在理论研究、技术进步与预报实践的三重推动下，欧亚大陆冬季极端冷事件可能具有更长的预报时效。提高预报时效的关键之一在于寻找北极地区的敏感区，利用北极海-冰-气目标观测为数值预报提供更加精准的初始场，指导如何产生集合预报的初始扰动。
进入21世纪以来，全球增暖不断加剧，其中以北极地区增温最为显著。与此同时，北极地区海冰急速减少，欧亚大陆灾害性天气频繁发生。随着北极变化不断加剧，北极对欧亚极端天气影响的研究已经成为国际热点。已有的科学研究表明，北极海冰对欧亚阻塞、北大西洋涛动/北极涛动以及极端冷事件的可预报性有着重要影响。然而，目前大多数研究仍主要集中在气候尺度上。例如利用秋季北极海冰与海温的异常，对其后冬季欧亚大陆冷事件发生的频率进行预测，但却无法精确地预测出每一次事件的具体过程。
目前对欧亚大陆冬季冷事件的预报时效为一周左右。在针对我国冬季冷事件的预报时，预报员主要关注合适的大尺度环流如乌拉尔山阻塞高压与西伯利亚地区的冷空气。穆穆及其团队近年来承担了国家自然科学基金委重大研究项目中的“北极海-冰-气系统对欧亚大陆冬季极端天气事件可预报性的影响”课题。穆穆认为，气象科技工作者的工作即 “理论与机理研究”“观测”与“预报预测”三大部分，亦可以通俗地比喻为“摸老天爷脾气”“察老天爷颜色”与“猜老天爷将来心思”。从这三个方面，穆穆在近期《大气科学进展》上介绍了他们猜测欧亚大陆冬季冷事件可能拥有两周甚至更长预报时效的思路。
“首先，著名的洛伦兹混沌理论认为天气尺度异常事件的预报上限是两周左右，但是我们要科学地理解这一理论，而不能将其作为束缚我们的紧箍咒。”穆穆说，“我们将暴雨和冬季寒潮事件放在一起对比。一次影响范围几千平方公里，持续时间几个小时的暴雨，这样空间尺度和时间尺度都比较小的天气过程，预报上限可能是两周甚至更短。但是一次大范围冷事件的影响范围有数百万平方公里，维持时间一周甚至更长，特别是一些理论研究揭示出，这些冷事件与欧亚阻塞、北大西洋涛动/北极涛动联系紧密，而后者又与北极海-冰-气系统密切相关，这支持我们做可预报性研究的学者猜想，冬季冷事件的预报时效应该可以更长。”
这一猜想，在欧洲中期天气预报中心的预报产品中得到了一定的支持。穆穆团队发现，对于一些极端冷事件，欧洲中期天气预报中心的预报时效接近两周。不过，大气演变的过程十分复杂，目前还无法明确提炼出哪些事件可以突破两周上限。但可以确定的是，能够做到两周以上预报时效的都是具有较大时间尺度和空间尺度的天气事件。
“我们知道，数值预报的不确定性，来源于模式误差，以及初始条件和边界条件，即观测数据的误差。”对此，穆穆团队主要关注后者，希望通过改善观测资料的质量来提高预报的效果。与人口密集的陆地区域相比，广袤的北冰洋上观测站点十分稀疏且观测困难，相比于“漫天撒网”，在北极地区进行“目标观测”就成为了理想的方案之一。
“开展目标观测的关键是在北极寻找一个小范围的敏感区域，它本身比北极地区小得多，但它的观测资料对预报结果却有着重要影响。对这个敏感区内的海洋、海冰和大气变量进行加密观测（目标观测），不仅提供了直接的宝贵观测资料，也可以为卫星遥感资料的同化应用提供支持，进而为数值模式提供更加精确的初始场和更准确的边界条件；另外，还可以为开展集合预报构建初始扰动提供指导，最终为提高冬季极端冷事件的预报时效奠定基础。”穆穆表示，现在他们正在利用本课题组的条件非线性最优扰动方法作为“探测器”，努力找寻这样的北极敏感区。希望在不久的将来，为北极地区的目标观测，进而提高冬季极端冷事件的业务预报技巧，提供理论与方法支持。
文章来源：原刊于《中国气象报》2020-05-20
作者：穆穆，中国科学院院士、复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院教授
