数值天气预报——

　　气象万千 尽收“眼”底（开卷知新）

　　曾庆存 胡 非

　　北京冬奥会日前圆满落下帷幕。当人们还在回味这届简约、安全、精彩的体育盛会时，北京冬残奥会即将开幕。赛场上，冰雪健儿不断超越自我；赛场外，各个方面的工作人员辛勤付出，保障赛事顺利进行。这其中，就包括精确全面的天气预报。

　　相比夏季奥运会，冬季奥运会有更多的比赛项目在户外举行，所以受天气影响更大。降雪、气温、风向、风速、能见度等气象要素，与赛程安排、比赛成绩特别是运动员的生命安全密切相关。比如比赛期间气温以-12°C—2°C为宜，风力不超过2—3级为宜，能见度大于2公里为最佳。不同比赛项目对气象条件要求也不同，如高山滑雪要求5分钟平均风速小于10米/秒，而跳台滑雪则要求瞬时风速小于3米/秒。此外，北京冬奥会是首次在大陆性季风气候条件下举办的冬奥会，特别是山地环境更要面临“一天变四季”“十里不同天”的复杂情况。在此前历届冬奥会中，有19届曾因为气象条件不达标而推迟、延期甚至取消相关比赛项目。

　　冬奥会气象保障，特别是精细化的局地天气预报极具挑战性。北京冬奥会做到了“百米级、分钟级”预报：空间覆盖冬奥赛区百米网格，每隔10分钟更新。比如高山滑雪赛道区域横跨2.5公里，起终点直线距离约2.25公里，海拔落差近1000米，预报员需对这个范围内的风速、风向、温度进行非常精准的气象预报服务。北京冬奥会期间，经历了晴天、下雪、大风等不同天气。例如2月6日，原定于11时开始的高山滑雪男子滑降比赛就在天气预报的引导下多次推迟，延期至7日12时。精准的气象预报保障了比赛的安全进行。

　　在我国气象科技人员努力下，冬奥会气象预报准确可靠，获得国际奥委会和运动员高度认可。不仅是冬奥会的精细化天气预报，近些年来我国天气预报准确率不断提升，这都离不开数值天气预报这一技术。

　　数值天气预报，让天气预报定量、客观、快速

　　数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初始和边界条件下，通过大型高速计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，以此预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。这一方法将描写大气运动的数学物理方程组、计算机等新技术和人类经验融在一起形成合力，实现“1+1+1＞3”的效果。如今，应用数值天气预报技术，天气预报业务可从初始时刻起，预报未来最长达7天的天气（即中期天气预报）。

　　过去人们观天，目见风起云涌、云收雨散，积累一定经验后，可知道一地某些天气变化规律，从而进行预测。自古以来，就有“朝霞不出门，晚霞行千里”等谚语。最著名的例子，《三国演义》中诸葛亮巧借东风，其实就利用了长江中下游地区冬季也有可能刮东风的经验。及至上世纪，人们发明并应用气象仪器定量测量大气状态变量，汇总各地气象观测数据绘成天气图，掌握天气的三维空间结构。由此，人们发现了天气系统，并可以预报天气系统的移动和强度变化。这是上世纪80年代以前的主要方法，弊端是较为依赖预报员个人经验和主观判断。

　　和经验气象预报相比，数值天气预报有定量、客观、快速的优势，是一次巨大飞跃。方程、计算机、数据是其三大要素。正如牛顿用数学模型将物理现象上升为科学理论，数值天气预报用流体力学的数学物理方程定量预测天气，比耳目所感、经验积累更准确、更具规律性。不过，相关方程非常复杂，计算量巨大，需要使用计算机才能快速预测天气。比如暴雨将至，若是人工计算，可能还没算出结果雨就停了。所以，各国大多将超级计算机应用于天气预报，将此作为考核其计算能力的重要指标。数据来源主要是气象监测系统，除台站观测数据外，现今主要是气象卫星和雷达遥感数据，数值天气预报要将这些数据汇集在一起作为初始条件。在特定地区还得考虑该地区的边界条件，尤其是地形、地面情况。比如预报某河流附近天气，就得考虑地形甚至融入上游数据，在沿海地区还得考虑海洋的影响。如广东省数值预报中心利用高分辨台风数值模式和风云卫星实时跟踪观测等先进技术，提前5—6天准确预报出2021年第22号超强台风“雷伊”的“西行—北翘—东折”复杂移动路径，为灾害天气下的社会安全保障提供有力科学支撑。

　　随着社会发展，人们对天气预报的要求越来越高。天气预报的准确率要提高，气象要素和天气预报的空间、时间分辨率和量值的精度要细，即需要定时、定量、定点和高分辨率的天气预报。如何实现？这就需要以数值天气预报为基础，依托通信、物联网、全球定位系统、大数据、人工智能等新技术，同时利用多种先进探测设备及技术等。其应用前景十分广阔，除常规气象保障业务外，还可在水陆交通、航空航天、重大工程、重大活动等领域广泛应用。

　　气象预报将更精准更长远

　　有人会问：“气象能不能预报得更准？”“能不能预测未来一年甚至几年的气象？”科学家们也是怀揣着这样朴素而远大的目标，推动气象预报测得更准、更长远。未来，数值天气预报将进一步发展，其中集合预报、地球系统模式是重要发展趋势。

　　集合预报是在数值预报模式结果基础上进一步统计操作，是提高天气预报准确率、克服不确定性的有效手段。俗话说，众人拾柴火焰高，集合预报就循着这样的逻辑展开。概言之，集合预报是对不同数值模式的预报结果或同一模式不同时刻起报的结果，进行统计融合和归一化处理，给出最终预报结果。一方面，各国各地的数值天气预报结果不同，主要预报项目也不同，比如沿海地区预报台风准，内陆地区预报沙尘暴准；另一方面，不同时刻的初始场起报，预报的结果也不相同。集合预报将它们综合起来进行“专家会诊”，比单一预报更为准确。如今，集合预报已普遍使用，但还有很大的提升空间。

　　能否让气象预报报得更长更远呢？这涉及两个概念：天气和气候。天气指的是短时间的大气现象，如一天之内；而气候指的是范围较广的地区在较长时段（如一个月、一个季度、一年等）的统计平均状态。气候预测就是预测下一个季度或半年，甚至更长时间大气现象的平均状态，此时就得适当考虑海洋和陆地生态环境的影响。近20年来，已经发展出将大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五大圈层，以及地面上各种物理、化学、生物过程作为整体考虑的模型，即地球系统模型（准确地说，是地球表层系统模型），进而探索全球范围更长时段的气候变化，以及相关的环境生态变化。在地球系统模式下，可以预测一座新规划的城市未来几年甚至数十年会有怎样的气候变化。

　　地球系统模式的原理与数值天气预报模式类似，同样利用超级计算机求解数学物理方程，但要复杂得多。为此，我国正在建设地球系统数值模拟装置。它是支撑地球系统模式必备的大型设备，由高性能计算机硬件和众多计算软件构成。利用这一装置，我们可以研究地球系统的五大圈层及其相互联系、相互作用，有望对地球的过去进行反演、对现在进行模拟、对未来进行预测。

　　我国气象领域工作者们将继续合作研究、协力攻关，化气象的未知为已知，用气象预报和地球环境预报的新技术、新成果助力经济社会发展。

　　（作者分别为中国科学院院士、中国科学院大气物理研究所研究员）

　　制图：赵偲汝

　　推荐读物：

　　1.《数值天气预报的数学物理基础（第一卷）》：曾庆存著；科学出版社出版。

　　2.《观天测地话卫星》：李慧等编著；气象出版社出版。