天氣預(yù)報(bào)的前世今生

岳盈

摘要：本文從古代天氣預(yù)報(bào)情況談起，簡(jiǎn)述了現(xiàn)代主要使用的三種天氣預(yù)報(bào)方法：天氣學(xué)預(yù)報(bào)方法、動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)報(bào)方法，以及基于它們的模式輸出統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法。最后分析了精確預(yù)報(bào)天氣的不可能性。

關(guān)鍵詞：天氣預(yù)報(bào)；數(shù)值預(yù)報(bào)；MOS法；可預(yù)報(bào)性

古往今來，天氣對(duì)人類活動(dòng)有著重要的影響。小到影響人們的穿戴，農(nóng)民的收成，大到影響導(dǎo)彈、航天飛機(jī)的發(fā)射。于是，天氣預(yù)報(bào)從古至今都是一項(xiàng)不可或缺的工作。

據(jù)史書記載，我國在南宋時(shí)期就有天象管理機(jī)構(gòu)“太史局”，它通過觀測(cè)風(fēng)、云、雷、露、霜等氣象現(xiàn)象進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)。[1]在科技并不發(fā)達(dá)的古代，人們主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，于是流傳下來很多諺語，其中好些精華在今天仍被使用，比如"天上鉤鉤云，地下雨淋淋"，"朝霞不出門，晚霞行千里"等。這些經(jīng)驗(yàn)大都可以用今天簡(jiǎn)單的氣象學(xué)知識(shí)來解釋，但我們?nèi)钥梢詮闹锌闯鱿让竦闹腔邸?/p>

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我們已經(jīng)不需要靠經(jīng)驗(yàn)來預(yù)報(bào)天氣了?，F(xiàn)在被普遍使用的天氣預(yù)報(bào)方法主要有三種。

第一種是天氣學(xué)預(yù)報(bào)方法，它以天氣圖為主要工具，用天氣學(xué)的原理來分析，主要用于短期預(yù)報(bào)。雖然它現(xiàn)在已經(jīng)屬于一種比較古老的方法，但它的發(fā)現(xiàn)是天氣預(yù)報(bào)史上的第一次躍進(jìn)，包含了許多重要的理論，其中就有著名“羅斯貝波”。它在高空天氣圖上就是那些“槽來脊去”的環(huán)流演變。預(yù)報(bào)員依此可以定性預(yù)報(bào)天氣的變化。[2]

報(bào)方法。它利用大型計(jì)算機(jī)求解大氣動(dòng)力學(xué)方程組來預(yù)報(bào)天氣，這種方法最大優(yōu)點(diǎn)是客觀化和定量化。預(yù)報(bào)所用的大氣動(dòng)力學(xué)方程組，是由連續(xù)方程、熱力學(xué)方程、水汽方程、狀態(tài)方程和3個(gè)運(yùn)動(dòng)方程（見大氣動(dòng)力方程）所構(gòu)成的方程組。方程組中，含有7個(gè)預(yù)報(bào)量（速度沿x，y，z三個(gè)方向的分量u，v，w和溫度T，氣壓p，空氣密度ρ以及比濕q）和7個(gè)預(yù)報(bào)方程。[3]但是計(jì)算機(jī)容量和速度有限，于是需要對(duì)預(yù)報(bào)方程組適當(dāng)簡(jiǎn)化，然而大氣運(yùn)動(dòng)卻異常復(fù)雜，簡(jiǎn)化方程組的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況往往有一些差距，不會(huì)預(yù)報(bào)的十分精確。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，全世界已有30多個(gè)國家和地區(qū)把數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為制作日常天氣預(yù)報(bào)的主要方法，其中不少國家和地區(qū)除制作1～2天的短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)外，還制作一個(gè)星期左右的中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

第三種是統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)報(bào)方法。這種方法通過對(duì)歷史天氣資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立天氣變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來預(yù)報(bào)天氣。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)以概率論為理論基礎(chǔ)，認(rèn)為天氣變化是一種隨機(jī)過程。因而統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的結(jié)論是出現(xiàn)某種天氣的可能性或概率，這屬于非確定性預(yù)報(bào)，與數(shù)值預(yù)報(bào)法有本質(zhì)區(qū)別。[4]

近年來，把統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法與數(shù)值預(yù)報(bào)法相結(jié)合做出天氣預(yù)報(bào)，取得了較好效果。這種方法稱為模式輸出統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，簡(jiǎn)稱MOS法。建立MOS預(yù)報(bào)主要步驟有：（1）建立歷史資料庫，包括預(yù)報(bào)量和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品兩部分。（2）用數(shù)值預(yù)報(bào)資料等計(jì)算預(yù)報(bào)因子。（3）將預(yù)報(bào)因子與預(yù)報(bào)量進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，挑選出相關(guān)度高的因子。（4）將初選過的預(yù)報(bào)因子與預(yù)報(bào)量進(jìn)行逐步回歸，建立預(yù)報(bào)方程。（5）用歷史資料進(jìn)行回代檢驗(yàn)。[5]各個(gè)地區(qū)都有自己做的模式，比如EC（歐洲中心）、NCEP（美國）、日本、德國，當(dāng)然還有我國綜合各種模式創(chuàng)新開發(fā)出的自己的模式。

正當(dāng)高速計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，模式分析越來越完善，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率也越來越高時(shí)，另一個(gè)問題也悄悄顯露出來，人類能否完全精確地預(yù)報(bào)天氣呢？對(duì)這一個(gè)問題，Lorenz用“混沌動(dòng)力學(xué)”給出了否定的答案。大氣系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對(duì)各種誤差極其敏感，其中的混沌現(xiàn)象直接限制了天氣的可預(yù)報(bào)性。

雖然精確預(yù)報(bào)天氣是無法實(shí)現(xiàn)的，但是人們追求越來越精確天氣預(yù)報(bào)的夢(mèng)想?yún)s不會(huì)停止。天氣預(yù)報(bào)經(jīng)過漫長(zhǎng)的發(fā)展，從口耳相傳的經(jīng)驗(yàn)、天氣圖，到數(shù)值預(yù)報(bào)、模式預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)的精度逐步提高，為人類的生產(chǎn)生活提供了重要的指導(dǎo)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在許許多多科研工作者不斷地努力下，相信未來的天氣預(yù)報(bào)會(huì)更加準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)的方式也會(huì)更加先進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]氣象知識(shí)，2016（3）.

[2]杜鈞，錢維宏.天氣預(yù)報(bào)的三次躍進(jìn)[J].氣象科技進(jìn)展，2014，4（06）：13-26.

[3]段晚鎖，丁瑞強(qiáng)，周菲凡.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)可預(yù)報(bào)性研究的若干動(dòng)力學(xué)方法[J].氣候與環(huán)境研究，2013，18（04）：524-538.

[4]劉成，孫雪雷.天氣預(yù)報(bào)方法的發(fā)展[J].科技傳播，2012（12）：80-81.

[5]葉燕華，王平魯，孫蘭東.用MOS法建立預(yù)報(bào)方程的試驗(yàn)流程[J].甘肅氣象，2002（01）：13-15.