我国地处东亚季风区，幅员辽阔，自然条件复杂，是世界上自然灾害最为严重的国家之一，其中气象灾害占我国自然灾害的70%以上。在全球气候变暖背景下，气象灾害的时空分布特征发生了很大变化，高温、干旱、强降水、台风等极端天气气候事件频繁发生^[1]，因此对气象灾害的发生、发展进行监测、预测和评估十分重要。20世纪80年代以来，气候科学发生了革命性变革，全球气候系统的概念取代了经典的气候概念。现代气候业务是现代气象业务的核心组成部分，是防灾减灾和应对气候变化的科学基础，主要包括气候监测诊断、气候预测、气候与气候变化影响评估和气候服务等任务，其显著标志是气候预测的客观化和气候影响评估的定量化。现代气候业务发展以气候系统监测、气候动力学诊断分析为基础，以提升气候灾害风险评估、气候服务和气候变化应对能力为目标，以提高气候预测准确率、发展极端气候事件预测业务为核心，以气候系统模式、气象资料综合应用和气候信息处理分析系统为技术支撑。

近30年来，国际气候业务发展较快。基于质量控制、序列均一的高分辨率基本气候变量数据集为气候业务发展提供了坚实的基础；气候系统监测与气候变化检测更加精细、准确，气候监测实现了以气候要素监测为主向以关键性、高影响气候过程或事件的综合监测为主的转变；气候预测更加客观、科学，多圈层耦合的高分辨气候系统模式成为推进气候业务发展的核心技术手段；基于多模式的气候异常概率预测逐渐成为国际主流，气候系统模式能够比较准确地模拟过去气候变化并对未来不同情景气候变化做出预估；多学科交叉、跨行业合作推动气候信息服务更加定量与贴近需求；气候信息产品广泛应用于农业、水资源、能源开发、人体健康、灾害风险管理，指导政府与社会公众防灾减灾、趋利避害的气候服务效益更加显著^[2]。我国气候业务起步较早，但发展较慢，直到20世纪末才初步建成包括气候资料处理、气候监测、气候预测、气候影响评价的较完整的业务系统。但近年来，随着动力气候系统模式BCC_CSM1.0的业务化运行，客观化气候预测技术和定量化气候评估方法得到了较快发展，气候服务领域越来越宽，气候服务质量越来越高，现代化的气候业务系统正在形成。

2009年世界气象组织 (WMO) 发起召开了第3次世界气候大会，国际社会达成共识，建立全球气候服务框架 (GFCS)，管理和减轻气候风险。2012年WMO特别大会批准了该框架的实施方案。GFCS的实施和我国经济社会的发展以及生态文明建设为气候业务的发展提供了机遇，提出了挑战。本文将介绍我国国家级气候业务现状以及未来发展设想。

经过多年努力，我国国家级现代气候业务系统已基本形成 (图 1)。该系统以气候系统资料 (CSDM) 为基础，以气候系统模式 (BCC_CSM) 为手段, 以统一的气候业务人机交互系统 (CIPAS) 为平台，包括气候事件监测、气候异常诊断、月季动力统计客观预测、多模式集合预测、气象灾害监测评估预警、气候分析应用等业务系统。通过正在建设的中国气候服务系统 (CFCS)，为各级政府提供决策服务，为社会提供公众服务，为各经济领域提供行业服务，为下级台站提供指导服务。

图 1

图 1. 现代气候业务结构框架 Fig 1. The framework of modern climate operation in China

国家气候中心实时监测大气、海洋和陆地基本气候变量。在大气监测方面，从传统的月平均气温和月降水量监测扩展到逐日滚动的最高气温、最低气温、平均气温以及降水量的监测。加强了影响我国天气气候变化的大气环流系统监测，特别是建立了一套针对东亚季风活动的滚动监测业务，实现了夏季风和冬季风的逐日监测；在海洋监测方面，基本建立了月尺度海洋表面及次表层温度状况的实时监测业务，建立了月尺度热带太平洋厄尔尼诺与南方涛动 (ENSO) 的监测系统，具备了对ENSO演变的滚动监测能力；在积雪和海冰监测方面，建立了北半球积雪和南北极海冰监测业务，监测北半球、欧亚、中国三大积雪区域 (青藏高原、新疆、东北) 的积雪日数及距平和积雪面积。通过卫星，实时监测南北极海冰密集度及距平。

通过对影响我国天气气候因子以及主要气候事件、气候过程的研究，着力推进气候监测业务规范和标准的建设，先后制定了极端天气气候事件、灾害性天气气候事件、梅雨、冷空气、ENSO、平流层爆发性增温、东北冷涡等监测标准，发展了华南前汛期、梅雨、华北雨季、西南雨季、华西秋雨等气候过程的客观识别方法。以气候动力模式为基础，初步建立了气候异常诊断系统。

我国位于东亚季风区，气候年际变率大，气候预测的难度高、不确定性大。长期以来，我国气候预测主要以物理统计方法为主，重点分析影响我国气候异常的各种物理因子及其前兆信号，以分析海温、雪盖、季风、阻塞高压、副热带高压等因子对我国汛期旱涝的影响为基础进行夏季气候预测^[3-6]，夏季降水预测多年平均PS评分为65(图 2)。近年来，国家气候中心发展以动力统计和多模式集成为主的客观化预测方法，为提高气候预测准确率打下了基础。2006-2012年夏季降水预测平均PS评分为72，且每年均超过多年平均，表现出稳定的预报技巧。

图 2

图 2. 1978—2012年我国夏季降水气候预测PS评分 Fig 2. The prediction score for China summer precipitation from 1978 to 2012

动力与统计集成季节气候预测系统 (FODAS)，发展了历史相似信息提取技术和气候模式预报误差的尺度分离和主模态信息提取技术，针对我国不同气候区域，研发历史相似预报误差与当前预报误差之间的统计关系模型，基于历史相似性信息，估计模式预报误差。通过历史回报挑选关键因子，采用经验正交函数分解 (EOF)、变量场奇异值分解 (SVD) 等方法压缩自由度，筛选出历史评分较高的因子。该系统实现了影响我国季节降水74项环流特征量和全球40项气候指数的自动计算，成功预测了2011年、2012年汛期的主要雨带，在气候预测业务中发挥了重要作用。2012年5月底预报2012年夏季6-8月降水PS评分为76，距平相关系数为0.16，北方主雨带预测正确。此外，黄河中下游至广西北部大范围地区降水偏少预测基本正确，但预测内蒙古东部至辽宁、江南等地降水偏少，与实况不符 (图 3)。

图 3

图 3. 2012年我国夏季降水实况 (a) 及FODAS预测 (b) 对比 Fig 3. Observation (a) and FODAS prediction (b) of China summer precipitation in 2012

多模式气候预测产品解释应用 (MODES)，集合美国气象环境预报中心 (NCEP)、欧洲中期数值预报中心 (ECMWF)、东京气候中心 (TCC) 和北京气候中心 (BCC) 等多家模式，通过预报因子和参数选取方案试验，改进降尺度解释应用模型，建立了客观集合预报系统，发布我国2332个台站的预测产品，基本实现了“一县一报”，对省级气候预测业务具有较高的指导与参考价值。

随着经济社会需求增长和业务技术的发展，短期气候预测的种类不断丰富。预测对象涉及气温、降水、台风数量、冷空气频次、沙尘频数、农业生产条件、森林草原火险等级等。预报区域也不仅仅限于我国，已经建立了基于动力模式的旬、月、季节尺度的全球范围环流和要素预报业务。

与物理统计预测方法相比，气候系统模式充分考虑了气候系统的物理过程，通过不断改进、采用集合预报等方法，其预测能力不断提高^[7-8]，动力气候模式是目前开展月-季节-年际时间尺度的短期气候预测和年代际-世纪时间尺度气候预估的重要工具。国家气候中心于“九五”期间研究开发了第1代短期气候预测模式系统 (BCC_CM1.0)。从2005年开始，建立了海-陆-气-冰多圈层耦合气候系统模式 (BCC_CSM1.0)，该模式以NCAR CCSM2.0模式为基础，开发了全球大气模式BCC_AGCM2.0，实现了通过耦合器CPL5.0与陆面过程模式CLM3、全球海洋环流模式POP和全球海冰模式CISM的动态耦合^[9-11]。海洋、海冰模式的水平分辨率为, 海洋模式的垂直分层为40层 (表 1)。

表 1

表 1 国家气候中心气候系统模式发展历程 Table 1 The processes for climate system models in China National Climate Center 发展阶段 时间 模式名称 模式组成 阶段Ⅰ 1995—2004年 海气耦合模式 BCC_CM1.0 BCC_AGCM1.0(T63) NCC/LASG OGCM (T63) 阶段Ⅱ 2005—2008年 气候系统模式1.0版本 BCC_CSM1.0 BCC_AGCM2.0(T42) CLM3(T42) 2005—2009年 气候系统模式1.1版本 BCC_CSM1.1 BCC_AGCM2.1(T42) BCC_AVIM1.0(T42) 2005—2010年 气候系统模式1.2版本 BCC_CSM1.2 BCC_AGCM2.2(T106) BCC_AVIM1.0(T106) 阶段Ⅲ 2011—2015年 高分辨率气候系统模式 BCC_CSM2.0 BCC_AGCM3(T266) BCC_AVIM1.0(T266)

表 1 国家气候中心气候系统模式发展历程 Table 1 The processes for climate system models in China National Climate Center

模式分辨率的不断增加和物理过程参数化的精细化改进，是提高预测准确性的主要发展方向，改进动力预测模式的初始场，改进与海洋、陆面模式的耦合是未来要解决的关键问题^[7]。目前投入业务运行的第2代月动力延伸模式和第2代季节预测气候模式，在分辨率和物理过程参数化等方面均有一定的提高和改进。第2代季节预测模式业务平台主要包括3个部分：全球海洋资料同化子系统、模式预测子系统、模式产品后处理子系统。系统基于气候系统模式BCC_CMS1.1(m) 建立，其中大气分量模式采用BCC_AGCM2.2, 水平分辨率为T106，垂直方向为26层；陆面分量模式采用BCC_AVIM1.0，水平分辨率为T106；海洋分量模式为MOM_L40，其采取三级网格，水平分辨率为，垂直方向共40层；海冰分量模式采用美国地球物理流体动力学实验室 (GFDL) 的海水拟合器 (SIS)。各分量模式通过CPL5.1直接耦合在一起。

气候影响评价业务从1982年建立以来，经过多年发展，评价方法逐步由简单的统计和定性评估向复杂的数学评估模型相结合的定量化方法转变^[11]。评估领域逐渐拓展到农业、水资源、交通、能源、生态环境、人类健康等方面。目前气候影响评价业务包括月、季节、年气候状况及其影响评估、气候事件对社会经济影响的专题性评估以及重大工程气候效应评估。国家气候中心实时监测和评估全国干旱、洪涝和台风等气象灾害；利用农业作物生长模式，进行气候对小麦、玉米、棉花、水稻等作物生长影响的实时评估；开展气候对交通设施、冬季采暖和夏季耗能以及一些疾病的影响评估；为长江三峡工程提供局地气候与生态环境监测与评估。建立了干旱对粮食产量影响的评估模型和基于水文VIC模型的干旱监测评估系统，实现全国各大流域径流量的实时监测，初步具备定量评估气候对全国水资源影响的能力；研制开发多尺度标准化降水指数 (SPI)、气象卫星相对蒸散、土壤水分监测等干旱监测方法，通过作物敏感系数和水资源系数，将气象干旱与农业干旱和水文干旱联系起来，使得气象干旱监测和服务更有针对性。

随着气象灾害影响越来越大，国家气候中心加大了气象灾害风险评估工作，从致灾因子危险性、承灾体的脆弱性、孕灾环境稳定性、防灾减灾能力等方面开展暴雨洪涝、台风、干旱等方面的灾害风险区划。编制完成了《气象灾害风险管理办法》和《气象灾害风险评估技术指南》，开展主要气象灾害风险区划技术研究，开展全国暴雨洪涝灾害风险普查，开发了气象灾害风险普查录入系统，建立了致灾临界面雨量方法和风险预警等级指标，完成了基于逐小时降水资料的全国暴雨气候图集。

全球气候变化对人类社会、经济和生态环境的可持续发展提出了严峻挑战，作为国家应对气候变化工作的基础性科技支撑部门，近年来，通过加强气候变化科学研究，推进气候变化业务的发展。国家气候中心每年制作发布《中国气候变化监测公报》、《气候变化绿皮书》；滚动检测中国和亚洲气候变化事实，定期更新发布中国气候变化预估数据集；加强适应气候变化，特别是应对极端事件能力建设，组织编制《气候变化国家评估报告》；定期发布《国内外气候变化动态》，跟踪国际气候谈判的态势和气候变化科学前沿；建立气候变化农业适应基地，探讨适应技术；积极参加政府间气候变化专门委员会第5次评估报告 (IPCC AR5)，参加了基于新情景下第5次耦合模式比较计划 (CMIP5) 核心试验，评估了模式对中国过去气候变化的模拟能力，分析了不同典型浓度路径 (RCP) 排放情景下，未来中国气温和降水变化。

近年来，国家气候中心大力发展以业务平台为基础的支撑系统建设，建立了气候信息处理与分析系统 (CIPAS)、气象干旱监测预警系统、灾害影响评估系统等集约化的业务平台。面向预报员的CIPAS人机交互系统，实现了支持多源、多格式数据，地图综合显示与管理，多种气候专题图制作，EOF和SVD、回归分析等预测分析工具，交互诊断分析工具，交互编辑制作工具，资料快速检索，气候业务产品制图与多格式输出等功能；干旱监测预警系统包括干旱监测、干旱诊断分析、干旱预测预警、干旱影响评估、干旱风险分析、亚洲干旱监测等模块。建立了综合气象干旱指数 (CI)、修订的综合气象干旱指数 (MCI)、气象干旱对农业影响指数 (MCIA)、气象干旱对水资源影响指数 (MCIW)、相对湿润度指数 (MI)、帕默尔干旱指数 (PDSI)、降水温度指数 (KI)、标准化降水Z指数、标准化降水指数 (SPI)、不等权重降水标准化指数 (SPIW) 等干旱监测指数，实现对干旱的逐日监测，发布逐日干旱监测产品，并实现对重大干旱事件的诊断分析；建立干旱对农业、水资源、社会经济的影响评估模型，实现对干旱的实时监测与风险评估；灾害影响评估系统实现了对气象灾情的存储、检索和统计分析，建立了干旱、暴雨洪涝、低温冻害、高温热浪、热带气旋、沙尘暴、大风冰雹、雪灾、雾和霾、酸雨和雷电等11类气象灾害的监测指标，并对气象灾害影响相关行业进行评估。

第3次世界气候大会提出了建立全球气候服务框架 (GFCS)(图 4)，使气候信息和预测更好地为决策服务，并提出要促进气候信息的应用，加强业务和用户的沟通，构建气候信息应用平台，使气候信息主流化，成为社会的基础性公共信息。GFCS建设目标是建立一个端到端的系统，以提供气候服务，广泛应用于社会各阶层的决策，避免和管理气候风险。GFCS确定农业、减轻灾害风险、水、卫生为优先发展领域。GFCS包括观测，研究、模拟和预测，气候服务信息系统，用户界面和能力建设5个部分^[12]。可以预计气候服务将促进气候科学应用的革命，气候业务将更加注重气候适应、月-年代时间尺度的预测、气候变异、极端事件和影响。

图 4

图 4. 全球气候服务框架 (GFCS) Fig 4. Global framework for climate service

气候系统观测是认识、减缓和适应气候变化的重要基础，因此，建立高质量、连续、均一的气候观测系统，是《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC) 和政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的要求。气候观测将改进对所发生气候变化的描述，更好地确定气候发生变化的原因 (特别是外强迫的作用、气候系统惯性和自然变异)，并促进提高气候预估的可靠性。气候系统的观测信息将有益于监测和检测气候系统及其变化，记录自然气候变异和极端气候事件，模拟和预报气候变异和气候变化，评价气候变化对生态系统及社会经济的潜在影响，支持了解、模拟和预测气候系统所需的业务和研究。同时，也有助于根据气候以及气候变化趋势确定经济发展规划、调整生产布局、防灾减灾、合理利用气候资源、开展生态环境建设和保护等^[13]。全球气候观测系统 (GCOS) 制定了未来10年的实施计划，对54个气候系统基本变量进行观测，并且加强了卫星气候观测。

近年来，国际上气候动力业务模式发展较快。欧洲中期数值预报中心业务运行第4代动力气候模式 (ECMWF System 4)，大气模式为T255，水平分辨率为0.7°×0.7°，垂直分辨率为L91；美国环境预测中心业务运行第2代气候模式 (NCEP CFS2), 大气模式为T126，垂直分辨率为L64；欧美等发达国家不仅提高了动力模式分辨率，而且改进了同化系统和物理过程，动力模式对热带ENSO区海温平均预测能力在提前6个月时效内技巧很高，对大气季节内振荡 (MJO) 的预测能力超过两周，ECMWF已经将MJO的预报时效提高到3周。ECMWF多模式集合系统 (EUROSIP) 和美国多模式集合系统 (NMME) 表现出较单个模式更高的预报技巧。对于季节到年代际气候预测，国际上更加关注来自海洋 (ENSO、印度洋偶极子 (IOD))、中高纬度地区 (大气振荡 (AO))、气溶胶 (火山喷发、人类活动)、平流层异常 (爆发性增温、平流层准两年周期振荡 (QBO))、陆面过程 (土壤湿度、积雪) 和海冰等影响因子。重视模式预测所需要的各种资料信息及这些信息的可用性、模式的初值化及其对预测结果的影响。

2011年政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第1和第2工作组联合发布《管理极端事件和灾害风险，推进气候变化适应特别报告》(SREX)，在该报告中，IPCC首次阐述如何整合气候科学、灾害风险管理和适应方面的专业知识，为在气候变化背景下如何降低和管理极端事件和灾害的风险提供信息。SREX以灾害风险管理和气候变化适应为主线，对极端事件有关大气物理、大气化学、自然地理与经济地理、风险管理、适应应对措施成果进行集成评估；采用AR5定性和定量的不确定性评估方法，对所有重要结论的信度进行分析，客观反映了人类对极端气候事件的认识和理解水平；讨论气候变化背景下，气候极端事件和关键致灾因子的变化，对不同层面灾害风险分担和转移机制进行评估，并提出一些供各国政府进行减灾管理的选择措施。极端事件发生频率和严重程度、脆弱性、暴露度的增加导致灾害风险增加，灾害风险管理和气候变化适应能降低极端事件的不利影响和灾害的程度。

我国经济社会的快速发展对现代气候业务建设提出了新的更高要求，对照2020年气象现代化战略目标和国际先进水平，我国气候业务能力仍存在明显不足，主要表现：一是气候资料综合应用能力不足，特别是卫星、雷达等新监测手段所获得的资料与常规资料的融合技术和应用能力不足，突出表现为目前我国气候业务中使用的对流、辐射、海洋、积雪、极冰等大量监测信息主要来自国外；二是现有气候业务技术难以满足现代气候业务发展需求，对我国和亚洲区域气候异常的监测指标和成因诊断技术、旱涝预测技术、气候灾害的影响评估和风险管理技术，以及气候变化的检测、归因和适应技术等需要开展深入研究，并进一步提高科研成果转化水平；三是气候系统模式研发与业务应用尚需加强，海-陆-气-冰耦合的物理过程、模式的分辨率等影响气候模拟预测的关键环节，以及高分辨率区域气候模式的研发，与现代气候业务建设需求还有较大距离。

为满足中国气候与气候变化服务的需求，缩小和发达国家之间的差距，建立基于气候服务的现代气候业务系统十分重要。将构建以气候监测、诊断归因、影响评估、气候预测为核心，以气候观测和气候模式为支撑的中国气候服务系统 (图 5)。加强与各级政府、社会公众和重点影响行业用户的业务合作和互动，构建信息交流与共享、用户培训与反馈、联合会商与预警、订制服务与产品为主要内容的合作伙伴关系，支撑气候和气候变化服务。提供高水平气候服务的关键取决于气候信息的可靠性和针对性，因此提高气候业务能力和水平十分重要。

图 5

图 5. 中国气候服务系统流程 Fig 5. The process of China framework of climate service

今后相当长的一段时间内，我国现代气候业务将以提高客观化预测水平、定量化评估方法为核心，以发展气候预测客观方法、提高气候系统模式分辨率和改进物理过程、研制气象灾害风险管理方法和构建现代气候业务平台为发展方向^[14-17]。国家气候中心将着手建立亚洲气候和气候变化监测诊断业务系统，加强对影响我国天气气候异常的大气、海洋和陆地基本气候变量的监测诊断能力，特别需要加强对中高纬度环流系统及海冰的认识和分析，尤其是对我国北方影响显著的北极涛动 (AO)、北大西洋涛动 (NAO) 及北极海冰等的监测和诊断分析；发展以动力气候模式为基础，动力与统计相结合的月-季节-年尺度的第2代短期气候预测系统；完成水平分辨率为45 km左右的新一代气候系统模式研发，模式性能接近世界先进水平，对东亚季风雨带南北进退、MJO等低频活动具有更好的模拟能力；为进一步提升季节模拟预测水平，一方面需改进现有气候系统模式的性能，加强预测结果检验和误差订正，另一方面需加强集合模拟预测研究；发展高分辨率区域气候模式，开展动力降尺度研究，区域模式预测、预估结果与水文模型、粮食产量模型、风能资源模型嵌套，在区域和主要流域开展水资源影响、农业产量评估、风能评估等方面的业务；开展针对干旱、暴雨洪涝、台风和高温热浪等主要极端天气气候事件的预测方法研究，针对区域气候特征采用不同的降尺度方案，对气象灾害进行预估；分析台风、暴雨洪涝、高温热浪、干旱等气象灾害和极端事件的发展趋势与风险，确定致灾阈值；发展气候变化影响定量评估和脆弱性评估模型和方法，开展气候及气候变化对不同行业、重点领域的综合影响评估。