【深度报道】突破天气预报技术瓶颈有多难？

来源：中国气象报 发布时间：2013年06月25日

　　中国气象报记者顾艳杰 刘成成 郭起豪

　　曾经在网上流行一个句式：我再不相信……

　　当时最流行的两句话是“我再不相信爱情了”和“我再也不相信天气预报了”。第一句话并没有使我们逃避爱情，第二句话也没有让我们放弃天气预报。

　　可以说这是一个“天有不测风云”与“天有可测风云”并存的年代，在这个年代，大家一面抱怨预报不准，一面又越来越依赖它。

　　有这么一句话：“天气预报就是八分把握加两分冒险，等于十分精彩或者十分可笑。”那八分把握从何说起？两分冒险又源于什么？

　　大气神秘面纱难揭开

　　一只在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龙卷风。这是大家所熟知的“蝴蝶效应”，是关于混沌学的一个比喻，最初由美国气象学家爱德华·罗伦兹提出。

　　“大气运动本身是复杂多变的。混沌现象就是当人们从大气运动的初始状态出发计算未来大气状况时，初始状态微小差异会使后来的演变结果大相径庭。这种现象可以称之为大气的内在随机性。”中国科学院院士叶笃正解释道。内在随机性使得人们对于未来大气运动的描述不可能做到精雕细刻。

　　“天气气候预测不确定性的最基本原因是系统的混沌行为。混沌意味着，差异极小的两个初始场可以发展成大相径庭的状态。天气预测中初始状态来自观测，总是会有某些误差，哪怕是很小的误差。” 中国科学院大气物理研究所研究员周家斌持相同意见。

　　除了自身的随机性，大气运动受到各种因素的外在干扰，如城市热岛、温室效应以及错综复杂的地形地貌特征。这些都是影响大气运动的外在随机性，成为“无数扇动的蝴蝶翅膀”。“开始是失之毫厘，后面就是差之千里。内在和外在随机性同时影响预报的精度，当然预报的难度就增大了很多。”周家斌介绍说。

　　在随机性的多重影响下，预测结果往往不是也不应该是单一的值，而是一系列结果的集合或分布。理论上的某种“最佳”结果或者是概率最大结果，并不表示未来状态一定如此。应用任何一种预测结果，都是要担风险的。“这是因为大气运动包含着各种尺度的运动，同时各种运动间相互作用。人们对大气的认识是不断加深的，也是永无止境的。”北京中心气象台首席预报员孙继松感慨道。

　　天气气候预测水平近年来已有很大提高，但预测总还有一定的不确定性。这种不确定性一部分原因是大气运动的混沌多变，另一个原因是人们对于天气气候系统及其影响因子的认识不够全面。

　　“天气变化涉及到复杂的物理、化学和生态过程，而目前人们对这些过程的了解还很不深入，又难以全用数学物理方法加以描述。目前人们使用的数学物理方程，还难以全面反映大气运动的规律。”叶笃正说。

　　正是由于人们还难以完全掌握大气运动的发展规律，在用来描述大气运动的方程中，也存在一定的不确定性。

　　天气预报技术还很年轻

　　在科技还未发达的古代，人们通过观察天象、寻找规律，有了诸多预测天气的经验，至今已有几千年的历史。但是，建立在现代科学基础上的天气预报只有百余年的历史，特别是以数值预报为代表的现代天气预测方法的建立只有几十年时间。“在短暂的时间里，人们对于很多天气现象发生、演变的内在机理和规律并未完全掌握。今后需要加大科研力度。”西藏自治区气象台台长假拉告诉记者。

　　中国工程院院士李泽椿认为：“探讨预报准确率可以围绕数值预报展开。因为天气预报的核心工具就是数值天气预报。”如今的天气预报技术已由单一的天气图经验预报转变为以数值预报产品为基础、多种观测资料综合应用的现代技术。

　　周家斌说：“翻看数值预报的发展历史，你会发现一个规律——依靠科学家的创新，每一次方程的改变都会带来预报准确率的提升。”

　　数值天气预报是以气象观测资料为初值条件，通过巨型计算机进行数值计算，再用流体力学和热力学的方程组进行求解，进而预测未来一定时段的大气运动状态。“我们对大气运动中的规律尚未全然知晓，设计的任何方程只能求近似值。初始的观测数据除了不完全准确外，还有不完整的问题，例如青藏高原的观测资料很少。”李泽椿打了这样的比方：将数值预报计算网格缩小一半，即对更小尺度进行运算，计算量约增加16倍。但在运算中，一些类似于地形等的信息依然难以充分表达，大气运动的物理过程细节不能很好表现，必须依靠天气预报员再次订正。所以说数值预报并不是万能的。

　　“数值预报的应用与发展带动了天气预报准确率的大幅提升，然而我国数值预报产品对国外依赖性大。所以与世界先进水平相比，我国天气预报准确率还是有差距的。” 中国气象科学研究院副院长赵平说。

　　降水预报一直是预报技术的薄弱项目。即使天气预报员准确捕捉到一轮降水过程，但某些地区还是可能会出现漏报或空报的情况。中央气象台首席预报员马学款说，这是因为大气系统里的降水是不均匀的。他把降水过程比喻成一盆往外泼的水，通常泼出去的水都是不均匀地落在地面上，会有被淋湿的地方，也会有没被淋到的地方，实际的落区也会与预计的落区有所差异。这就是出现大范围降水过程中局地可能会出现漏报与空报的原因。预报员想判断哪几个点是最大的落水点，会难上加难。

　　马学款说：“预报员不能做数值预报的奴隶，要在数值预报基础上做加法。”

　　天气预报是世界难题

　　每年春末夏初是美国龙卷风集中暴发期，前不久接连出现的龙卷风造成多人死亡，所到之处满目疮痍。目前，美国对龙卷风平均提前13分钟发出预警，如果能够提前20分钟预报，便是很难得的。若想达到提前24小时发出龙卷风预警，还有很长的一段路要走。

　　世界各地由于气候条件、地理位置、地形地貌等种种差异，天气预报的难易程度是不同的。“我国属于季风气候地区，冬季、夏季季节明显，出现极端性天气的可能性大。与美国相比，在预报降水上，我国的难度要大，我国的暴雨预报准确率比美国要低5%左右；但是从预报龙卷风来看，美国的难度要大。”中央气象台台长毕宝贵举例告诉记者，各国预报的“国情”是不同的。

　　北京大学物理学院大气与海洋科学系教授张庆红为记者提供了一组有关2012年台风路径准确率的对比图。可以清晰地看到，美国是2012年预报台风路径准确率最高的国家，中国与美国相差不多，比日本要高很多。

　　“天气预报看似简单，实际是一个浩大的系统工程。每个环节都存在某些不确定性，不可能每一次的预报结果都与实际一致。提高天气预报的准确率，现在仍是一个世界性的难题。”毕宝贵说。

　　“未来天气预报准确率达到100%是不现实的。”中国科学院大气物理研究所研究员段安民坦言。

　　“我认为不能简单回答预报准确率是多少。”李泽椿提出自己的观点，“我们做预报追求的是三个方面，一是准确，二是及时，三是应用好预报。我国在提供专业气象服务、做好重大天气过程和重大活动气象保障服务等方面有着自己的特色，下了很多工夫，这是国外所不及的。我们所有预报都是着眼于满足群众的需要，满足经济发展的需要，这非常重要。”

　　“预报后的跟踪服务很重要，可以弥补预报的缺憾。”赵平说。

　　“为使天气气候预测成为有效的决策基础，一方面必须加强对天气和气候系统本身的研究，使得预测所赖以进行的理论基础更加完善。另一方面则需要气象台和用户进行协作，对各种可能的天气气候变化的风险及其应对措施进行评估，针对不同用户做出不同的预测报告。”叶笃正对未来的天气气候预测体系提出了自己的设想。

　　大气神秘不可测，人们对大气运动机理的认识有限；数值预报还很年轻；观测网络还做不到“疏而不漏”；预报员水平有差异……这些都会造成天气预报不准确。其中，技术始终是制约天气预报准确率提高的瓶颈。人类需要不断用先进的技术擦亮双眼，揭开大气的面纱，一探其真面目。

　　（责任编辑：苏杰西）