[难得有的天气预报]天气预报发展简史：从玄学到科学

气象天气预报是两门自然科学，监控高精度是基础，天气预报精确是核心理念，服务精巧是目标。今天就和大家谈谈天气预报的今生今生！（对气象天气预报监控有兴趣的共产党员，请点选：气象天气预报监控，有多高精度！）

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天气预报一直颇受现代人的高度关注，深远影响着人类文明的制造日常生活。天气预报从起初的道家，单纯倚靠日常生活实战经验推论，到后来传统天气情况图的问世，天气预报开始转变成应用领域自然科学，再到现在的值天气预报，天气预报准确度大幅提高，天气预报历经了从道家到自然科学的演进心路历程：

两千年前，我省金文中，就有了关于天气情况特别报道的历史记录，包括风、云、虹、雨、雪、霜、霞、Lauz、雷阵雨等。现代科学受诡谲的天气情况影响很大，气象天气预报常常与卜卦、祈雨等Pudukkottai公益活动有关，属于道家。

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图1 金文中历史记录的天气情况相关内容

数千年来，渔夫、渔夫、贫困户和猎现代人通过看云、辨风、识星象来预估天气情况，积极探索天气预报。我省早在2000多年前就归纳出了节气，主要辅导农务制造、祭神公益活动等。广为流传迄今的天气情况俗语也能反映晚期现代人对天气预报的高度关注，比如彩云不回家，余晖行万里，天界环肋云，树上日晒雨淋淋。《水浒传》中周瑜严兰贞烧曹仁船舰和浓雾天白帝城的故事情节，就是中长期天气预报在国防中的应用领域。

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图2? ?节气

天气预报的发展离不开定量的观测，随着古代科技的发展，各类天气情况监控仪器不断涌现，其中包括伽利略及其弟子发明的温度计和雨量器、托里拆利发明的气压计，考特发明的湿度计等。

图3?托里拆利和气压计

随着气象天气预报仪器的发明和气象天气预报观测网的建立，以及流体动力学理论的发展，天气预报逐渐向应用领域自然科学的方向转变。

电报的发明，为各地气象天气预报观测资料的迅速传递和信息集中提供了条件，使绘制实时的天气情况图成为可能。天气情况图的问世，则是现代天气预报问世的标志。

图4? ?中国人制作的第一张天气情况图

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这就是中国人1915 年制作的第一张天气情况图。这张图的到来与西方相比，已经整整晚了一百年。

关于战争驱动天气预报发展的故事情节已经耳熟能详了，第一次世界大战时，当时处在气象天气预报绝对领军地位的英国政府停止向挪威政府提供气象天气预报资料，挪威政府从仅有的是8处观测站开始，从气象天气预报监控、气象天气预报人才、理论研究等方向发力，成就了随后鼎鼎大名的挪威学派。翻开现在的任何一本《天气情况学原理》书籍，环流理论、气旋结构、气旋生命史、冷暖锋、气团等等均出自挪威学派，而皮叶克尼斯则是挪威学派的核心理念人物。他们为天气预报做出了卓越的贡献。看看今天的中国，技术封锁也可以变成发展自我的最好机会。

图5? ?《天气情况学原理和方法》

倚靠天气情况学理论和天气预报员实战经验，手工绘制、分析天气情况图，再制作天气预报的时代伴随着广播、电视、报纸等媒体的传播迎来了大发展。目前大多数的天气预报员都历经过这一阶段，他们分析、会商、天气预报，中长期天气情况还有天气预报成功的可能，面对中长期天气预报则束手无策。而随后值天气预报的降临则为天气预报员们配备了最最黑科技的武器，他们开始在天气预报中笑傲四方。倚靠值天气预报，目前气象天气预报业务能做到无缝隙天气预报：短时（0-几小时）、中长期（1-3天）、中期（4-9天）和延伸期（10-30天）。

值天气预报就是给定初始和边界条件，通过值方法求解大气运动方程组，从而由已知初始时刻的大气状态天气预报未来时刻的大气状态。

图6? ?值天气预报示意图

1904年皮叶克尼斯提出值天气预报的思想，1916年至1918年理查森进行值天气预报尝试，要知道当时还没有计算机，理查森设计了计算机工厂，要求六万四千人在工厂里同时计算，当然以失败告终。

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图7? ?理查森设计的天气情况预估计算工厂

之后又经过了像罗斯贝、查理、冯诺依曼等一众气象天气预报大佬惊世骇俗的操作，1954年第一次值天气预报（NWP）在瑞典斯德哥尔摩出现，实际业务中仍然不可用。期间又历经了气象天气预报卫星的迅猛发展，80年代欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开始每天制作全球天气预报，之后的几十年EC将带领全世界值天气预报中心不断前进。

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图8? ?欧洲中期天气预报中心ECMWF值天气预报模式制作的天气情况图

EC首创四维变分（4D-Var）资料同化方法的业务运行是全球业务值天气预报中的里程碑。之后的几十年，得益于四维变分资料同化的不断优化，以及气象天气预报卫星观测、超算设备等的发展，天气预报的有效天气预报天数平均每十年提高大约一天。1999年之后北半球和南半球曲线的收敛是由于使用变分方法处理卫星资料带来的突破。

图9 天气预报技巧趋势变化。天气预报技巧是在500百帕高度层上的天气预报和验证分析场之间的相关性。

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集合天气预报的业务运行也是值天气预报发展史上浓墨重彩的一笔。大家都知道蝴蝶效应，即一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场Lauz风。气象天气预报学家洛伦兹1963年便指出了天气情况系统属于混沌系统，一个微小的误差随着时间的推移会造成巨大的差别，即初始条件的误差使得天气预报越往后越不准。

图10? ?洛伦兹蝴蝶效应轨迹模型

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集合天气预报则很好的弥补了天气情况系统的混沌特性。既然无法得到真实的初始值，那就用很多个扰动初始值进行模拟，得到很多个不同的天气预报，有些成员可能还会出现南辕北辙的天气预报结果。但集合天气预报得到的概率天气预报恰恰给天气预报使用者提供了重要且自然科学的信息。

图11? ?集合天气预报示意图

目前全球值天气预报处在一超多强的态势，EC则是当之无愧的老大。

世界值天气预报水平大致可分为三大阵营

第一阵营：欧洲中期天气预报中心（ECMWF）

第二阵营：英国气象天气预报局（UKMO）、美国国家环境天气预报中心（NCEP）、日本气象天气预报局（JMA）、加拿大环境署（CMC）、法国气象天气预报局（Meteo France）、德国气象天气预报局（DWD）

第三阵营：中国（CMA）、巴西（CPTEC）、澳大利亚（CAWCR）、韩国（KMA）

随着高性能计算、观测系统和气象天气预报理论自然科学的持续发展，未来的天气预报发展路径包括但不限于：

1、发展耦合大气-陆地-海洋-海冰的地球系统模式；时间空间分辨率不断提高，全球公里级值天气预报将成为可能；天气情况-气候一体化模式也将逐渐成为主流。当然这些看似路径明确的发展方向，仍然面临着极大的挑战，包括物理过程参数化、云辐射过程、集合方法以及各种气象天气预报理论的突破。

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图12? ?地球系统模式示意图

2、人工智能在天气预报中的应用领域。天气预报和人工智能有着天然耦合的关系。人工智能出色的大数据处理能力成为助力天气情况进一步精确天气预报的重要工具。国外已实现基于深度神经网络和气象天气预报卫星观测资料的数据同化算法研发，在一定的准确度容忍范围内，与传统方法相比，人工智能方法的计算效率可大幅提高。近年来，欧洲中期天气预报中心较为全面地评估了人工智能技术在天气预报值模式中各个技术环节的应用领域潜力，对人工智能的应用领域给出乐观的预期，并已在部分环节如物理过程参数化中开展技术试验。

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参考文献：

1、北京大学?钱维宏教授?《天气预报发展心路历程》

2、欧洲中期天气预报中心 www.ecmwf.int

3、【天气预报天气情况，人工智能比人类文明更擅长？】，科技日报 http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/202007/t20200730_559576.html

4、【The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction】值天气预报的寂静革命 http://www.nature.com/nature/journal/v525/n7567/full/nature14956.html