精准预报天气是永恒的话题

科学世界 · 公众号 · 科学 · 2019-12-10 18:28

正文

过年会下雪吗？

什么时候要穿秋裤？

出去旅行能赶上好天气吗？……

天气预报如此重要，小到出行规划，大到国民经济，全都离不开它。但我们似乎都有这样的感觉，天气预报有时候没那么准……那么，预报天气都使用了什么方法，有哪些因素影响了预报的准确性，有没有可能通过技术的提高在未来克服这些困难呢？

快来听听院士怎么说！~

精准预报天气是永恒的话题

气象是指发生在大气中的风、云、雨、雪等大气现象。天气是指每时每刻、短时间内气象特点的综合状况。天气与每个人的生活息息相关，影响国民经济和国家安全。而且，全球超过80%的自然灾害是气象灾害及其衍生灾害，在我国因气象灾害造成的经济损失平均超过自然灾害经济损失的70%。因此，监测和预报天气是气象工作的核心内容。

在20世纪，电子计算机的发展促成了数值天气预报技术的发展。数值天气预报是基于数学物理学方法，来客观、定量计算未来天气演变的科学。从20世纪50年代试验成功以来，经过70年的发展，已经成为一个跨学科的复杂而严格的系统性工程，使得天气预报从传统的以统计和经验为主的天气图方法，转变成为客观定量的科学和超级计算。数值预报被认为是自然科学各领域中最具影响的成就之一。当然，数值天气预报的成功和进步也离不开无线电探空、卫星、雷达等先进大气探测技术的广泛应用。

2019年第10期《科学世界》的特辑文章“天气预报的科学”以图文并茂的形式，深入浅出地介绍了数值天气预报以及影响我国的天气系统与大气环流；从防灾减灾的角度，对台风、龙卷、暴雨等的生成机制进行了剖析；还对普通大众关于天气预报存在的一些疑问，诸如何为降水概率，为什么有时天气预报不准等给出了解答。

由于篇幅所限，除讨论了气候变化对极端天气的影响外，特辑文章没有详细介绍天气预报中的气候预测。应该指出，对未来月、季、年际乃至年代纪的气候进行预测和预估，也是当前国际大气科学界努力的主要方向之一。随着20世纪80年代以来气候与气候变化科学的研究，气候预测也取得了令人瞩目的成就，例如对厄尔尼诺与南方涛动的成功预测等。

当然，基于超级计算机的数值天气预报与气候预测还有很长的路要走。一方面，大气运动本身的混沌特性决定了天气预报存在着可预报极限；另一方面，天气预报所依赖的超级计算机模型只是大气运动的近似模型，限于目前的研究水平，影响天气变化的诸多因素（如对流、云、湍流等）尚不能在模型中准确表达。此外，任何观测总是有误差的，我们不可能知道精准的大气状态。 同时，无论如何超级，计算机模型也总是存在计算误差的。提高天气预报准确率是一个世界性的难题。 提高计算机模型的精准程度、考虑影响天气变化的更多复杂过程（如海洋、海冰等）、发展更先进的大气探测技术[如欧洲空间局于2018年发射的“风神”(Aeolus）多普勒风激光雷达卫星、发展考虑大气运动混沌特性以及模型和初值误差的集合预报技术等是气象学家们努力的方向。

数值天气预报是20世纪下半叶最受世界各国关注的重要科学技术之一，是气象领域的核心科技。毫无疑问，我国科学家在此领域也做出了突出的工作。以曾庆存院士为代表的老一辈科学家在数值天气预报的数学物理理论、半隐式计算方法等方面取得了有广泛国际影响的研究成果。通过几代人不懈的努力，近年来，我国科学家首次以自主技术建立了区域3～10千米分辨率、全球25～50千米分辨率的确定性与集合预报数值体系“全球/区域通用数值天气预报系统”(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，GRAPES），为国家的防灾减灾与气象事业提供了大国重器。

作者简介

穆穆，复旦大学大气与海洋科学系特聘教授、博士生导师，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。兼任国务院学位委员会大气科学学科评议组召集人、国际气象学和大气科学协会（IAMAS）执委会委员。主要从事大气-海洋的可预报性及相关的资料同化、集合预报与适应性观测方面的研究。先后获得中国科学院自然科学奖一等奖，何梁何利基金科学与技术进步奖等学术奖励。

沈学顺，中国气象局研究员，入选第一批国家万人计划，是国家重点领域创新团队“数值预报创新团队”的负责人。在数值模式动力框架研究、模式物理过程和数值预报系统研发等方面有诸多成果，并带领团队发展了自主全球数值预报业务系统GRAPES_GFS和GRAPES业务预报体系。曾获国家科技进步二等奖、中国气象学会气象科技进步一等奖等。

Q&A

为什么3天以上的天气预报总会不准？

众所周知，长期的天气预报很难做到准确无误。尽管全球模型的预报准确性逐年提升，现在已经能够相当准确地预报明后两天的天气。但是，由于大气运动具有“混沌”的特性，所以预测更长远的天气情况非常困难。

数值预报时，一旦对现在大气状态的数值（初值）有微小的误差，在反复计算的过程中，预测结果很可能会出现很大的偏差。这种现象就是“混沌”，是美国气象学家爱德华·洛伦茨（Edward Lorenz，1917～2008）于20世纪60年代初在用计算机分析气象模型时发现的。 混沌是大气固有的性质，因此即使改进了观测和预报技术，也无法从根本上消除这种不确定性。

尽管混沌现象非常麻烦，但在许多产业中，人们需要长期天气预报的信息。例如，如果事先知道今年冬天会非常寒冷的话，就可以多储备一些冬季用品。中国气象局国家气候中心每年会发布长期的天气预报，例如冬季气候预测与汛期气候预测。

由于存在混沌现象，所以在长期预报时，通常会稍微改变一下初值，多次计算后取平均值（集合预报）。不过，在长期预报中，并不会发布诸如“某日有雨”“最高气温25℃”之类的结论，而是以集合预报的结果为基础，发布诸如气温“与往年持平”的概率为30%、“比往年低”的可能性为20%、“比往年高”的可能性为50%等反映天气预报不确定性的内容。

如果对大气变化只进行数值预报的话，预测的准确性就会因大气的混沌特性而降低。长期天气预报在很大程度上受到海洋的影响，通过预测海洋对大气造成的影响（例如引发气候异常的厄尔尼诺现象，即秘鲁一带的海水温度每隔几年变高的现象），有望提高1个月以上天气预报的准确性。

在做长期天气预报时，预报员也发挥着重要作用，他们通常以数值预报为基础资料，同时结合过去大气的变化趋势进行判断和预测。

本文选自《科学世界》2019年第10期

订阅链接

精准预报天气是永恒的话题

正文

请到「今天看啥」查看全文