“精準(zhǔn)”預(yù)報的追求與誤區(qū)

許小峰

回顧了通過數(shù)學(xué)物理方法使天氣預(yù)報實現(xiàn)了客觀、定量后又被證明無法實現(xiàn)確定性的認(rèn)識過程。龐加萊、洛倫茲等人的探索，最終創(chuàng)建了混沌理論，對初值的敏感性和沒有周期解使得對大氣這一復(fù)雜混沌系統(tǒng)長期預(yù)報無法實現(xiàn)，也得不到精準(zhǔn)結(jié)果。集合數(shù)值預(yù)報有助于提高預(yù)報準(zhǔn)確率，并提供了天氣系統(tǒng)可預(yù)報性等更多信息。不能涵蓋不確定性信息的預(yù)報是不完整的，提供反映客觀真實的概率預(yù)報需要與用戶充分溝通，才能達到預(yù)期效果。

21世紀(jì)初，隨著數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)在日常天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中占據(jù)了主導(dǎo)地位后，為用戶提供“定時、定量、定點”的中短期預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品的目標(biāo)初步得以實現(xiàn)。盡管在時空分辨率和準(zhǔn)確率提升上仍需逐步推進和完善，但這種清晰、完整、客觀的預(yù)報產(chǎn)品提供方式基本確定，是一個跨越式的進步。隨著數(shù)值產(chǎn)品實現(xiàn)進程的不斷推進，對精準(zhǔn)問題的要求不斷提升已成為氣象業(yè)務(wù)及相關(guān)工作中通常追求的目標(biāo)。從用戶角度，提出精準(zhǔn)預(yù)報產(chǎn)品的需求應(yīng)屬自然，合乎情理，但從專業(yè)角度，如何界定“精準(zhǔn)”的內(nèi)涵則與預(yù)報本身一樣，是個十分復(fù)雜的問題?！拔覀冏霾坏桨俜种俚臏?zhǔn)確，但會盡百分之百的努力?！睂τ谔鞖忸A(yù)報員而言，這是一句很勵志的話，或許其中也表達出了難以回避的無奈，即天氣預(yù)報實際上是無法做到精準(zhǔn)的，預(yù)報員只能提供不很準(zhǔn)確的預(yù)報，至少依據(jù)人們對“精準(zhǔn)”的通常認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)是如此。這樣表達和理解或許有些不夠積極，但與實際情況相符，應(yīng)坦誠面對，否則，任何過度的苛求反而會使本已不錯的預(yù)報結(jié)論因預(yù)期過高而得不到符合實際的評價。

1 引言

1904 年，挪威氣象學(xué)家皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）發(fā)表著名論文《從力學(xué)和物理學(xué)的角度考慮天氣預(yù)報問題》，最早提出了應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方程處理大氣數(shù)據(jù)信息、開展數(shù)值天氣預(yù)報的構(gòu)想[1]。1950年美國氣象學(xué)家查尼（Charney）首次成功地計算出第一個與實際過程演變相符的數(shù)值預(yù)報結(jié)果[2]，開啟了天氣預(yù)報向客觀化、數(shù)字化、自動化轉(zhuǎn)型的時代，被稱為是一場“寂靜的革命”，延續(xù)至今，已從大氣圈層拓展到整個地球系統(tǒng)，各種理論與技術(shù)方法的探索仍方興未艾。無論是對大氣活動的理論研究還是實際預(yù)報業(yè)務(wù)，數(shù)值模式計算結(jié)果都發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。但伴隨而來的問題是依賴確定性物理規(guī)律的數(shù)值計算能否徹底解決天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和時效性問題呢？答案并不那么樂觀。幾乎所有開展全球數(shù)值預(yù)報模式的機構(gòu)都會檢驗?zāi)Ｊ匠跏紙稣`差伴隨時間的演變，無一例外地發(fā)現(xiàn)初始誤差會迅速擴大，表現(xiàn)出對初值的敏感性[3]。換句話說，盡管數(shù)值模式可以做出較好的短期預(yù)報，但并不意味著這代表了大氣的真實行為，問題是這種可以接受的準(zhǔn)確性在時間上可以持續(xù)多久。長期位于數(shù)值天氣預(yù)報國際領(lǐng)先地位的歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）從成立時就將預(yù)報時效定位中期，即10天以內(nèi)的預(yù)報。20世紀(jì)60年代初，全球大氣研究計劃的組織者之一查尼將原計劃“制作兩周預(yù)報”的目標(biāo)改為了“確定兩周預(yù)報是否可行”。這些都表明在氣象學(xué)家試圖通過物理方程計算方法預(yù)測大氣的長期行為時遇到了難以逾越的障礙。著名美國氣象學(xué)家、混沌理論的奠基人洛倫茲在談到“為什么我們不能準(zhǔn)確地做出天氣預(yù)報呢？”這一問題時說，我倒一直想要反問：“為什么我們一定能做出準(zhǔn)確的天氣預(yù)報呢？[3]”

將天氣預(yù)報做得盡可能準(zhǔn)確一些，使之與實況更為接近，是氣象科技人員努力的方向和期望的結(jié)果，但也應(yīng)理性認(rèn)識到，面對大氣運動這樣復(fù)雜系統(tǒng)的變化，難以用確定性的方式給出準(zhǔn)確答案。對于天氣預(yù)報的使用者而言，也不應(yīng)報有過高的預(yù)期，如果得不到精準(zhǔn)的預(yù)報，就認(rèn)為這不是所需結(jié)果，或抱怨預(yù)報員做得不夠好，這反而會影響到對預(yù)報產(chǎn)品的客觀認(rèn)識與合理使用，切不可認(rèn)為不夠準(zhǔn)確的預(yù)報就是無用的信息。

影響預(yù)報準(zhǔn)確率的因素很多，從產(chǎn)生偏差角度大致可歸結(jié)為如下幾個來源：一是來自初始信息的準(zhǔn)確性和覆蓋度，無法做到精準(zhǔn)測量和全覆蓋，即初值問題；二是來自對天氣系統(tǒng)演變規(guī)律掌握的不確定性，即認(rèn)知偏差；三是數(shù)值模式積分過程中不斷累積的誤差，可統(tǒng)稱為截斷誤差；四是大氣不斷受到難以確定的外力作用，大氣不是孤立存在的，其運動的基本能源來自太陽輻射，輻射強度也會在不同時空尺度上表現(xiàn)出隨機變化，還要考慮地球系統(tǒng)各圈層間的影響，即相互作用，這一因素可以造成隨機性或系統(tǒng)性偏差，既增加了不確定性，也可以通過強信號提升大氣系統(tǒng)長期行為的可預(yù)測性；五是大氣系統(tǒng)本身存在的隨機運動，如云物理過程和湍流變化，會表現(xiàn)出類似布朗運動的隨機性特征。無論是預(yù)報員的主觀分析過程，還是數(shù)值天氣預(yù)報模式計算，都會遇到這些方面的問題，可以設(shè)法減少，但無法從根本上消除，從而也注定完全準(zhǔn)確的天氣預(yù)報是無法獲得的。正確認(rèn)識天氣預(yù)報結(jié)果的不確定性本身也是一個科學(xué)認(rèn)知問題，只有理解了無法消除預(yù)報結(jié)果與真值的偏差，才有可能采取合理的方式給出預(yù)報準(zhǔn)確率的預(yù)期。

2 “混沌”的困擾

大氣初始場的偏差難以避免，但若初始偏差在處理過程中能保持穩(wěn)定，對大氣系統(tǒng)的預(yù)測也可能得到相對穩(wěn)定或確定的結(jié)果，遺憾的是在大氣這一非線性復(fù)雜系統(tǒng)演變過程中做不到這一點，偏差會被快速放大，導(dǎo)致失之毫厘，謬之千里，初始有效信息最終會全部消失，這正是混沌理論（Chaos Theory）所揭示的結(jié)果[3]。

混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)最早源于法國數(shù)學(xué)家龐加萊（H.Poincare，1854—1912年）1890年發(fā)表的一篇著名論文《關(guān)于三體問題的動態(tài)方程》（Sur le probleme des trois corps et les equations de la dynamique）[4]，討論的是至今仍在困擾人類的三體問題（Three-body Problem），希望揭示三個星體在萬有引力作用下各自變化的運行軌跡。單個星體不受外力作用，表現(xiàn)為靜止或勻速直線運動，兩個星體則會在萬有引力作用下，呈現(xiàn)圓錐曲線運動，包括橢圓、拋物線或雙曲線，可以求得其軌道的完整表達式或嚴(yán)格解析解。而當(dāng)出現(xiàn)了三個或三個以上星體時，問題就變得異常復(fù)雜了，由于系統(tǒng)自由度過高，無法給出物體運行軌道的完整表達式，更無法給出嚴(yán)格解析解，以至于推出了統(tǒng)治天體運動萬有引力定律的天才科學(xué)家牛頓對處理這一問題也表示了無奈，認(rèn)為“如果我沒有弄錯的話，三體問題的精確解超越了任何人類智力的極限”[5]。

龐加萊對問題做了盡可能的簡化和限定，降低了系統(tǒng)的自由度，但即使簡化成了三個微分方程，保留三個變量，也仍然無法在給定初始條件下，預(yù)測當(dāng)時間趨于無窮時系統(tǒng)變化的穩(wěn)定狀態(tài)，且軌跡的變化對初始條件極為敏感，微小的差異會導(dǎo)致最終結(jié)果的巨大偏離。在龐加萊的腦海里呈現(xiàn)出了這類系統(tǒng)變化的復(fù)雜特征，但由于當(dāng)時缺乏足夠的計算條件，無法將其完整地描繪出來。當(dāng)他依靠超凡的計算能力試圖在紙上繪出受兩個天體影響的一個小塵埃的運動軌跡（圖1）時，發(fā)出了如此感慨：“這難以畫出的圖形的復(fù)雜性令我震驚！[6]”從這一研究成果中已可以看到在確定性的非線性系統(tǒng)中發(fā)生了復(fù)雜的隨機運動。盡管龐加萊未能解決三體問題，由于他在這一領(lǐng)域取得的重要進展，經(jīng)評選，那篇重要文章仍獲得了瑞典的奧斯卡國王獎，龐加萊隨后用了近10年的時間將這篇論文擴展為專著《天體力學(xué)的新方法》（Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste）。

圖1 龐加萊繪制的受兩個大天體影響的小塵埃運行軌跡

如果說龐加萊已撬動了混沌之門，并通過縫隙觸碰到了其中的奧秘，而最終破門而入挖掘到其中寶藏的則無疑當(dāng)屬美國氣象學(xué)家洛倫茲（Edward Norton Lorenz）了。1963年洛倫茲在一篇關(guān)于大氣對流運動問題的經(jīng)典論文《確定性的非周期流》（Deterministic Nonperiodic Flow）中對混沌問題做了創(chuàng)建性揭示，在科學(xué)界和社會相關(guān)領(lǐng)域都產(chǎn)生了廣泛且持續(xù)的深刻影響，類似于蝴蝶翅膀的奇異吸引子（Strange Attractor）圖形現(xiàn)已成為研究混沌理論的經(jīng)典畫面，而“蝴蝶效應(yīng)”更是成為家喻戶曉的可以解釋復(fù)雜變化的科普概念。洛倫茲的工作與龐加萊方法類似之處也是簡化方程，將復(fù)雜的大氣運動方程簡化為只有三個變量的熱對流非線性常微分方程，研究這一系統(tǒng)隨時間變化的長期行為，試圖解決大氣運動的長期預(yù)報問題。在對這一看似不很復(fù)雜的微分方程組進行數(shù)值求解時，發(fā)現(xiàn)了體現(xiàn)混沌系統(tǒng)變化的兩個基本特征，一是奇異吸引子，二是系統(tǒng)變化對初值的敏感性（The Sensitive Dependence On Initial Conditions），這一重要進展標(biāo)志著混沌問題研究取得了重大突破，通過量化圖形方式給出了系統(tǒng)的混沌特征，也體現(xiàn)了洛倫茲在這一領(lǐng)域所做出的奠基性貢獻。

要清晰看清動力系統(tǒng)隨時間變化特征，直觀的方法是在相空間中觀察。一個系統(tǒng)中的各獨立變量構(gòu)成了系統(tǒng)的相空間，系統(tǒng)的每個狀態(tài)在相空間中表現(xiàn)為一個點。若能計算出系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化時各個變量的伴隨變化值，就可以跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)在相空間中的運動軌跡趨勢。而由每個狀態(tài)點在相空間中變化所構(gòu)成的最終趨向圖形，稱為該系統(tǒng)的吸引子，或者說吸引子是系統(tǒng)演變的最終歸屬。

在洛倫茲研究他的簡化熱對流系統(tǒng)之前，已存在普遍認(rèn)同的三類經(jīng)典吸引子，分別為系統(tǒng)最終收斂于固定不變狀態(tài)的穩(wěn)定點吸引子，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定振動狀態(tài)的極限環(huán)吸引子，和系統(tǒng)趨于似穩(wěn)狀態(tài)的極限環(huán)面吸引子[7]。這三類吸引子所描述的系統(tǒng)運動變化總體上是規(guī)則的，即便初值出現(xiàn)了一些偏差，終值也會有偏差，但不會很大，可以根據(jù)初始狀態(tài)計算出系統(tǒng)未來的變化走向，當(dāng)時間足夠長時，系統(tǒng)趨于與初值無關(guān)的定常狀態(tài)，很長一個時期，確定論者都是以此為依據(jù)的。洛倫茲最初也想通過這一方式開展長期天氣預(yù)報，他在與同行討論不同時間周期的預(yù)報難易程度時，就提出長期預(yù)報應(yīng)比短期更容易，并舉例說，一杯熱水的溫度預(yù)報，報長顯然要比報短容易，因溫度最終是要回歸環(huán)境溫度的[8]。

但洛倫茲的熱對流模型則不同了，狀態(tài)點在三個變量構(gòu)成的相空間中表現(xiàn)出了隨機運動的變化趨勢，圍繞兩個中心點構(gòu)成雙重纏繞，軌跡空間類似于蝴蝶的兩個翅膀，運動軌跡不相交，但被限定在兩翼構(gòu)成的邊界之中，這意味著系統(tǒng)狀態(tài)不會重復(fù)，長期趨勢又表現(xiàn)為亂中有序。洛倫茲將這一變化稱為“確定性的非周期流”，準(zhǔn)確地反映了其運動特征，在確定的方程和初始條件下，系統(tǒng)變化完全來源于內(nèi)部因素，最終演化為遵循確定規(guī)則的隨機運動。而這個類似于蝴蝶雙翼的圖像顯然無法被歸為已有的三類經(jīng)典吸引子，被定義為奇異吸引子，或洛倫茲吸引子。按照洛倫茲的解釋，奇異吸引子就是某個混沌系統(tǒng)的核心，顯然，若想了解這個系統(tǒng)，要先建立核心意識，關(guān)注吸引子的狀態(tài)（圖2，幾種不同的吸引子[7]）。如果一個混沌系統(tǒng)已運行許久了，所有遠(yuǎn)離吸引子的狀態(tài)就不再存在。復(fù)雜的全球天氣構(gòu)成的混沌系統(tǒng)，最終都會收斂于氣候這個吸引子。

圖2 三種經(jīng)典吸引子（穩(wěn)定點、極限環(huán)、極限環(huán)面）和洛倫茲奇異吸引子

如果說洛倫茲發(fā)現(xiàn)奇異吸引子的過程是按照確定性的經(jīng)典物理方程和正常計算流程獲取的結(jié)果，那么對初值敏感性的認(rèn)識則有些偶然因素的介入。1961年，洛倫茲在一個老牌計算機上計算描述氣象演變的非線性動力方程，分析開展長期天氣預(yù)報的可能性，時間步長設(shè)定為6小時，每計算一天打印一次，為了能在打印紙上排列好計算結(jié)果，只能將數(shù)字四舍五入保留三位。從計算結(jié)果看，表現(xiàn)出明顯的非周期性，這些真實的結(jié)果引起了洛倫茲的興趣。

為了進一步檢驗?zāi)骋粫r段究竟發(fā)生了什么變化，洛倫茲需要做一些重復(fù)計算，為了節(jié)省計算資源，他將已計算出的中間結(jié)果作為初值重新輸入計算機計算，在等待結(jié)果的間隙出去喝了杯咖啡，1小時后，約計算出了兩個月的天氣變化，但從結(jié)果看，與曾經(jīng)計算過的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了很大偏差。在確認(rèn)了不是機器出了問題后，洛倫茲對計算偏差做了詳細(xì)核查，發(fā)現(xiàn)大約每計算4天的時間，偏差會增加1倍，兩個月后，兩列結(jié)果已完全無相似之處了。經(jīng)進一步分析，這一顯著改變源自小數(shù)點后四舍五入產(chǎn)生的影響，正是這一微小誤差最終主宰了方程的解，也清晰體現(xiàn)了混沌系統(tǒng)的固有特征。洛倫茲通過這一結(jié)果意識到在日常的天氣觀測中無法將初值誤差控制在三位小數(shù)點精度范圍內(nèi)，這意味著長期數(shù)值天氣預(yù)報將無法實現(xiàn)，在1962年東京數(shù)值天氣預(yù)報研討會上洛倫茲報告了這一結(jié)果（The Statistical Prediction of Solutions of Dynamical Equations）[9]。

從歷史角度看，對于初始時刻的微小誤差造成結(jié)果重大變化的認(rèn)識并不少見，但能像洛倫茲這樣給出一個簡單且精準(zhǔn)的物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確屬首次。究竟什么是混沌，洛倫茲在2005年訪問美國馬里蘭大學(xué)一位教授時給出了一個簡明的解釋：“現(xiàn)在可以確定未來，但近似的現(xiàn)在無法近似地確定未來。[10]”闡釋了混沌系統(tǒng)中初值的誤差與非周期解的關(guān)系。如果能獲得系統(tǒng)的精確初值，混沌系統(tǒng)的演變本質(zhì)上仍是確定性的，但這無法做到，從而也導(dǎo)致獲取精準(zhǔn)預(yù)報的預(yù)期難以實現(xiàn)。

3 與不確定性共存

尋求精準(zhǔn)的良好愿望無論從科學(xué)理論還是實踐過程都缺少必要的支撐，合理的方式應(yīng)是坦然與無法消除的預(yù)報偏差共存，并找到合理的處理方法滿足使用者的需求。在理念上從追求唯一的精準(zhǔn)結(jié)果到設(shè)法獲取接近真實的誤差分布，如果預(yù)報的發(fā)布者和使用者都能清晰認(rèn)識到這一點，則如何量化不確定性，使其與預(yù)報值結(jié)合構(gòu)成完整的信息就成為自然的選擇。此外，既然不確定性是從初始場開始的，對不確定性的處理也理應(yīng)從初值開始，伴隨始終，全過程跟蹤分析。

通過依賴數(shù)學(xué)物理方法的數(shù)值預(yù)報模式預(yù)測大氣存在其固有的不確定性，解決問題的方法也應(yīng)從這一本質(zhì)問題出發(fā)來考慮，改變追求確定性的思維方式，集合預(yù)報正是針對大氣運動的混沌特征而設(shè)計出的解決方案。愛潑斯坦（Epstein，1969年）和萊斯（Leith，1974年）先后提出了動力隨機預(yù)報理論框架和實用的集合預(yù)報法，開拓了以不確定性方法來解決不確定性問題的新途徑，這種方法并不是在追求做出更準(zhǔn)確的單一預(yù)報，而是一種可以定量估計預(yù)報誤差分布的動力學(xué)方法。在這種模式設(shè)計的構(gòu)架下，大氣模式的初始場、模式的物理過程、模式本身都不再是唯一，而是依據(jù)特定規(guī)則設(shè)計的一個群組，模式的最終預(yù)報值也不是唯一結(jié)果，而是概率分布[11-15]。

經(jīng)過幾十年的探索、實踐和拓展，這種理念和方法已在實際業(yè)務(wù)中被廣泛接受，成為各國數(shù)值預(yù)報中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分。以單一模式預(yù)報能力國際領(lǐng)先的歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）提出的發(fā)展目標(biāo)，將預(yù)報時效提升到兩周，也是選擇以集合預(yù)報方法為基礎(chǔ)的[16]。

我們已知實際大氣真正初始狀態(tài)不可能完全精確獲取，作為模式計算獲取的初始場就只能是一個近似值，而其與真值的偏差隨著時間積分會快速放大，對初值的敏感性導(dǎo)致所得到的計算結(jié)果可能與大氣真實演變狀況出現(xiàn)較大偏差，或兩個偏差不大的初值卻得到差別很大的計算結(jié)果，這與大氣的混沌特性是相符的。集合預(yù)報的創(chuàng)新之處是不再使用單一的初值啟動計算，而是一組初值的集合，集合中的每個成員雖不能被確認(rèn)為真值，但都有著同等的代表性。從這些相差不大的初值集合成員就可以得到一個預(yù)報結(jié)果的集合，單一的預(yù)報就轉(zhuǎn)換為一組預(yù)報結(jié)果，即“集合預(yù)報”。除了對初始場進行集合外，還可以對模式的物理過程和模式本身進行集合，目的都是一個，降低單一預(yù)報成員的不確定性。而在確立集合成員時，首先需要確認(rèn)每個成員特征的一致性，即各成員初始場相差不能過大，或不同模式或物理過程的水平大體相當(dāng)，從統(tǒng)計平均意義上，各成員應(yīng)保持等同性，若成員之間水平相差過大，如同一個有經(jīng)驗的預(yù)報員與一個缺乏實踐的新手集合，就沒有實際意義了；其次是在各成員不出現(xiàn)系統(tǒng)性誤差的基礎(chǔ)上，保持適度的離散性，目的是確保大氣的真值大概率被包含在集合成員之中。如何確定集合成員本身也有不確定性，需要慎重處理，如離散度的要求與預(yù)報可信度的關(guān)系，會呈相反走向，離散度愈小，可預(yù)報性愈高。在初始場上疊加擾動是確定初始集合成員的通常做法，要考慮擾動場的特征與實際分析資料可能誤差分布的一致性，以保證所疊加后的初值對反映實際大氣狀態(tài)有同樣的代表性，同時還要保持?jǐn)_動場之間在模式計算的演變方向上保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)散度，使集合結(jié)果最大限度包含實際大氣可能出現(xiàn)的狀態(tài)?？傊?，設(shè)計和運行一個好的集合預(yù)報系統(tǒng)不是件容易的事，但最終結(jié)果確實可以提供單一模式不能提供的信息。

集合預(yù)報產(chǎn)品最初級的應(yīng)用是通過集合預(yù)報結(jié)果可以獲取集合均值，形成單一結(jié)果，通常情況下，這一結(jié)果較單一初始場預(yù)報效果要好[17]，但也僅是提供了大氣變化的一種可能，無法涵蓋全部，特別是當(dāng)大氣狀態(tài)出現(xiàn)不穩(wěn)定時會出現(xiàn)較大偏差；進一步的應(yīng)用則是獲取對大氣預(yù)報可信度的分析，通過方差或標(biāo)準(zhǔn)差可以計算各集合預(yù)報成員間的發(fā)散程度，進而確定預(yù)報的可信度；最能完整體現(xiàn)集合預(yù)報價值的是通過所有集合預(yù)報成員算出單個預(yù)報發(fā)生的可能概率，而多個成員的概率分布則包含了集合預(yù)報結(jié)果所能提供的完整信息。圖3是英國氣象局對一次降雨過程所做的集合預(yù)報的示意圖，可以體現(xiàn)集合預(yù)報產(chǎn)品的制作過程和結(jié)果。

圖3 英國降水36小時集合預(yù)報示意圖（紅線和紅框表示單一預(yù)報結(jié)果，通過最初的單一初始大氣狀態(tài)分析場（左側(cè)紅點）向前進行時間積分獲得；左側(cè)圓內(nèi)為一組在已知不確定范圍內(nèi)獲取的一組小擾動初始場集合，通過時間積分獲取了中間多個框內(nèi)的一組降水預(yù)報集合，體現(xiàn)了預(yù)報的不確定性，通過對這一集合結(jié)果的處理得到右側(cè)的降水概率分布）[18]

在對預(yù)報的不確定性有了較客觀、完整的認(rèn)識后，天氣預(yù)報的制作者與使用者都開始進一步思考如何更完整地提供和使用好氣象信息問題。2006年，受美國國家天氣局（NWS）之托，美國國家科學(xué)院組織專家委員會完成、發(fā)表了一份調(diào)研報告，題目為《完整的預(yù)報：通過對不確定性的刻畫與溝通，有助于利用天氣氣候預(yù)報做出更好的決策》（Completing the Forecast：Characterizing and Communicating Uncertainty for Better Decisions Using Weather and Climate Forecasts）[19]。報告針對預(yù)報不確定性問題進行了系統(tǒng)性分析，最后給出了9條建議，其關(guān)鍵理念是要正確地刻畫預(yù)報產(chǎn)品的不確定性，并同用戶進行有效的交流溝通，使用戶能對不確定性也有正確的理解，這樣的預(yù)報才能算是完整的預(yù)報。隨后，2008年美國氣象學(xué)會（AMS）也針對預(yù)報不確定性問題發(fā)表了一篇題為《通過概率預(yù)報提升天氣信息》（Enhancing Weather Information with Probability Forecasts）的聲明[20]，提出所有天氣預(yù)報都應(yīng)包括準(zhǔn)確量化的不確定信息，這種概率信息傳播可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益，用戶可以通過明確的不確定性來做出更好的決策。而完成這一轉(zhuǎn)變并取得效果的前提是改進量化不確定性的技術(shù)，如制作集合預(yù)報。同時，預(yù)測人員和用戶都需要接受培訓(xùn)，掌握如何正確理解和使用概率信息，并增進相互間的溝通。

從業(yè)務(wù)應(yīng)用角度，20世紀(jì)70年代開始，一些發(fā)達國家開始嘗試發(fā)布概率預(yù)報，如美國，1972年開始在業(yè)務(wù)中發(fā)布小尺度雷雨預(yù)報，1976年開始發(fā)布降水類型、降水等級、雷暴、云量、云高、能見度等要素的概率預(yù)報；進入20世紀(jì)80年代，加拿大、日本、澳大利亞及歐洲一些國家也相繼開展了概率天氣預(yù)報業(yè)務(wù)[21]。中國也曾嘗試過概率預(yù)報，1995年，上海、北京等大城市相繼試點對公眾發(fā)布概率天氣要素預(yù)報，從外界反映看，不夠理想，用戶對概率產(chǎn)品缺少足夠的理解，引起了一些認(rèn)識上的混亂，抱怨較多，僅有一些專業(yè)用戶表示了肯定和歡迎，試點堅持了10年左右，先后停止了，從中也反映出僅有科學(xué)依據(jù)還不能完全解決現(xiàn)實問題，用戶的認(rèn)知、理解、習(xí)慣、實際需求、提供方式等都會制約新的變革。

4 結(jié)論

1）數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展通過依靠數(shù)學(xué)物理方法和探測、通信、計算技術(shù)的結(jié)合，解決了天氣預(yù)報的定量化、客觀化、連續(xù)性等問題，但大氣運動的復(fù)雜性與混沌特征決定了預(yù)報過程從始至終都存在其固有的不確定性，難以做到100%的精準(zhǔn)，無論是預(yù)報的制作者還是使用者都應(yīng)把握好這一客觀規(guī)律。

2）集合預(yù)報的發(fā)展為提供客觀的概率預(yù)報奠定了基礎(chǔ)，較單一預(yù)報包含了更豐富的預(yù)報信息，有助于提高數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性和對可預(yù)報性的認(rèn)識，應(yīng)進一步挖掘其為用戶提供完整氣象信息服務(wù)的價值。

3）將盡可能準(zhǔn)確的預(yù)報產(chǎn)品和可量化的誤差都如實告知用戶，從理念上無疑是正確的，雖與理想化精準(zhǔn)預(yù)報相比有一定差距，但可以確保信息的真實、客觀和完整，并逐漸使預(yù)報產(chǎn)品的制作者和使用者都建立起正確的觀念和思維方式，客觀地看待天氣預(yù)報出現(xiàn)的偏差。

4）在實踐中，不能簡單為之，其中最重要的應(yīng)是預(yù)報產(chǎn)品的提供者與使用者之間的溝通，用戶的需求和理解決定著預(yù)報產(chǎn)品的最終應(yīng)用效果，分析其中的障礙點，打通影響溝通的環(huán)節(jié)，采取適當(dāng)?shù)谋磉_方式，才能實現(xiàn)完美的預(yù)報服務(wù)流程。