Aspects of Long-range Forecasting

Summary

The history of long-range forecasting over the past century is traced in this lecture through the work of innovators of synoptic, statistical, and physical approaches. The development of scientific methods appears to have been initiated by the researches of Teisserenc de Bort, who, by averaging sea-level pressure fields over intervals of a month or so, brought to light the “centers of action” and in addition, related prevailing weather conditions over long periods to their strength and position. Spurred on by the undeniable relationships found by de Bort, research workers the world over attempted to develop regional weather types and predict their occurrence. These methods employed to predict were generally devoid of physical reasoning and thus after several fruitless decades led to an era of disillusionment which still dampens the enthusiasm of the meteorological community for long-range forecasting.

New light was cast on the centers of action beginning in the 1930’s with the work of several groups, especially that under the direction and stimulus of G. G. Rossby in the U. S. A. These advances stemmed from the discovery of a new class of largescale and slow-evolving systems in the mid-troposphere (planetary waves) and from the concept of vorticity conservation. This concept provided for the first time a physical rationale for teleconnections and extended forecasting, and ultimately led to the development of short-range (up to a few days) numerical prediction models.

Current long-range forecasting seems to focus on influences external to the atmosphere, particularly feed-back phenomena associated with abnormal boundary influences imposed by oceanic surface temperatures and snow or ice cover, and to focus less sharply on irregular solar influences on the atmosphere. Empirical and synoptic studies carried on with new sophisticated techniques and computing machines are also being developed. The goal now within sight is the development of numerical models for long-range forecasting — statistical and physical, as well as a combination of both. It remains to be seen whether iterative schemes will succeed or whether ensemble approaches using time-averaged states with the help of statistical and largely thermodynamical methods will render the desired objectivity along with increased reliability in predictions.

Zusammenfassung

Die Arbeiten auf dem Gebiet der Langfristprognose während der letzten hundert Jahre benutzten im wesentlichen synoptische, statistische oder physikalische Methoden. Die Entwicklung von wissenschaftlichen Methoden der Langfristprognose ging von der Erkenntnis Teisserenc de Borts aus, daß sich in der mittleren Druckverteilung, bezogen auf das Meeresniveau, etwa über einen Monat „Aktionszentren“ finden und in Verbindung damit ein bestimmter Witterungscharakter sowohl hinsichtlich der geographischen Lage als auch der Intensität über längere Perioden vorherrscht. Diese offenkundigen Zusammenhänge veranlaßten viele Forscher, regionale Wetterlagenklassifikationen zu entwickeln und die betreffende Wetterlage vorherzusagen. Diese Methode, die nicht auf physikalischen Grundlagen beruht, zeitigte aber nicht den gewünschten Erfolg und führte zu einer Dämpfung des meteorologischen Enthusiasmus hinsichtlich der Langfristprognose.

Neue Erkenntnisse über Aktionszentren wurden in den dreißiger Jahren von verschiedenen Arbeitsgruppen, insbesondere von einer Gruppe unter der Leitung von G. G. Rossby in den USA gewonnen. Der Fortschritt beruhte auf der Entdeckung einer neuen Art von großräumigen quasistationären Drucksystemen in der mittleren Troposphäre (planetarisches Wellensystem oder Rossby-Wellen). Die Ausbildung eines solchen Wellensystems beruht auf dem Konzept der Erhaltung der absoluten Wirbelgröße. Diese Erkenntnis, die auf physikalischen Prinzipien beruht, hat sowohl die langfristige Prognosenmethode als auch die kurzfristige (Entwicklung von numerischen Modellen) befruchtet.

Die gegenwärtige Forschung auf dem Gebiete der Langfristprognose konzentriert sich auf Einflüsse, die von Effekten außerhalb der Atmosphäre herrühren, und auf Rückkoppelungseffekte, die mit abnormalen Randbedingungen verbunden sind, hervorgerufen durch die Oberflächentemperatur der Ozeane bzw. durch mit Eis oder Schnee bedeckte Gebiete. Ferner ist der nicht allzu deutliche irreguläre solare Einfluß auf die Atmosphäre zu berücksichtigen. Mit der Verwendung von Elektronenrechenmaschinen in der Meteorologie ist es nun Ziel der Langfristmethode, numerische Modelle zu entwickeln, die entweder auf physikalischen Prinzipien, auf statistischen Prinzipien oder auf Kombinationen von beiden beruhen. Es bleibt die Frage zu klären, ob man nach einer iterativen Methode (Erstellung der Vorhersage durch Fortschritt von einem Zeitpunkt zum anderen) vorgehen oder ob man sich auf zeitlich gemittelte Vorhersagewerte konzentrieren soll, die aufgrund statistischer und thermodynamischer Methoden erstellt werden.

Résumé

Les travaux effectués au cours de ces cent dernières années dans le domaine des prévisions à longue échéance utilisent principalement des méthodes synoptiques, statistiques ou physiques. Le développement de méthodes scientifiques pour la prévision à longue échéance est parti de la découverte par Teisserenc de Bort que la répartition moyenne des pressions calculée sur un mois environ et réduite au niveau de la mer présente certains “centres d’action”. Ces derniers déterminent certains caractères du temps durant d’assez longues périodes et cela aussi bien quant à leur diffusion géographique qu’à leur intensité. Ces relations patentes ont incité maints chercheurs à établir une classification régionale des situations météorologiques et à prévoir le développement de ces situations. Cette méthode qui ne se fonde pas sur des principes physiques n’a pas conduit au succès escompté et a refroidi l’enthousiasme constaté précédemment dans les milieux météorologiques pour les prévisions à longue échéance.

Au cours des années trente, plusieurs groupes de travail, en particulier celui dirigé aux Etats-Unis par C. G. Rossby, firent de nouvelles découvertes en relation avec les dits centres d’action. Ce progrès se base sur la découverte d’un nouveau genre de systèmes de pressions quasi-stationnaires et s’étendant sur de très grands espaces. Ces systèmes sont situés dans la troposphère moyenne (systèmes d’ondes planétaires ou ondes de Rossby). Le développement d’un tel système ondulatoire est basé sur le principe de la conservation de l’énergie tour-billonnaire absolue. Cette découverte qui se base, elle, sur des principes physiques a porté ses fruits tant dans le domaine des prévisions à longue échéance que dans celui de la prévision à court terme (préparation de modèles numériques).

Actuellement, les recherches dans le domaine de la prévision à longue échéance se concentrent sur l’étude des influences de phénomènes extra-atmosphériques, des effets de chocs en retour liés à des situations de bords anormales produites par la température de surface des océans, respectivement des zones recouvertes de neige ou de glace. Il faut en outre tenir compte de l’influence exercée sur l’atmosphère par les fluctuations irrégulières et encore peu connues de l’activité solaire. L’utilisation de machines mécanographiques électroniques en météorologie impose l’établissement de modèles atmosphériques numériques pour le calcul de prévisions à longue échéance. Ces modèles découleront de principes physiques ou statistiques, voire de la combinaison des deux. La question reste ouverte de savoir si l’on veut utiliser une méthode itérative (établissement d’une prévision découlant de la progression d’un moment donné vers un autre) ou si l’on ne devrait pas se concentrer sur l’établissement de chiffres moyens couvrant une certaine période, ceux-ci étant calculés à partir de méthodes statistiques et thermodynamiques.