预报天气,想说爱你不容易

发布时间: 2019-08-09 08:45:41 来源: 新浪科技综合 栏目: 科技新闻 点击: 83

天气预报的流程是什么样的?为什么总是报不准?让我们走进大气科学研究人员的工作,看看他们如何解开天气的秘密。

来源:中科院之声

一天,某气象行业工作者发了条微博“看电影发现自己突然变成了无业游民”,同行们纷纷表示“扎心”。一直以来,拿天气预报开玩笑,责怪天气预报不准确都是个世界性的现象。“很多人都说假话,只有气象员想说真话却说不准”。

天气预报的流程是什么样的?为什么总是报不准?让我们走进大气科学研究人员的工作,看看他们如何解开天气的秘密。

天气预报:用数学算天气变化

天气预报:用数学算天气变化

用一句话概括天气预报的核心就是求解一组非常复杂的非线性大气动力方程,这套方程组是研究大气的一切运动和现象的基础。大气是一种运动的流体,其运动符合牛顿运动定律,质量守恒定律,热力学定律等等物理定律。

因此天气预报的核心是物理,数学和计算机,物理知识是正确认识大气运动的基础,数学是求解大气动力方程组的工具,计算机是实现数学计算的载体。本质上,天气预报是大量搜集气象数据,比如气温,气压,空气湿度,风速,风向等,用这些数据带入方程中求解,最后算出的答案就是未来的天气。

那么,如何收集大量气象数据呢?首先是自动气象站,它可以自动完成观测与数据的传输,不需要人操作。到2018年底,我国已经拥有了6万多个自动气象站,覆盖95.6%的乡镇。数量,密度达到世界第一的位置。

除了地面的自动气象站,我们在太空也安插着观测地球大气变化的眼睛。这就是气象卫星。2016年我国发射的风云四号静止卫星,不仅平面上覆盖区域广,拍摄非常清晰,还可以同时对大气的垂直方向做一个CT,对不同层级进行扫描。其连续、稳定运行将大幅提升我国静止轨道气象卫星探测水平。

微信更换的来自风云四号拍摄的新启动图,在此之前一直都使用美国在全世界范围公开的第一张完整的地球照片。

微信更换的来自风云四号拍摄的新启动图,在此之前一直都使用美国在全世界范围公开的第一张完整的地球照片。

气象数据收集到之后,就进入到天气预报的关键环节——计算。不知道各位读者在学生时代是否有过被解方程组支配的阴影。下面简单列举了一个大气运动方程,我们获取的气象数据越详细,需要参与的变量就越多,对计算的要求就越高,其实就是方程套方程的过程。因此计算出一个天气预报的结果是非常难的。难到什么程度呢?如果以现在我们得到的天气预报的标准来看的话,至少需要一百个人算半个月才能得到明天的天气是什么样子。很显然,半个月后得到的结果也没什么意义了。

但幸运的是,现在超级计算机发展得够强大,可以很快计算出结果,这才使我们的天气预报变成可能。气象系统一直使用着我们国家最先进的一批高性能计算机。目前我国气象局高性能计算机系统总规模已经达到世界第三,仅次于英国和日本。英国和日本国土面积比较小,计算量级相对较小,而我国有960万平方公里,因此达到这个成绩是很不容易的。

目前,我国的晴雨预报准确率达87%以上。大家平时通过收集,互联网等各种方式获得的72小时内天气预报信息的准确率是很高的。包括前面提到的气象卫星,我们已经开始引领世界上的其他国家。但是有人会说,你们的预报依然有13%的不准。这是因为观测数据有误差,数学建模与真实大气以及地面有误差,这些误差在计算期间不断叠加,时间长了就会使最终结果与实际天气有差别。

提高预报准确率:大气所一直在努力

到这里我们就不得不提到FGOALS-f2!

FGOALS-f2系统是一套结合了天气预报、中长期(延伸期)预报和气候预测的无缝隙集合预报系统。该系统由大气所LASG国家重点实验室吴国雄院士和包庆研究员领衔的模式发展和应用团队于2017年初完成,经过2年多的测试于2019年7月1日正式上线投入业务应用。

FGOALS-f3-L气候系统模式,于2019年5月完成并发布了第六次国际耦合模式比较计划中的大气模式比较计划(AMIP)和全球季风模式比较计划(GMMIP)的数据,对应的数据描述和使用说明已被SCI期刊《Advances in Atmospheric Sciences》接收并出版。背景图片从左到右分别为该模式能够提供较好的部分气象要素的预报:台风、云、降水和海冰。详细内容,请点击“阅读原文”。

FGOALS-f3-L气候系统模式,于2019年5月完成并发布了第六次国际耦合模式比较计划中的大气模式比较计划(AMIP)和全球季风模式比较计划(GMMIP)的数据,对应的数据描述和使用说明已被SCI期刊《Advances in Atmospheric Sciences》接收并出版。背景图片从左到右分别为该模式能够提供较好的部分气象要素的预报:台风、云、降水和海冰。详细内容,请点击“阅读原文”。

FGOALS-f2模式采用与美国下一代天气预报模式一致的FV3动力内核和自主研发的RCP显式对流降水方案,运行速度快,计算成本低,性价比高,延伸期预报可以获得高达80个集合成员。通过大量集合样本预测,大大降低了预测的不确定性。

FGOALS-f2系统以中国地区的无缝隙预报为核心,提供完全动力的天气-气候无缝隙预测结果,预测时效包括:天气-延伸期预报(1天-60天)和季节预报(1个月~6个月)两套产品;并且建立覆盖全球及重点区区域天气气候,包括青藏高原、“一带一路”沿线国家地区和北极等。其中天气-延伸期预报又涵盖了全球/中国降水量、全球/中国最高最低气温、全球/西北太平洋热带气旋(台风/飓风)活动、ENSO、北极海冰、MJO、青藏高原及周边地区天气-气候状况(降水、最高温度、最低温度)、“一带一路”国家地区天气-气候预测(最高温、最低温)等多尺度、多方面的预报预测内容。

与传统预报相比,FGOALS-f2系统面向国家重大需求,立足中国,覆盖全球,积极面向国家可持续发展、“一带一路”、“经略南海”、北极资源开发等国家重大需求和战略。

同时,FGOALS-f2还可以服务气象防灾减灾。FGOALS-f2在延伸期和季节预报时间尺度上,更加关注热带气旋(台风/飓风)、洪涝、干旱和极端降水等极端天气-气候事件。本预测团队与我国气象、海洋、水利等业务部门开展紧密合作,实时共享预测结果,为我国防灾减灾提供有效的预报预测服务。

台风预测

台风预测

此外,FGOALS-f2还包括了重要气候影响因子(如厄尔尼诺和南方涛动(ENSO))、热带季节内振荡(MJO)和北极海冰等)的实时预报预测系统,支撑前沿科学研究。本系统建立了过去30年天气-延伸期、短期气候预测回算大数据库,可为天气-延伸期天气-气候预测的理论和技术研究提供支撑。

FGOALS-f2还可以提供中长期预报(climate service),服务于个人、企业及各级政府制定计划。FGOALS-f2还进行未来6个月的季节预测,通过多种新媒体平台向社会发布预测结果,为其他科研单位及公众提供多元化的中长期预报信息。

我国幅员辽阔,是天气灾害种类最多,表现最剧烈的国家之一。在地形比较复杂的地区,或者强对流天气多发季节(如夏季),在一个范围很小的区域中天气也常常会迥然不同。而天气预报特别是面对全国性天气的时候,不得不“从大局出发”,描述大范围的特点,会遗漏一些局地特殊性的天气现象。而且对于越是小范围的局地天气,预报起来的困难就越大,因为受到了观测精度和模式计算精度的限制,目前无法预报那么纷繁复杂的天气变化。天气总是“东边日出西边雨”,导致了气象行业工作者总是“道是无晴却有晴”。虽然他们也很无奈,但是相信他们会通过自己的努力不断提高天气预报的准确率,为公众生活提供更好的帮助。

深入了解FGOALS-f天气-气候动力集合预报预测系统请点击“阅读原文”;相关数据已经在地球系统国际数据联盟(ESGF)数据平台上发布以供下载(https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/),相对应的数据描述和使用说明已被 Advances in Atmospheric Sciences 接收并出版,文章链接:

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

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