預報天氣，想說愛你不容易

　　來源：中科院之聲

　　一天，某氣象行業工作者發了條微博「看電影發現自己突然變成了無業游民」，同行們紛紛表示「扎心」。一直以來，拿天氣預報開玩笑，責怪天氣預報不準確都是個世界性的現象。「很多人都說假話，只有氣象員想說真話卻說不準」。

　　天氣預報的流程是什麼樣的？為什麼總是報不準？讓我們走進大氣科學研究人員的工作，看看他們如何解開天氣的秘密。

天氣預報：用數學算天氣變化

　　用一句話概括天氣預報的核心就是求解一組非常複雜的非線性大氣動力方程，這套方程組是研究大氣的一切運動和現象的基礎。大氣是一種運動的流體，其運動符合牛頓運動定律，質量守恆定律，熱力學定律等等物理定律。

　　因此天氣預報的核心是物理，數學和計算機，物理知識是正確認識大氣運動的基礎，數學是求解大氣動力方程組的工具，計算機是實現數學計算的載體。本質上，天氣預報是大量搜集氣象數據，比如氣溫，氣壓，空氣濕度，風速，風向等，用這些數據帶入方程中求解，最後算出的答案就是未來的天氣。

　　那麼，如何收集大量氣象數據呢？首先是自動氣象站，它可以自動完成觀測與數據的傳輸，不需要人操作。到2018年底，我國已經擁有了6萬多個自動氣象站，覆蓋95.6%的鄉鎮。數量，密度達到世界第一的位置。

　　除了地面的自動氣象站，我們在太空也安插著觀測地球大氣變化的眼睛。這就是氣象衛星。2016年我國發射的風雲四號靜止衛星，不僅平面上覆蓋區域廣，拍攝非常清晰，還可以同時對大氣的垂直方向做一個CT，對不同層級進行掃描。其連續、穩定運行將大幅提升我國靜止軌道氣象衛星探測水平。

微信更換的來自風雲四號拍攝的新啟動圖，在此之前一直都使用美國在全世界範圍公開的第一張完整的地球照片。

　　氣象數據收集到之後，就進入到天氣預報的關鍵環節——計算。不知道各位讀者在學生時代是否有過被解方程組支配的陰影。下面簡單列舉了一個大氣運動方程，我們獲取的氣象數據越詳細，需要參與的變數就越多，對計算的要求就越高，其實就是方程套方程的過程。因此計算出一個天氣預報的結果是非常難的。難到什麼程度呢？如果以現在我們得到的天氣預報的標準來看的話，至少需要一百個人算半個月才能得到明天的天氣是什麼樣子。很顯然，半個月後得到的結果也沒什麼意義了。

　　但幸運的是，現在超級計算機發展得夠強大，可以很快計算出結果，這才使我們的天氣預報變成可能。氣象系統一直使用著我們國家最先進的一批高性能計算機。目前我國氣象局高性能計算機系統總規模已經達到世界第三，僅次於英國和日本。英國和日本國土面積比較小，計算量級相對較小，而我國有960萬平方公里，因此達到這個成績是很不容易的。

　　目前，我國的晴雨預報準確率達87%以上。大家平時通過收集，互聯網等各種方式獲得的72小時內天氣預報信息的準確率是很高的。包括前面提到的氣象衛星，我們已經開始引領世界上的其他國家。但是有人會說，你們的預報依然有13%的不準。這是因為觀測數據有誤差，數學建模與真實大氣以及地面有誤差，這些誤差在計算期間不斷疊加，時間長了就會使最終結果與實際天氣有差別。

　　提高預報準確率：大氣所一直在努力

　　到這裡我們就不得不提到FGOALS-f2！

　　FGOALS-f2系統是一套結合了天氣預報、中長期（延伸期）預報和氣候預測的無縫隙集合預報系統。該系統由大氣所LASG國家重點實驗室吳國雄院士和包慶研究員領銜的模式發展和應用團隊於2017年初完成，經過2年多的測試於2019年7月1日正式上線投入業務應用。

FGOALS-f3-L氣候系統模式，於2019年5月完成並發布了第六次國際耦合模式比較計劃中的大氣模式比較計劃（AMIP）和全球季風模式比較計劃（GMMIP）的數據，對應的數據描述和使用說明已被SCI期刊《Advances in Atmospheric Sciences》接收並出版。背景圖片從左到右分別為該模式能夠提供較好的部分氣象要素的預報：颱風、雲、降水和海冰。詳細內容，請點擊「閱讀原文」。

　　FGOALS-f2模式採用與美國下一代天氣預報模式一致的FV3動力內核和自主研發的RCP顯式對流降水方案，運行速度快，計算成本低，性價比高，延伸期預報可以獲得高達80個集合成員。通過大量集合樣本預測，大大降低了預測的不確定性。

　　FGOALS-f2系統以中國地區的無縫隙預報為核心，提供完全動力的天氣-氣候無縫隙預測結果，預測時效包括：天氣-延伸期預報（1天-60天）和季節預報（1個月~6個月）兩套產品；並且建立覆蓋全球及重點區區域天氣氣候，包括青藏高原、「一帶一路」沿線國家地區和北極等。其中天氣-延伸期預報又涵蓋了全球/中國降水量、全球/中國最高最低氣溫、全球/西北太平洋熱帶氣旋（颱風/颶風）活動、ENSO、北極海冰、MJO、青藏高原及周邊地區天氣-氣候狀況（降水、最高溫度、最低溫度）、「一帶一路」國家地區天氣-氣候預測（最高溫、最低溫）等多尺度、多方面的預報預測內容。

　　與傳統預報相比，FGOALS-f2系統面向國家重大需求，立足中國，覆蓋全球，積極面向國家可持續發展、「一帶一路」、「經略南海」、北極資源開發等國家重大需求和戰略。

　　同時，FGOALS-f2還可以服務氣象防災減災。FGOALS-f2在延伸期和季節預報時間尺度上，更加關注熱帶氣旋（颱風/颶風）、洪澇、乾旱和極端降水等極端天氣-氣候事件。本預測團隊與我國氣象、海洋、水利等業務部門開展緊密合作，實時共享預測結果，為我國防災減災提供有效的預報預測服務。

颱風預測

　　此外，FGOALS-f2還包括了重要氣候影響因子（如厄爾尼諾和南方濤動（ENSO））、熱帶季節內振蕩（MJO）和北極海冰等）的實時預報預測系統，支撐前沿科學研究。本系統建立了過去30年天氣-延伸期、短期氣候預測回算大資料庫，可為天氣-延伸期天氣-氣候預測的理論和技術研究提供支撐。

　　FGOALS-f2還可以提供中長期預報（climate service），服務於個人、企業及各級政府制定計劃。FGOALS-f2還進行未來6個月的季節預測，通過多種新媒體平台向社會發布預測結果，為其他科研單位及公眾提供多元化的中長期預報信息。

　　我國幅員遼闊，是天氣災害種類最多，表現最劇烈的國家之一。在地形比較複雜的地區，或者強對流天氣多發季節（如夏季），在一個範圍很小的區域中天氣也常常會迥然不同。而天氣預報特別是面對全國性天氣的時候，不得不「從大局出發」，描述大範圍的特點，會遺漏一些局地特殊性的天氣現象。而且對於越是小範圍的局地天氣，預報起來的困難就越大，因為受到了觀測精度和模式計算精度的限制，目前無法預報那麼紛繁複雜的天氣變化。天氣總是「東邊日出西邊雨」，導致了氣象行業工作者總是「道是無晴卻有晴」。雖然他們也很無奈，但是相信他們會通過自己的努力不斷提高天氣預報的準確率，為公眾生活提供更好的幫助。

　　深入了解FGOALS-f天氣-氣候動力集合預報預測系統請點擊「閱讀原文」；相關數據已經在地球系統國際數據聯盟（ESGF）數據平台上發布以供下載（https：//esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/），相對應的數據描述和使用說明已被 Advances in Atmospheric Sciences 接收並出版，文章鏈接：

　　https：//link.springer.com/article/10.1007/s00376-019-9027-8。

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