远未来的系统状态预报的精确度。对于真实的物理系统，受到许多条件的限制。例如，我们目前的仪器可测出精确到米每秒的风，但是绝不可能设想，在不久的将来，风的常规测量精度能达到厘米每秒。同样目前的全球观测网能分辨出主要的气旋和反气旋的结构，但是也不可能设想在不久的未来，全球观测网能够观测每一块积云的位置、尺寸和内部结构。
中期天气过程是在大气行星尺度系统或一群天气尺度系统演变的背景下产生的。行星尺度系统沿纬圈波数为1～3的超长波，水平尺度在6 000km以上，生命史5～10天；天气尺度系统沿纬圈波数为4～8的长波和短波，水平尺度在3 000～6 000km，生命史3～5天。当大气环流背景确定后，对应的中期天气过程也大体上被确定了。为构造与大气行星尺度系统或天气尺度系统时空尺度相适应的判据，预报区域也必须具有相同的空间尺度即半球至全球的范围。
为突出大气环流中的超长波与长波，采用时间平均的方法滤去高频的短波。对于高、中层全纬圈范围环流和低层半纬圈范围环流，主要保留超长波，采用5天平均；对于高、中层半纬圈范围环流和低层1/4纬圈范围环流，主要保留长波与短波，采用3天或4天平均。
为评估大气环流在预报时刻前后的动态变化，以预报日为基准，高、中层以前5天（-4～0天）和后5天（1～5天）的环流平均场为历史样本或预报样本；中、低层以前3天（-2～0天）、后1～3天和后4～7天的环流平均场为历史样本或预报样本。这里的模式既考虑了预报时刻前的相似，又考虑了预报时刻后的未来相似，是连续的动态相似。由于目前数值天气预报产品的时效为10天，可用这10天的数值天气预报产品构造预报样本。这种方法称为相似形势预报法。
观测表明大气是非周期变化系统。但大气有各种周期分量，可看出年和日循环和它们的谐波。要是把这些周期分量及任何近似周期分量从讯号中排除，仍然存在—个大的余数。仅就重复出现而言，周期分量在任意时间范围都是可以预报的，通常预报员希望能预报的是那种余数，但余数本身不存在着周期性，经过相当一段时间以后，它是不可预报的。
中期数值天气预报是提高预报精度的重要方法。近年来，国家气象中心的许多预报人员通过分析不同季节数值预报模式预报性能的检验分析，得出对于大尺度环流形势的中期预报，欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、我国T639三种数值预报模式的预报结果对高纬度大型环流形势都具有比较好的预报性能，欧洲中期天气预报中心数值预报模式与实际环流的误差相对最小，对南支槽（来源于高原南侧孟加拉湾地区的低压槽）强度的预报效果好于另外两个模式。夏季对台风强度的预报偏弱。冬季日本模式对气温的预报效果相对较好，T639模式96小时对海平面高压位置的预报效果相对较好。2011年春季日本模式对沙尘暴的预报效果好于其他两个模式的预报结果。
图4.5 T639、ECMWF及日本模式模拟的夏季（2010年6～8月，于超，2010）、秋季（2010年9～11月，周宁芳，2011）、冬季（2010年12月～2011年2月，张亚妮，2011）和春季（2011年3月～5月，蔡芗宁，2011）西风指数逐日演变曲线
研究人员对3个模式模拟的春、夏、秋、冬四个季节大气环流形势进行比较（图4.5）。2010年6～8月（夏季）的预报效果检验表明，对96小时的预报，欧洲中期天气预报中心模式对西风指数的预报效果最好，对中、高纬度环流的短暂调整也有较为准确的反映。日本模式和T639模式次之。2010年9～11月（秋季）的预报效果检验表明，对96小时的预报，3种模式均对亚洲中、高纬度环流形势的演变和调整具有较好的预报能力。T639模式在144小时后预报性能减小比较明显，对超强台风凡亚比的路径预报偏差较大，而日本模式预报的强度偏弱。总体而言，欧洲中期天气预报中心模式对各天气系统和预报性能更加稳定和接近实况。2010年12月～2011年2月（冬季）的预报效果检验表明，3种模式对西风指数96小时和120小时的预报效果差异不大。144小时的预报效果仍比较理想，但欧洲中期天气预报中心模式的结果与实际最接近。在预报实效为196小时的情况下，3个预报模式预报结果误差明显增大，其中T639模式的误差最大。2011年3～5月（春季）的预报效果检验表明，96小时500hPa西风指数的变化模拟结果与实况较为一致。但无论哪个实效，仍然是欧洲中期天气预报中心模式的预报效果最好，日本模式仅次于欧洲中期天气预报中心模式，T639的模拟结果随着预报时效的延长与前两个模式的差距越来越大。