數(shù)值天氣預(yù)報(bào)——

　　氣象萬千 盡收“眼”底（開卷知新）

　　曾慶存 胡 非

　　北京冬奧會(huì)日前圓滿落下帷幕。當(dāng)人們還在回味這屆簡約、安全、精彩的體育盛會(huì)時(shí)，北京冬殘奧會(huì)即將開幕。賽場上，冰雪健兒不斷超越自我；賽場外，各個(gè)方面的工作人員辛勤付出，保障賽事順利進(jìn)行。這其中，就包括精確全面的天氣預(yù)報(bào)。

　　相比夏季奧運(yùn)會(huì)，冬季奧運(yùn)會(huì)有更多的比賽項(xiàng)目在戶外舉行，所以受天氣影響更大。降雪、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度等氣象要素，與賽程安排、比賽成績特別是運(yùn)動(dòng)員的生命安全密切相關(guān)。比如比賽期間氣溫以-12°C—2°C為宜，風(fēng)力不超過2—3級(jí)為宜，能見度大于2公里為最佳。不同比賽項(xiàng)目對(duì)氣象條件要求也不同，如高山滑雪要求5分鐘平均風(fēng)速小于10米/秒，而跳臺(tái)滑雪則要求瞬時(shí)風(fēng)速小于3米/秒。此外，北京冬奧會(huì)是首次在大陸性季風(fēng)氣候條件下舉辦的冬奧會(huì)，特別是山地環(huán)境更要面臨“一天變四季”“十里不同天”的復(fù)雜情況。在此前歷屆冬奧會(huì)中，有19屆曾因?yàn)闅庀髼l件不達(dá)標(biāo)而推遲、延期甚至取消相關(guān)比賽項(xiàng)目。

　　冬奧會(huì)氣象保障，特別是精細(xì)化的局地天氣預(yù)報(bào)極具挑戰(zhàn)性。北京冬奧會(huì)做到了“百米級(jí)、分鐘級(jí)”預(yù)報(bào)：空間覆蓋冬奧賽區(qū)百米網(wǎng)格，每隔10分鐘更新。比如高山滑雪賽道區(qū)域橫跨2.5公里，起終點(diǎn)直線距離約2.25公里，海拔落差近1000米，預(yù)報(bào)員需對(duì)這個(gè)范圍內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度進(jìn)行非常精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)服務(wù)。北京冬奧會(huì)期間，經(jīng)歷了晴天、下雪、大風(fēng)等不同天氣。例如2月6日，原定于11時(shí)開始的高山滑雪男子滑降比賽就在天氣預(yù)報(bào)的引導(dǎo)下多次推遲，延期至7日12時(shí)。精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)保障了比賽的安全進(jìn)行。

　　在我國氣象科技人員努力下，冬奧會(huì)氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確可靠，獲得國際奧委會(huì)和運(yùn)動(dòng)員高度認(rèn)可。不僅是冬奧會(huì)的精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)，近些年來我國天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不斷提升，這都離不開數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這一技術(shù)。

　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，讓天氣預(yù)報(bào)定量、客觀、快速

　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定的初始和邊界條件下，通過大型高速計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組，以此預(yù)測未來一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。這一方法將描寫大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程組、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)和人類經(jīng)驗(yàn)融在一起形成合力，實(shí)現(xiàn)“1+1+1＞3”的效果。如今，應(yīng)用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)可從初始時(shí)刻起，預(yù)報(bào)未來最長達(dá)7天的天氣（即中期天氣預(yù)報(bào)）。

　　過去人們觀天，目見風(fēng)起云涌、云收雨散，積累一定經(jīng)驗(yàn)后，可知道一地某些天氣變化規(guī)律，從而進(jìn)行預(yù)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(fēng)，其實(shí)就利用了長江中下游地區(qū)冬季也有可能刮東風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)。及至上世紀(jì)，人們發(fā)明并應(yīng)用氣象儀器定量測量大氣狀態(tài)變量，匯總各地氣象觀測數(shù)據(jù)繪成天氣圖，掌握天氣的三維空間結(jié)構(gòu)。由此，人們發(fā)現(xiàn)了天氣系統(tǒng)，并可以預(yù)報(bào)天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和強(qiáng)度變化。這是上世紀(jì)80年代以前的主要方法，弊端是較為依賴預(yù)報(bào)員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷。

　　和經(jīng)驗(yàn)氣象預(yù)報(bào)相比，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有定量、客觀、快速的優(yōu)勢，是一次巨大飛躍。方程、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)是其三大要素。正如牛頓用數(shù)學(xué)模型將物理現(xiàn)象上升為科學(xué)理論，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)用流體力學(xué)的數(shù)學(xué)物理方程定量預(yù)測天氣，比耳目所感、經(jīng)驗(yàn)積累更準(zhǔn)確、更具規(guī)律性。不過，相關(guān)方程非常復(fù)雜，計(jì)算量巨大，需要使用計(jì)算機(jī)才能快速預(yù)測天氣。比如暴雨將至，若是人工計(jì)算，可能還沒算出結(jié)果雨就停了。所以，各國大多將超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)，將此作為考核其計(jì)算能力的重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)來源主要是氣象監(jiān)測系統(tǒng)，除臺(tái)站觀測數(shù)據(jù)外，現(xiàn)今主要是氣象衛(wèi)星和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要將這些數(shù)據(jù)匯集在一起作為初始條件。在特定地區(qū)還得考慮該地區(qū)的邊界條件，尤其是地形、地面情況。比如預(yù)報(bào)某河流附近天氣，就得考慮地形甚至融入上游數(shù)據(jù)，在沿海地區(qū)還得考慮海洋的影響。如廣東省數(shù)值預(yù)報(bào)中心利用高分辨臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式和風(fēng)云衛(wèi)星實(shí)時(shí)跟蹤觀測等先進(jìn)技術(shù)，提前5—6天準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出2021年第22號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“雷伊”的“西行—北翹—東折”復(fù)雜移動(dòng)路徑，為災(zāi)害天氣下的社會(huì)安全保障提供有力科學(xué)支撐。

　　隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)天氣預(yù)報(bào)的要求越來越高。天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率要提高，氣象要素和天氣預(yù)報(bào)的空間、時(shí)間分辨率和量值的精度要細(xì)，即需要定時(shí)、定量、定點(diǎn)和高分辨率的天氣預(yù)報(bào)。如何實(shí)現(xiàn)？這就需要以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，依托通信、物聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，同時(shí)利用多種先進(jìn)探測設(shè)備及技術(shù)等。其應(yīng)用前景十分廣闊，除常規(guī)氣象保障業(yè)務(wù)外，還可在水陸交通、航空航天、重大工程、重大活動(dòng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　氣象預(yù)報(bào)將更精準(zhǔn)更長遠(yuǎn)

　　有人會(huì)問：“氣象能不能預(yù)報(bào)得更準(zhǔn)？”“能不能預(yù)測未來一年甚至幾年的氣象？”科學(xué)家們也是懷揣著這樣樸素而遠(yuǎn)大的目標(biāo)，推動(dòng)氣象預(yù)報(bào)測得更準(zhǔn)、更長遠(yuǎn)。未來，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)將進(jìn)一步發(fā)展，其中集合預(yù)報(bào)、地球系統(tǒng)模式是重要發(fā)展趨勢。

　　集合預(yù)報(bào)是在數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)操作，是提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)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(yù)報(bào)就循著這樣的邏輯展開。概言之，集合預(yù)報(bào)是對(duì)不同數(shù)值模式的預(yù)報(bào)結(jié)果或同一模式不同時(shí)刻起報(bào)的結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)融合和歸一化處理，給出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。一方面，各國各地的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果不同，主要預(yù)報(bào)項(xiàng)目也不同，比如沿海地區(qū)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)準(zhǔn)，內(nèi)陸地區(qū)預(yù)報(bào)沙塵暴準(zhǔn)；另一方面，不同時(shí)刻的初始場起報(bào)，預(yù)報(bào)的結(jié)果也不相同。集合預(yù)報(bào)將它們綜合起來進(jìn)行“專家會(huì)診”，比單一預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。如今，集合預(yù)報(bào)已普遍使用，但還有很大的提升空間。

　　能否讓氣象預(yù)報(bào)報(bào)得更長更遠(yuǎn)呢？這涉及兩個(gè)概念：天氣和氣候。天氣指的是短時(shí)間的大氣現(xiàn)象，如一天之內(nèi)；而氣候指的是范圍較廣的地區(qū)在較長時(shí)段（如一個(gè)月、一個(gè)季度、一年等）的統(tǒng)計(jì)平均狀態(tài)。氣候預(yù)測就是預(yù)測下一個(gè)季度或半年，甚至更長時(shí)間大氣現(xiàn)象的平均狀態(tài)，此時(shí)就得適當(dāng)考慮海洋和陸地生態(tài)環(huán)境的影響。近20年來，已經(jīng)發(fā)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(xué)、生物過程作為整體考慮的模型，即地球系統(tǒng)模型（準(zhǔn)確地說，是地球表層系統(tǒng)模型），進(jìn)而探索全球范圍更長時(shí)段的氣候變化，以及相關(guān)的環(huán)境生態(tài)變化。在地球系統(tǒng)模式下，可以預(yù)測一座新規(guī)劃的城市未來幾年甚至數(shù)十年會(huì)有怎樣的氣候變化。

　　地球系統(tǒng)模式的原理與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式類似，同樣利用超級(jí)計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)物理方程，但要復(fù)雜得多。為此，我國正在建設(shè)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。它是支撐地球系統(tǒng)模式必備的大型設(shè)備，由高性能計(jì)算機(jī)硬件和眾多計(jì)算軟件構(gòu)成。利用這一裝置，我們可以研究地球系統(tǒng)的五大圈層及其相互聯(lián)系、相互作用，有望對(duì)地球的過去進(jìn)行反演、對(duì)現(xiàn)在進(jìn)行模擬、對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測。

　　我國氣象領(lǐng)域工作者們將繼續(xù)合作研究、協(xié)力攻關(guān)，化氣象的未知為已知，用氣象預(yù)報(bào)和地球環(huán)境預(yù)報(bào)的新技術(shù)、新成果助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

　　（作者分別為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員）

　　制圖：趙偲汝

　　推薦讀物：

　　1.《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)（第一卷）》：曾慶存著；科學(xué)出版社出版。

　　2.《觀天測地話衛(wèi)星》：李慧等編著；氣象出版社出版。