一种评估可预报性上限的新方法

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Zhang, W., Z. Toth, F. F. Zhou, J. Feng, M. Peña, and B. P. Kirtman, 2026: A New Approach to Estimating the Limit of Predictability. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-026-5621-8

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https://www.iapjournals.ac.cn/aas/article/doi/10.1007/s00376-026-5621-8

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一种评估可预报性上限的新方法

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内在可预报性上限，指的是即便拥有完美的模式与初始条件，超过该时间界限也无法做出任何有技巧的预报。

当今预报技巧仅延伸至约14天——但理论上，拥有完美模式与初始条件的确定性系统本应被永久完美预报。

然而，入射能量流中的量子扰动会在系统全部能量被替换之时，摧毁所有预报信息——这一时刻被称为“能量周转点”。

研究确定，大气的内在可预报性上限为129（±7）天；当今14天时效的预报技巧，最多可再延展57天。

或许可以说，预测是一切科学的目标与检验标准。迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋、大气与地球科学学院及NOAA海洋与大气研究合作研究所（CIMAS）的气候科学家张威等人近期在《大气科学进展》发表的一篇论文中，探讨了天气预报是否存在固有极限，若存在，这一极限又是多少。

自20世纪50年代末数值天气预报诞生以来，气象学家们便一直对这些问题充满好奇。

“如果我们连做出有技巧的超长期预报都无法真正演示出来，又怎能声称自己能够做到呢？” 张威博士说道。“遗憾的是，对于比当今预报误差更小的误差会如何演变，我们尚无任何观测、理论或数值模拟方面的经验。”正因为迄今为止多数研究恰恰聚焦于此类微小误差来回答可预报性的重大问题，至今未能得出确切答案也就不足为奇了。

一

一个困扰了半个世纪的问题

“我们的问题是：能否找到一个截然不同的全新视角，来切入这些长久以来悬而未决的可预报性问题？”论文第二作者、刚从NOAA退休的Zoltan Toth博士如此会议他们的研究出发点。

首先，他们以前所未有的方式提炼出核心问题：“假设在理想条件下，我们精确已知大气的初始状态、支配其运动的动力学规律以及未来的宏观尺度边界条件，那么天气预报究竟是否存在极限、极限又是多少？”在探索中，他们没有把目光放在预测本身，而是回归本源——大气的能量学。

“我们意识到，如果初始状态被精确已知，那么这一信息会被同样精确已知的大气动力学所保留，从而永远给出对真实状态的完美预报，”张威解释道，“唯一的例外，是以持续入射的太阳辐射中光子相位形式注入大气的量子尺度不确定性——而我们假定这一相位是未知的。”

二

答案，藏在太阳的光子里

顺着这一思路，答案逐渐清晰。“纵观大气能量循环，太阳辐射最终驱动着一切运动，迟早会抵达每一个分子，”张威说道，“我们推断，当太阳能量抵达大气各个部分之时，入射光子未知相位所带来的不确定性，必定已经抹去了关于初始状态的所有记忆——否则这一记忆本会被永久保留。换言之，超过这一我们或可称之为‘能量周转点’的时刻，预测便无从谈起。”

图1 全球能量收支示意图，数据来源于Stephens等（2012）（单位：W/m²，括号内为不确定性）。太阳短波通量和热长波通量分别用橙色和棕色箭头表示；未直接与大气相互作用的通量以较浅的颜色显示。与大气相互作用的大气层顶入射和出射通量，分别由图左上角和右上角的蓝色箭头标示。

三

极限，其实远比想象中远

综合考虑大气总能量、入射太阳辐射通量及其观测不确定性，作者们确立了129（±7）天，作为天气内在可预报性（区别于受外部强迫调制的可预报性）的可能上限。当今的预报技巧仅限于约14天，这意味着仍有巨大的提升空间。

“有趣的是，超出当今14天技巧极限的这段额外可预报时间，被均分为两部分：一部分可称为技巧的真正延展，另一部分则是在预报末端追加的、同样长度的、技巧勉强可用的时段，”Toth博士提醒道。换算下来，129天恰好等于当今14天有技巧时效，加上两段各57天的延展。

“也就是说，在理想条件下，比如当今一份5天预报的技巧，理论上可一路延展至62天。”张威博士及其同事正在开展其他独立的估算，以进一步证实这些结果。

图2 误差发散示意图。橙线表示完美模式预报与真实状态之间的误差（即真实误差），随预报时效（X轴）的增长；误差方差已由系统气候方差标准化。红色实心圆为当今初始误差，红色实心三角为当今技巧极限；蓝色空心圆表示某一初始误差方差水平，超出该水平后有技巧预报的范围将无法进一步延长，蓝色空心三角则标记相应的误差上限（即可预报性上限）。左侧红色箭头与顶部标度表示多年来初始误差方差的减小（约每十年延长1天，Zhou and Toth, 2020）。为便于说明，图中省略了部分预报时效范围。

“这项研究也凝结了许多同行的智慧，”张威博士补充道，“我们衷心感谢加州理工学院喷气推进实验室气候科学中心主任Graeme L. Stephens教授，以及来自Spire Global、NOAA GFDL、物理科学实验室（PSL）、NOAA卫星气象与气候部等机构的同行，在讨论与建议中给予的宝贵支持；也感谢全球系统实验室（GSL）对我到访期间的支持。”

基金支持：本研究受美国国家海洋和大气管理局（NOAA，NA20OAR4320472、NA22OAR4310603、NA23OAR4590384 及 NA23OAR4310457）与美国国家科学基金会（NSF，AGS2241538 及 AGS2223263）资助。

主要作者介绍

张威（第一作者、通讯作者）

迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋、大气与地球科学学院及NOAA海洋与大气研究合作研究所（CIMAS）研究科学家。长期致力于大气可预报性极限与气候模式“信噪比悖论”研究，并推动高分辨率耦合模式及机器学习方法在气候科学中的应用。担任 Weather and Forecasting 副主编，以及《气象学报》、Journal of Meteorological Research、Atmosphere等期刊编委。

《大气科学进展(英)》(Advances in Atmospheric Sciences，简称AAS)—中国大气科学领域学术水平最高的英文期刊之一，1984年创刊，1999年被SCI收录。最新影响因子5.0，JCR分区表一区，中国科学院文献情报中心期刊分区表一区Top。入选中国科技期刊卓越行动计划一期梯队项目、二期领军项目。

AAS致力于发表大气动力学、大气物理、大气化学及包含大气的耦合地球系统过程研究的原创性前沿研究成果。本刊发表文章类型包括：研究论文、快报、评论与回复、数据论文、新闻与观点（研究亮点、项目进展、会议报道）、综述及展望。

AAS由国际气象学和大气科学协会（IAMAS）中国委员会、中国科学院大气物理研究所、中国气象学会主办，由Springer和科学出版社共同出版，是国际IAMAS的唯一合作期刊。来自10个国家和地区的110多位优秀科学家编委全程监督审稿过程。