■打破砂鍋

　　隨著科技水平的提高，如今天氣和氣候數值預報的準確度也越來越高，為科學決策提供了重要的氣象參考依據。請關注——天氣預報是怎么“算”出來的？

　　今年3月23日是第五十六個世界氣象日，氣象日的主題是“直面更熱、更旱、更澇的未來”。

　　近些年，隨著數值天氣預報方法在世界各主要預報中心進入業(yè)務化，數值天氣預報模式接替預報員進行天氣預報的“換代”趨勢正逐步顯現。而隨著衛(wèi)星遙感等多種觀測手段的進步，近10年來氣候觀測獲得的各種大數據，將為提高氣象預報準確率提供重要的參考依據。

　　天氣存在韻律和變化節(jié)奏

　　“早在公元前300年左右，國外就出現了包括天氣諺語在內的各種與季節(jié)天氣預報有關的天氣傳說。人們利用這樣的傳說，預先安排時間較長久的工作和生活內容?！苯K省氣象科學研究所高級工程師楊秋明說，它們中被保留下來的一部分盡管是經驗性質的，卻也揭示了天氣作為一種自然現象存在的某種韻律和變化的節(jié)奏和規(guī)律。

　　“現代天氣預報始于天氣圖的誕生，世界上第一張?zhí)鞖鈭D誕生于1820年?；谔鞖鈭D的分析使天氣預報的方法和技巧大大豐富。隨著氣象觀測站點數量的增加，天氣圖的覆蓋面更廣?！睏钋锩鹘榻B，我國氣象觀測站數量已達2500多個，這就讓繪制出的天氣圖更接近真實大氣的運動。加之衛(wèi)星遙感技術的應用，可以形成各種不同類型的資料之間的對比、分類、聚類和規(guī)律發(fā)現，這使得基于天氣圖的預報準確率逐步提升。

　　數值天氣預報逐漸“取代”預報員預報

　　1950年，美國人恰尼、馮·諾依曼首次用電子計算機制作以大氣動力學為基礎的數值天氣預報取得成功，從此數值天氣預報方法逐步成為天氣預報的主要方法。

　　“從上世紀60年代開始，伴隨計算機速度的指數增加，數值天氣預報有效預報時效開始以每10年增加1天的速度持續(xù)提高，在這個過程中，數值天氣預報超過了預報員預報的水準，并在20世紀末逐漸成為各時段氣象預報的主要依據?！睏钋锩髡f。

　　目前歐洲中期數值天氣預報中心模式預報處于世界領先地位，預報時效已超過10天，已經接近了天氣可預報性之極限。

　　楊秋明說，如今，我國的數值天氣預報模式與世界先進水平差距正在進一步縮小，2015年我國自主研發(fā)的GRAPES全球數值預報系統(tǒng)已具備業(yè)務化運行能力，已顯著改善了模式的計算穩(wěn)定性、質量守恒性，可提供10天的全球天氣形勢及降水預報。

　　10天以上天氣預報成為難點

　　10天以上的天氣氣候預測是主動減災的一個關鍵，對于許多管理部門如農業(yè)、電力生產、旅游、交通、水資源、災害風險降低以及衛(wèi)生健康等的決策，最終的需求是月時間尺度以內的預報。比如，楊秋明曾主持的延伸期預報建立了擴展復數自回歸預測模型，將長江下游地區(qū)20—30天低頻降水分量的預報時效從原來的20天左右顯著延長到30—40天以上，提高了夏半年（每年4月到10月）長江下游地區(qū)暴雨強降水的延伸期預報能力。

　　“但是，由于天氣和氣候數值預報模式存在各種不確定性，國際上數值模式兩周以上的預報誤差仍然增長較快。這些不確定性的來源以及大氣混沌本質和復雜的各種耦合過程也尚待深入研究?！睏钋锩髡f，需要更多理論上和技術上的新突破，從根本上改進天氣氣候模式性能，才可能有效地做出較長預報時效的10天以上的延伸期動力預測。

　　隨著衛(wèi)星遙感等多種觀測手段進步，近10年來氣候觀測獲得的各種數據迅速增加，這些科學大數據，反映和表征著復雜的自然現象與關系，從海量數據中提取出部分有效數據，可以獲得比過去的抽樣分析更全面的與天氣氣候變化密切聯系的低頻變化信息?！叭绻堰@些觀測資料分解、變換，將其去冗分類、去粗取精，得到關鍵數據，將這些關鍵數據視為多樣化的動態(tài)數據變化過程的一系列數據解，即可反演出可預報性較大的簡化數據模型，顯著減小計算誤差?！睏钋锩髡f。

　　楊秋明說，人類發(fā)展永無止境，信息網絡創(chuàng)造數字社會，隨著大數據時代的發(fā)展，會改變現有天氣氣候監(jiān)測和預報思維模式和方法。在氣象變化莫測的每一天，為提升天氣氣候預報能力、時效和精度，從復雜現象中透視本質，不斷延伸、開拓天氣氣候預報新途徑和方法。通過融入隨機動力核心、數據分析科學和技術發(fā)展以及數據新產品應用等科技創(chuàng)新，讓預報模式從根本上擺脫可預報性的束縛，實現模式的短期、延伸期和短期氣候無縫隙預報預測的能力。