夏日的天娃娃的臉？不怕！智能網格讓天氣預報精確到分鐘和公里

編者按：智能網格氣象預報是無縫隙、全覆蓋、客觀定量的預報系統。中國氣象局計劃於2020 年建成「預報預測精準、科技支撐有力、核心技術自控、系統平台智能、人才隊伍優化、管理科學高效」的從零時刻到月、季、年的智能網格預報業務體系。

建成這一新的預報業務體系

必須攻克一些技術難題，

才能滿足人們對基於位置和影響

的氣象預報的需求。

這些難題，

涉及0時刻的實況資料，

0-12 小時的短時臨近天氣預報，

也涉及未來10 天的中短期天氣預報，

有些是世界性難題，

有些需要我們保持優勢更進一步。

雖不易，但攻克難題的行動已經展開。

巧婦難為無米之炊，原材料走起！

作為預報的「地基」，觀測資料的來源可謂千頭萬緒，地面、高空、衛星、雷達…… 每一大類又能細分成許多小項。僅以降水資料為例，地面觀測有之，衛星觀測有之，雷達觀測有之，不同來源的資料就像一粒粒麵粉，而且質量各異，僅僅把它們聚成一堆而不進行加工的話，用再好的餅鐺也做不出餅來。

而多維實況數據分析，便是這樣一個原料加工的過程：將彼此離散的麵粉糅合在一起，使其成為均勻、細膩、連續的麵糰。只有這樣加工好原料，才能讓數值預報系統這個「餅鐺」最大限度地發揮功用。

說起來輕鬆，但在智能網格預報技術攻關的過程中，和好這團面還真不容易。

節選自《圖解格點化預報》圖解。（圖解來源：中國氣象報社）

眾所周知，網格預報是將地表分割成一個個方格，並以格點為單位給出預報意見，以實現最大限度的精細化。但在觀測方面，氣象部門顯然不可能以格點為單位布設觀測站。把站點的實況輸入格點的預報系統，難免有些「文不對題」。因此，就需要一個分析過程來把觀測實況數據轉化成「格點模式」。

格點矢量圖。（圖片來源：百度圖片）

在這個過程中，國家氣象信息中心技術團隊首先將各種不同來源、同一對象（如降水）的觀測數據整合在一起，然後去偽存真、去粗取精，篩掉錯誤的、不符合要求的數據，再通過複雜的融合與同化計算，不斷與實況數據對比調校，最終推導出各格點最貼近真實的情況。

將天文數字的資料融合分析，要求又如此之高，毫無疑問這是一項高技術含量、高難度的工作。但預報對時效性的追求，卻又容不得「慢工出細活」 。

在這樣巨大的時效性壓力下，2017年，多維氣象數據實況分析實現了12 分鐘完工。即在12分鐘內，數據從觀測端起跑，走完質量控制、入庫、融合分析、產品製作全流程，來到了預報員的檯面上。

如今，降水、氣溫、風、濕度、總雲量、能見度等6大類18種實況分析產品已經試運行，時間解析度可達1小時，最高達10分鐘，空間解析度達到5公里。三維雲量、天氣現象、地表氣壓、海表溫度、洋面風等產品也已經「在路上」。越來越豐富、越來越精細的產品，將讓智能網格預報在越來越高的起點出發。

短時臨近預報，讓暴雨不再「不期而至」

夏天的雨經常來去匆匆。從公司步行去地鐵站的路上，你可能經歷了雨最大的十分鐘。但如果看一看天氣服務類的手機APP，晚十分鐘出門，你也許就不會因雨太大而渾身濕透。

氣象科技的發展進步，讓未來兩小時內是否有降雨、強度如何不再成為難以回答的問題。

（圖片來源：百度圖片）

然而，氣象專家並不滿足。

在他們看來，溫度、濕度、氣壓等常規要素的預報已非難事，是否有雨、強弱大致如何也可以預判，但雷暴大風、短時強降雨、冰雹、龍捲、雷電等嚴重起來攸關性命的災害性天氣預報才是「 心頭大患」。遺憾的是，目前這些仍是世界性難題。

主要的氣象災害。（圖片來源：百度圖片）

我國氣象部門正在通過與清華大學等高校院所合作開展人工智慧在氣象預報領域應用的研究。多維氣象數據實況分析等實況業務也在加速推進，以期在這一領域與發達國家並跑。

在智能網格預報體系中，為了攻克短時臨近（0-12小時）預報中存在的技術難題，儘快建立預報業務，氣象專家畫了一張路線圖，希望到2020年，不僅能告訴公眾未來兩個小時的雨勢變化，還能基於公眾位置提供0-12小時內雷暴大風、冰雹、雷電等的預報預警。

時間尺度不同的預報，需要不同的預報方法。與未來兩小時主要依靠外推的方法不同，未來12 個小時的天氣預報主要依賴快速更新同化的數值預報模式。

國家級智能網格氣象預報業務（薛峰 供圖）

國家氣象中心強天氣預報中心主任張小玲坦言，目前我國區域模式與發達國家仍有差距。我國的GRAPES 區域數值預報業務系統可以實現逐三小時更新同化，廣東、上海、北京氣象部門分別主導的華南、華東、華北區域數值預報模式逐小時更新同化，美國的模式也是逐小時更新同化，但可以每15 分鐘更新預報未來三小時的天氣。

鑒於其在儀器、資料傳輸速度、信息識別能力、數據融合能力、同化能力、計算能力等各方面的優勢，美國的預報水平高於大多數國家和地區。不過， 我國正在制定區域高解析度數值預報發展計劃，完善聯合研發的工作機制，希望能為短時預報提供更好的技術支撐。

所有技術和產品成果都需要一個承載的平台，而這個平台， 就像手機淘寶APP、今日頭條新聞客戶端等一樣，會定向推送每一個用戶關心的氣象服務產品。這就是氣象部門正在打造的SWAN3.0系統。兩年前，SWAN2.0正式版發布。未來，它將從災害天氣短時臨近預報系統「變身」為基於分散式計算大數據處理技術的新一代智能化短時臨近預報平台，不但能夠實現對短臨預報產品的智能化分析、自動化報警、智能化引導、自動化生成，還能支撐智慧預警靶向發布。

破題的最終目的，仍是彌補業務短板，提供基於位置的大風、短時強降水、冰雹、大霧等災害性天氣的智能預警預報，護佑公眾平安。

實實在在的進展，你感受到了嗎？

作為組成智能網格預報這個「大木桶」的其中一塊木板，短中期預報業務體系相對完整，技術支撐相對較強，可以算得上是木桶中的長板。

如何更好地發揮這塊「長板」的優勢，進一步提升短中期預報的準確率以及精細化程度，精細監測、精準預報、精確預警、精心服務，真正做到「強長項」，是當下氣象部門需要作答的重要問題。

國家級智能網格氣象預報特點（薛峰 供圖）

在2017年底前，我國氣象預報服務統一數據源的「一張網」網格預報業務已經開始正式運行，全國上下聯動的10天逐3小時5公里多氣象要素智能網格預報及相應的流程已初步實現。目前，全國31個省（自治區、直轄市）氣象局已經在試驗運行智能網格預報業務，各省份均在進行預報質量評估，並且已經有7個省份實現了業務運行。

這張大網上的短中期預報可在空間上實現精細化，從傳統的大城市預報發展到縣、鄉鎮，甚至村，到現在的任意點位預報；在時間間隔上也更精細，從原來的只區分白天黑夜，發展為逐3小時、逐1小時甚至分鐘級預報，實現即時更新、滾動訂正。

除了更「細心」，目前的短中期預報還更「 理性」。相對傳統的等級預報和定性預報，如今的預報正日趨定量化。比如，從原來的「 小、中、大、暴雨」，變為具體多少毫米的定量降水量預報；以往的「大風」「多雲」等天氣，將被具體的風向風速值和雲量值預報替代。

全國24小時降水量預報圖。（圖片來源：中央氣象台）

當然，「長板」中也有相對薄弱的部分，如何進一步提升短期內的災害天氣預報的準確性，強化短中期預報精細化技術支撐？這也就對「長板」的長度、強度提出更高的要求。

在模式預報產品、常規觀測資料、衛星等非常規觀測資料基礎上，進一步發展統計釋用、動力釋用多模式集成、偏差訂正、地理信息訂正、人工智慧等方法和適用不同要素和不同地形下墊面特徵的網格化分析技術，研究建立適用不同要素、不同區域、不同季節的智能網格氣象要素預報方案，建立全球三維實時網格客觀要素預報及逐時滾動系統。

這讓預報員能夠統籌考慮網格中的不同影響要素，提升預報精細化程度。

未來智能預報系統（薛峰 供圖）

完善的技術一定要有與之相適應的平台作為支撐。智能化、精準化、集約化將是預報平台未來的發展方向。屆時，預報平台可以實現多源網格預報大數據處理和多源客觀預報的智能推薦與融合；持續豐富與完善網格預報的客觀訂正方法集成，增強網格氣象要素、時間、空間自動協調和關聯訂正能力。

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

製作：中國氣象報社 劉釗 張格苗 黃彬 張娟

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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