天气预报是怎么“算”出来的？

随着科技水平的提高，如今天气和气候数值预报的准确度也越来越高，为科学决策提供了重要的气象参考依据。请关注——天气预报是怎么“算”出来的？

今年3月23日是第五十六个世界气象日，气象日的主题是“直面更热、更旱、更涝的未来”。

近些年，随着数值天气预报方法在世界各主要预报中心进入业务化，数值天气预报模式接替预报员进行天气预报的“换代”趋势正逐步显现。而随着卫星遥感等多种观测手段的进步,近10年来气候观测获得的各种大数据,将为提高气象预报准确率提供重要的参考依据。

天气存在韵律和变化节奏

“早在公元前300年左右,国外就出现了包括天气谚语在内的各种与季节天气预报有关的天气传说。人们利用这样的传说,预先安排时间较长久的工作和生活内容。”江苏省气象科学研究所高级工程师杨秋明说，它们中被保留下来的一部分尽管是经验性质的,却也揭示了天气作为一种自然现象存在的某种韵律和变化的节奏和规律。

“现代天气预报始于天气图的诞生,世界上第一张天气图诞生于1820年。基于天气图的分析使天气预报的方法和技巧大大丰富。随着气象观测站点数量的增加,天气图的覆盖面更广。”杨秋明介绍，我国气象观测站数量已达2500多个,这就让绘制出的天气图更接近真实大气的运动。加之卫星遥感技术的应用,可以形成各种不同类型的资料之间的对比、分类、聚类和规律发现,这使得基于天气图的预报准确率逐步提升。

数值天气预报逐渐“取代”预报员预报

1950年,美国人恰尼、冯·诺依曼首次用电子计算机制作以大气动力学为基础的数值天气预报取得成功,从此数值天气预报方法逐步成为天气预报的主要方法。

“从上世纪60年代开始,伴随计算机速度的指数增加,数值天气预报有效预报时效开始以每10年增加1天的速度持续提高,在这个过程中，数值天气预报超过了预报员预报的水准,并在20世纪末逐渐成为各时段气象预报的主要依据。”杨秋明说。

目前欧洲中期数值天气预报中心模式预报处于世界领先地位,预报时效已超过10天,已经接近了天气可预报性之极限。

杨秋明说，如今，我国的数值天气预报模式与世界先进水平差距正在进一步缩小,2015年我国自主研发的GRAPES全球数值预报系统已具备业务化运行能力,已显著改善了模式的计算稳定性、质量守恒性,可提供10天的全球天气形势及降水预报。

10天以上天气预报成为难点

10天以上的天气气候预测是主动减灾的一个关键,对于许多管理部门如农业、电力生产、旅游、交通、水资源、灾害风险降低以及卫生健康等的决策,最终的需求是月时间尺度以内的预报。比如，杨秋明曾主持的延伸期预报建立了扩展复数自回归预测模型，将长江下游地区20—30天低频降水分量的预报时效从原来的20天左右显著延长到30—40天以上，提高了夏半年（每年4月到10月）长江下游地区暴雨强降水的延伸期预报能力。

“但是,由于天气和气候数值预报模式存在各种不确定性,国际上数值模式两周以上的预报误差仍然增长较快。这些不确定性的来源以及大气混沌本质和复杂的各种耦合过程也尚待深入研究。”杨秋明说，需要更多理论上和技术上的新突破,从根本上改进天气气候模式性能,才可能有效地做出较长预报时效的10天以上的延伸期动力预测。

随着卫星遥感等多种观测手段进步,近10年来气候观测获得的各种数据迅速增加,这些科学大数据,反映和表征着复杂的自然现象与关系,从海量数据中提取出部分有效数据,可以获得比过去的抽样分析更全面的与天气气候变化密切联系的低频变化信息。“如果把这些观测资料分解、变换,将其去冗分类、去粗取精,得到关键数据,将这些关键数据视为多样化的动态数据变化过程的一系列数据解,即可反演出可预报性较大的简化数据模型,显著减小计算误差。”杨秋明说。

杨秋明说,人类发展永无止境,信息网络创造数字社会,随着大数据时代的发展,会改变现有天气气候监测和预报思维模式和方法。在气象变化莫测的每一天,为提升天气气候预报能力、时效和精度,从复杂现象中透视本质,不断延伸、开拓天气气候预报新途径和方法。通过融入随机动力核心、数据分析科学和技术发展以及数据新产品应用等科技创新,让预报模式从根本上摆脱可预报性的束缚,实现模式的短期、延伸期和短期气候无缝隙预报预测的能力。