數值天氣預報——

　　氣象萬千 盡收“眼”底（開卷知新）

　　曾慶存 胡 非

　　北京冬奧會日前圓滿落下帷幕。當人們還在回味這屆簡約、安全、精彩的體育盛會時，北京冬殘奧會即將開幕。賽場上，冰雪健兒不斷超越自我；賽場外，各個方面的工作人員辛勤付出，保障賽事順利進行。這其中，就包括精確全面的天氣預報。

　　相比夏季奧運會，冬季奧運會有更多的比賽項目在戶外舉行，所以受天氣影響更大。降雪、氣溫、風向、風速、能見度等氣象要素，與賽程安排、比賽成績特別是運動員的生命安全密切相關。比如比賽期間氣溫以-12°C—2°C為宜，風力不超過2—3級為宜，能見度大于2公里為最佳。不同比賽項目對氣象條件要求也不同，如高山滑雪要求5分鐘平均風速小于10米/秒，而跳臺滑雪則要求瞬時風速小于3米/秒。此外，北京冬奧會是首次在大陸性季風氣候條件下舉辦的冬奧會，特別是山地環境更要面臨“一天變四季”“十里不同天”的復雜情況。在此前歷屆冬奧會中，有19屆曾因為氣象條件不達標而推遲、延期甚至取消相關比賽項目。

　　冬奧會氣象保障，特別是精細化的局地天氣預報極具挑戰性。北京冬奧會做到了“百米級、分鐘級”預報：空間覆蓋冬奧賽區百米網格，每隔10分鐘更新。比如高山滑雪賽道區域橫跨2.5公里，起終點直線距離約2.25公里，海拔落差近1000米，預報員需對這個范圍內的風速、風向、溫度進行非常精準的氣象預報服務。北京冬奧會期間，經歷了晴天、下雪、大風等不同天氣。例如2月6日，原定于11時開始的高山滑雪男子滑降比賽就在天氣預報的引導下多次推遲，延期至7日12時。精準的氣象預報保障了比賽的安全進行。

　　在我國氣象科技人員努力下，冬奧會氣象預報準確可靠，獲得國際奧委會和運動員高度認可。不僅是冬奧會的精細化天氣預報，近些年來我國天氣預報準確率不斷提升，這都離不開數值天氣預報這一技術。

　　數值天氣預報，讓天氣預報定量、客觀、快速

　　數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初始和邊界條件下，通過大型高速計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，以此預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。這一方法將描寫大氣運動的數學物理方程組、計算機等新技術和人類經驗融在一起形成合力，實現“1+1+1＞3”的效果。如今，應用數值天氣預報技術，天氣預報業務可從初始時刻起，預報未來最長達7天的天氣（即中期天氣預報）。

　　過去人們觀天，目見風起云涌、云收雨散，積累一定經驗后，可知道一地某些天氣變化規律，從而進行預測。自古以來，就有“朝霞不出門，晚霞行千里”等諺語。最著名的例子，《三國演義》中諸葛亮巧借東風，其實就利用了長江中下游地區冬季也有可能刮東風的經驗。及至上世紀，人們發明并應用氣象儀器定量測量大氣狀態變量，匯總各地氣象觀測數據繪成天氣圖，掌握天氣的三維空間結構。由此，人們發現了天氣系統，并可以預報天氣系統的移動和強度變化。這是上世紀80年代以前的主要方法，弊端是較為依賴預報員個人經驗和主觀判斷。

　　和經驗氣象預報相比，數值天氣預報有定量、客觀、快速的優勢，是一次巨大飛躍。方程、計算機、數據是其三大要素。正如牛頓用數學模型將物理現象上升為科學理論，數值天氣預報用流體力學的數學物理方程定量預測天氣，比耳目所感、經驗積累更準確、更具規律性。不過，相關方程非常復雜，計算量巨大，需要使用計算機才能快速預測天氣。比如暴雨將至，若是人工計算，可能還沒算出結果雨就停了。所以，各國大多將超級計算機應用于天氣預報，將此作為考核其計算能力的重要指標。數據來源主要是氣象監測系統，除臺站觀測數據外，現今主要是氣象衛星和雷達遙感數據，數值天氣預報要將這些數據匯集在一起作為初始條件。在特定地區還得考慮該地區的邊界條件，尤其是地形、地面情況。比如預報某河流附近天氣，就得考慮地形甚至融入上游數據，在沿海地區還得考慮海洋的影響。如廣東省數值預報中心利用高分辨臺風數值模式和風云衛星實時跟蹤觀測等先進技術，提前5—6天準確預報出2021年第22號超強臺風“雷伊”的“西行—北翹—東折”復雜移動路徑，為災害天氣下的社會安全保障提供有力科學支撐。

　　隨著社會發展，人們對天氣預報的要求越來越高。天氣預報的準確率要提高，氣象要素和天氣預報的空間、時間分辨率和量值的精度要細，即需要定時、定量、定點和高分辨率的天氣預報。如何實現？這就需要以數值天氣預報為基礎，依托通信、物聯網、全球定位系統、大數據、人工智能等新技術，同時利用多種先進探測設備及技術等。其應用前景十分廣闊，除常規氣象保障業務外，還可在水陸交通、航空航天、重大工程、重大活動等領域廣泛應用。

　　氣象預報將更精準更長遠

　　有人會問：“氣象能不能預報得更準？”“能不能預測未來一年甚至幾年的氣象？”科學家們也是懷揣著這樣樸素而遠大的目標，推動氣象預報測得更準、更長遠。未來，數值天氣預報將進一步發展，其中集合預報、地球系統模式是重要發展趨勢。

　　集合預報是在數值預報模式結果基礎上進一步統計操作，是提高天氣預報準確率、克服不確定性的有效手段。俗話說，眾人拾柴火焰高，集合預報就循著這樣的邏輯展開。概言之，集合預報是對不同數值模式的預報結果或同一模式不同時刻起報的結果，進行統計融合和歸一化處理，給出最終預報結果。一方面，各國各地的數值天氣預報結果不同，主要預報項目也不同，比如沿海地區預報臺風準，內陸地區預報沙塵暴準；另一方面，不同時刻的初始場起報，預報的結果也不相同。集合預報將它們綜合起來進行“專家會診”，比單一預報更為準確。如今，集合預報已普遍使用，但還有很大的提升空間。

　　能否讓氣象預報報得更長更遠呢？這涉及兩個概念：天氣和氣候。天氣指的是短時間的大氣現象，如一天之內；而氣候指的是范圍較廣的地區在較長時段（如一個月、一個季度、一年等）的統計平均狀態。氣候預測就是預測下一個季度或半年，甚至更長時間大氣現象的平均狀態，此時就得適當考慮海洋和陸地生態環境的影響。近20年來，已經發展出將大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈五大圈層，以及地面上各種物理、化學、生物過程作為整體考慮的模型，即地球系統模型（準確地說，是地球表層系統模型），進而探索全球范圍更長時段的氣候變化，以及相關的環境生態變化。在地球系統模式下，可以預測一座新規劃的城市未來幾年甚至數十年會有怎樣的氣候變化。

　　地球系統模式的原理與數值天氣預報模式類似，同樣利用超級計算機求解數學物理方程，但要復雜得多。為此，我國正在建設地球系統數值模擬裝置。它是支撐地球系統模式必備的大型設備，由高性能計算機硬件和眾多計算軟件構成。利用這一裝置，我們可以研究地球系統的五大圈層及其相互聯系、相互作用，有望對地球的過去進行反演、對現在進行模擬、對未來進行預測。

　　我國氣象領域工作者們將繼續合作研究、協力攻關，化氣象的未知為已知，用氣象預報和地球環境預報的新技術、新成果助力經濟社會發展。

　　（作者分別為中國科學院院士、中國科學院大氣物理研究所研究員）

　　制圖：趙偲汝

　　推薦讀物：

　　1.《數值天氣預報的數學物理基礎（第一卷）》：曾慶存著；科學出版社出版。

　　2.《觀天測地話衛星》：李慧等編著；氣象出版社出版。