天气预报的科学

天气是与我们每个人息息相关的一件事情。每当天降大雨或台风来临，都会给我们的生活带来巨大影响。正因如此，我们对了解未来的天气情况有着迫切的需求，可以说每一天都离不开天气预报。

当今天气预报的基础是用超级计算机得到的“数值预测”，气象部门在解读计算结果后进一步提高了准确度，这就是我们收到的天气预报。

在日常生活中，每个人都会接触到天气预报。天气预报的基础是根据从全球范围内收集的观测数据，使用超级计算机计算求解得到数值天气预报。气象部门对基于这种方式得到的预测结果加以完善后就是最终的天气预报。下面将详细介绍科学家如何掌握和预测大气的变化。

我们居住的地球表面位于大气层的底部，而天气主要由上空的种种现象主导。为了预测天气，就必须掌握从地面到上空的3维空间中大气的变化情况。另外，大气层没有国界，气象在全球范围内是相互联系着的。因此，了解全球的大气状况也非常重要。

在观测设备匮乏的年代，只能根据云的变化或低空气压的变化等，间接推测高空大气的情况。直到20世纪30年代，才开始利用携带观测仪器的探空仪升空开展高空气象观测。

如今，借助于各种观测仪器，甚至可以到天气复杂多变的对流层之上的高空，观测气压、气温、风向和风速、水蒸气含量等大气状态。

除了在地面上通过气象台或自动观测装置直接观测当地的气象以外，还可以利用“天气雷达”或“风廓线雷达”等气象雷达，向高空发射无线电波来探测降水云（积雨云、雨层云等）和风等影响天气的要素。一台天气雷达甚至可以探测周围数百千米范围内的降水云。

尽管目前世界各国也在海洋上利用船舶或浮标合作开展气象观测，但与陆地观测相比，海洋观测的数量明显不足。此外，利用航空器或气象卫星在高空进行气象观测对预报非常重要。这些气象卫星是由中国、美国、欧洲、日本、印度等国或地区拥有的，不过世界各国或地区合作使用这些卫星所获得的观测数据。

气象卫星的观测弥补了海洋观测的不足，对生成后面要介绍的数值天气预报的“初值”具有非常重要的作用。

现代天气预报是以超级计算机经过庞大的计算而得到的“数值天气预报”为基础的。我们每天收看收听到的天气预报，是气象部门在数值天气预报结果的基础上，结合地域特点进一步提高准确度后产生的结果。

开展数值天气预报时，首先要在计算机上建立虚拟的地球与大气，把大气划分成细小的网格，并给每个网格标注上温度、湿度等表示大气状态的数值。然后，利用基于物理定律（动力学和热力学）的预报程序（模型）计算这些数值是如何变化的，就可以得到地球整体的气象将如何变化的信息。

开始计算时，事先标注到所有网格的数值，被称为“初值”，必须尽可能准确地反映实际的大气状态。因此，初值通常会使用前面介绍的世界各地的观测数据。

预测全球大气状态的模型称为“全球模型”。一些国家或地区的气象部门，例如中国气象局、日本气象厅、欧洲中期天气预报中心、英国气象局、美国国家环境预测中心都在使用独自开发的全球模型，只需10分钟左右就能预测出1天后的全球天气情况。其中中国气象局使用的模型称为“全球/区域通用数值天气预报系统”（GRAPES）。

气象的规模尺度相差非常大，既有在水平方向上绵延数千千米的规模，如高、低气压，也有几十千米的规模，如积雨云。要模拟的现象规模越小，数值天气预报模型的网格就必须划分得越细，当然计算量也越大。因此，必须结合所要预报的气象的规模来设定模型。

为了预报小规模的气象，也有一些模型通过缩小预测地域和控制计算量的增长等手段，来利用更精细的网格进行计算。此外，世界上也有一些企业独立开发了这样的模型，各自进行预报。

新媒体编辑/小帆帆