“明天出門要帶傘嗎？”“跟朋友約打球，天氣給力不？”“十一出去玩帶什么衣服？”……日常生活中，天氣似乎是我們永遠(yuǎn)繞不開的話題。
如果告訴你，預(yù)報(bào)天氣就像解一道數(shù)學(xué)題，你信嗎？
其實(shí)，天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段：最初的天氣預(yù)報(bào)是一種玄學(xué)，人們純粹是靠生活經(jīng)驗(yàn)來判斷；隨后傳統(tǒng)天氣圖誕生，天氣預(yù)報(bào)開始變?yōu)閼?yīng)用科學(xué)；后來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)誕生，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也得到大幅提升！
有人將數(shù)值天氣預(yù)報(bào)比作氣象事業(yè)的“芯片”，那么問題來了！
01什么是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)？
簡(jiǎn)單地說，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一種用高性能計(jì)算機(jī)把未來天氣算出來的科學(xué)。因?yàn)榇髿膺\(yùn)動(dòng)總是遵循一定的物理規(guī)律，人們將大氣運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律編寫成一系列數(shù)學(xué)方程，再利用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，得到未來天氣發(fā)展變化狀況。
圖為描述大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程組。很多人表示看不懂，沒事，科學(xué)家懂就行。
我們可以拿生活中的場(chǎng)景，打個(gè)比喻：
第一種情況：小明身處一棟只有三層、只有一個(gè)樓梯的公寓，他住在三樓某個(gè)房間。要想“預(yù)報(bào)”小明是否要下樓出門了，我們可以安排在三層、二層樓梯口分別站一位觀察員，將他是否已出門、是否正在下樓的動(dòng)態(tài)，隨時(shí)匯報(bào)。這樣，人們就能“預(yù)判”小明走出公寓的時(shí)間。這就類似我們用雷達(dá)等觀測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)短時(shí)臨近天氣活動(dòng)的發(fā)生。
第二種情況：小明身處一棟五層、有兩個(gè)樓梯的公寓，他住在三樓某個(gè)房間。此時(shí)，在小明出門后，他可能會(huì)沿A樓梯上樓，也可能下樓，甚至也可能走B樓梯，情況變得發(fā)雜許多。當(dāng)然，我們可以根據(jù)小明的過往出行規(guī)律來判斷，比如他每周六習(xí)慣走A樓梯出門，周日喜歡走B樓梯上天臺(tái)；他穿大衣時(shí)大多會(huì)出門，穿背心時(shí)只是在樓里溜達(dá)……根據(jù)一些“指標(biāo)特征”，來“預(yù)判”小明的行動(dòng)規(guī)律，這就類似我們過去對(duì)天氣的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)或結(jié)合客觀數(shù)據(jù)的主觀判斷。
第三種情況：小明身處一棟30層，八梯多戶的大型公寓里。此時(shí)，要想判斷他的行蹤，可以廣泛搜集他的海量信息，比如小明出門前有沒有接電話，有沒有用手機(jī)地圖查詢地點(diǎn)，穿著什么衣服，等等。根據(jù)有用的信息，我們建立一個(gè)數(shù)學(xué)公式，并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，算出他的動(dòng)向。相關(guān)“有用的信息”，都是這個(gè)數(shù)學(xué)公式的變量。公式建立后，要通過多次驗(yàn)算，若運(yùn)算結(jié)果與真實(shí)情況吻合或接近，那我們就初步建立了一個(gè)“小明出行數(shù)值預(yù)報(bào)模式”。
02數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是近些年才有的？
早在100多年前，科學(xué)界就提出了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的概念。但直到20世紀(jì)50年代，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)才得以成功；20世紀(jì)70年代，隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)，一些關(guān)鍵性問題解決后，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)才真正實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用。
近幾十年，隨著衛(wèi)星、雷達(dá)、飛機(jī)、地面等綜合觀測(cè)系統(tǒng)的建立以及大氣科學(xué)理論的不斷完善，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也得以大幅提高。
03數(shù)值預(yù)報(bào)誕生的意義為何那么大？
以前的預(yù)報(bào)主要依靠天氣圖，雖然也是建立在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，但很大程度依賴于預(yù)報(bào)員的主動(dòng)判斷。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)使得天氣預(yù)報(bào)從傳統(tǒng)的以統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)為主的天氣圖方法轉(zhuǎn)變成為客觀定量的科學(xué)，被稱為20世紀(jì)最偉大的科技發(fā)展之一。
目前，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的支柱，準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，離不開數(shù)值預(yù)報(bào)作為第一依據(jù)。
04有了數(shù)值預(yù)報(bào)，天氣預(yù)報(bào)會(huì)百分百準(zhǔn)確嗎？
即便數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展到一定高度，天氣預(yù)報(bào)也是一門預(yù)測(cè)科學(xué)，在看得見的未來幾乎不可能100%準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)總會(huì)出現(xiàn)誤差。
所以一方面，我們應(yīng)當(dāng)養(yǎng)成看滾動(dòng)訂正預(yù)報(bào)的習(xí)慣，一方面應(yīng)適當(dāng)降低對(duì)天氣預(yù)報(bào)的預(yù)期值。客觀看待問題、解決問題，更利于天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提升。
05數(shù)值天氣預(yù)報(bào)會(huì)取代預(yù)報(bào)員嗎？
答案是否定的！在現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)中，數(shù)值預(yù)報(bào)水平不斷提升，越來越重要。但是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)并不能完全模擬極其復(fù)雜的大氣變化，做出來的預(yù)報(bào)必然會(huì)有偏差。
此時(shí)，預(yù)報(bào)員就需要依靠使用數(shù)值模式的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)學(xué)經(jīng)驗(yàn)才能做出更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。此外，預(yù)報(bào)員在工作中，還可能發(fā)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)的缺陷，通過與數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)人員的互動(dòng)，協(xié)助攻克相關(guān)科學(xué)問題，不斷優(yōu)化數(shù)值模式。
06為何要發(fā)展自己的數(shù)值預(yù)報(bào)模式？
數(shù)值預(yù)報(bào)作為氣象業(yè)務(wù)的核心技術(shù)，是氣象事業(yè)發(fā)展的“芯片”。發(fā)展自己的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，擺脫核心技術(shù)受制于人的困境，是一代又一代氣象人矢志不渝追求的目標(biāo)。
我國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究始于1954年，是國(guó)際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國(guó)家之一，但限于當(dāng)時(shí)的條件，難以形成業(yè)務(wù)能力。20世紀(jì)80年代，我國(guó)正式成立數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)單位，經(jīng)過40年的發(fā)展，我們?cè)诳朔藦幕A(chǔ)設(shè)備到模式發(fā)展到業(yè)務(wù)化的重重困難，再經(jīng)歷近年來的飛躍進(jìn)步，我國(guó)終于有了自主可控的全國(guó)和全世界服務(wù)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成了從“零”到“一”再到“卓越”的跨越。
07為何要重點(diǎn)發(fā)展“地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)”？
除了大氣層之外，地球系統(tǒng)的組成部分，如海洋、海浪、海冰和陸地表面，都會(huì)對(duì)天氣的演變產(chǎn)生重大影響。因此，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中對(duì)所有這些組成部分之間的相互作用進(jìn)行精確的模擬，也可以改善天氣預(yù)報(bào)。發(fā)展地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)，建立耦合資料同化系統(tǒng)提供初值，可以提高天氣氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。
為深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于氣象工作的重要指示精神，對(duì)標(biāo)“監(jiān)測(cè)精密、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)”要求，中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心的成立，目的就是充分發(fā)揮數(shù)值預(yù)報(bào)在天氣氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、地球系統(tǒng)科學(xué)研究、氣候變化模擬、重污染擴(kuò)散模擬預(yù)測(cè)等工作中的技術(shù)支撐作用，加快搶占下一代數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)的國(guó)際制高點(diǎn)，為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家作出更大貢獻(xiàn)。