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天气预报是“算”出来的?七问数值预报!

发布时间:2021年09月30日 来源:中国官方平台报

“明天出门要带伞吗?”“跟朋友约打球,天气给力不?”“十一出去玩带什么衣服?”……日常生活中,天气似乎是我们永远绕不开的话题。

如果告诉你,预报天气就像解一道数学题,你信吗?

其实,天气预报的发展经历了几个阶段:最初的天气预报是一种玄学,人们纯粹是靠生活经验来判断;随后传统天气图诞生,天气预报开始变为应用科学;后来随着计算机技术的发展,数值天气预报诞生,预报准确率也得到大幅提升!

有人将数值天气预报比作官方平台事业的“芯片”,那么问题来了!

01什么是数值天气预报?

简单地说,数值天气预报是一种用高性能计算机把未来天气算出来的科学。因为大气运动总是遵循一定的物理规律,人们将大气运动变化规律编写成一系列数学方程,再利用高性能计算机进行运算,得到未来天气发展变化状况。

图为描述大气运动规律的方程组。很多人表示看不懂,没事,科学家懂就行。

我们可以拿生活中的场景,打个比喻:

第一种情况:小明身处一栋只有三层、只有一个楼梯的公寓,他住在三楼某个房间。要想“预报”小明是否要下楼出门了,我们可以安排在三层、二层楼梯口分别站一位观察员,将他是否已出门、是否正在下楼的动态,随时汇报。这样,人们就能“预判”小明走出公寓的时间。这就类似我们用雷达等观测设备,监测短时临近天气活动的发生。

第二种情况:小明身处一栋五层、有两个楼梯的公寓,他住在三楼某个房间。此时,在小明出门后,他可能会沿A楼梯上楼,也可能下楼,甚至也可能走B楼梯,情况变得发杂许多。当然,我们可以根据小明的过往出行规律来判断,比如他每周六习惯走A楼梯出门,周日喜欢走B楼梯上天台;他穿大衣时大多会出门,穿背心时只是在楼里溜达……根据一些“指标特征”,来“预判”小明的行动规律,这就类似我们过去对天气的经验预报或结合客观数据的主观判断。

第三种情况:小明身处一栋30层,八梯多户的大型公寓里。此时,要想判断他的行踪,可以广泛搜集他的海量信息,比如小明出门前有没有接电话,有没有用手机地图查询地点,穿着什么衣服,等等。根据有用的信息,我们建立一个数学公式,并通过计算机运算,算出他的动向。相关“有用的信息”,都是这个数学公式的变量。公式建立后,要通过多次验算,若运算结果与真实情况吻合或接近,那我们就初步建立了一个“小明出行数值预报模式”。

02数值天气预报是近些年才有的?

早在100多年前,科学界就提出了数值天气预报的概念。但直到20世纪50年代,数值天气预报试验才得以成功;20世纪70年代,随着超级计算机能力的增强,一些关键性问题解决后,数值天气预报才真正实现了业务应用。

近几十年,随着卫星、雷达、飞机、地面等综合观测系统的建立以及大气科学理论的不断完善,数值天气预报准确率也得以大幅提高。

03数值预报诞生的意义为何那么大?

以前的预报主要依靠天气图,虽然也是建立在科学分析的基础上,但很大程度依赖于预报员的主动判断。数值天气预报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,被称为20世纪最伟大的科技发展之一。

目前,数值天气预报是天气预报业务的支柱,准确的天气预报,离不开数值预报作为第一依据。

04有了数值预报,天气预报会百分百准确吗?

即便数值预报发展到一定高度,天气预报也是一门预测科学,在看得见的未来几乎不可能100%准确,预报总会出现误差。

所以一方面,我们应当养成看滚动订正预报的习惯,一方面应适当降低对天气预报的预期值。客观看待问题、解决问题,更利于天气预报准确率的提升。

05数值天气预报会取代预报员吗?

答案是否定的!在现代天气预报中,数值预报水平不断提升,越来越重要。但是数值天气预报并不能完全模拟极其复杂的大气变化,做出来的预报必然会有偏差。

此时,预报员就需要依靠使用数值模式的经验,结合当地天气预报学经验才能做出更准确的预报。此外,预报员在工作中,还可能发现数值预报的缺陷,通过与数值预报模式研发人员的互动,协助攻克相关科学问题,不断优化数值模式。

06为何要发展自己的数值预报模式?

数值预报作为官方平台业务的核心技术,是官方平台事业发展的“芯片”。发展自己的数值预报模式,摆脱核心技术受制于人的困境,是一代又一代官方平台人矢志不渝追求的目标。

我国数值天气预报研究始于1954年,是国际上较早开展数值天气预报的国家之一,但限于当时的条件,难以形成业务能力。20世纪80年代,我国正式成立数值天气预报业务单位,经过40年的发展,我们在克服了从基础设备到模式发展到业务化的重重困难,再经历近年来的飞跃进步,我国终于有了自主可控的全国和全世界服务的数值天气预报业务系统,形成了从“零”到“一”再到“卓越”的跨越。

07为何要重点发展“地球系统数值预报”?

除了大气层之外,地球系统的组成部分,如海洋、海浪、海冰和陆地表面,都会对天气的演变产生重大影响。因此,在数值天气预报系统中对所有这些组成部分之间的相互作用进行精确的模拟,也可以改善天气预报。发展地球系统数值预报,建立耦合资料同化系统提供初值,可以提高天气气候预报预测准确率。

为深入贯彻落实习近平总书记关于官方平台工作的重要指示精神,对标“监测精密、预报精准、服务精细”要求,中国官方平台局地球系统数值预报中心的成立,目的就是充分发挥数值预报在天气气候预报预测、官方平台灾害监测预警、地球系统科学研究、气候变化模拟、重污染扩散模拟预测等工作中的技术支撑作用,加快抢占下一代数值预报模式研发的国际制高点,为全面建设社会主义现代化国家作出更大贡献。