氣象是一門科學，監測精密是基礎，預報精準是核心，服務精細是目標。今天就和大家聊聊天氣預報的前世今生！（對氣象監測有興趣的同志，請移步：氣象監測，有多精密！）

 

天氣預報一直深受人們的關注，深刻影響著人類的生產生活。天氣預報從最初的玄學，純粹依靠生活經驗判斷，到後來傳統天氣圖的誕生，天氣預報開始變為應用科學，再到現在的數值天氣預報，預報準確率大幅提升，天氣預報經歷了從玄學到科學的演變歷程：

一、早期天氣預報的發展

三千年前，我國甲骨文中，就有了關於天氣實況的記錄，包括風、雲、虹、雨、雪、霜、霞、龍捲、雷暴等。古代人受變幻莫測的天氣影響很大，氣象往往與占卜、求雨等迷行活動有關，屬於玄學。

 

幾千年來，水手、漁民、農民和獵人們通過看雲、辨風、識天象來預測天氣，探索天氣預報。我國早在2000多年前就總結出了二十四節氣，主要指導農事生產、祭祀活動等。流傳至今的天氣諺語也能反映早期人們對天氣預報的關注，例如「朝霞不出門，晚霞行千里」，「天上鉤鉤雲，地上雨淋淋」。《三國演義》中諸葛亮借東風火燒曹軍戰船和大霧天草船借箭的故事，就是短期天氣預報在軍事中的應用。

 

天氣預報的發展離不開定量的觀測，隨著古代科技的發展，各類天氣監測儀器不斷湧現，其中包括伽利略及其弟子發明的溫度計和雨量器、托裡拆利發明的氣壓計，考特發明的溼度計等。

隨著氣象儀器的發明和氣象觀測網的建立，以及流體動力學理論的發展，天氣預報逐漸嚮應用科學的方向轉變。

二、現代天氣預報的誕生

電報的發明，為各地氣象觀測資料的迅速傳遞和資訊集中提供了條件，使繪製實時的天氣圖成為可能。天氣圖的誕生，則是現代天氣預報誕生的標誌。

 

這就是中國人1915 年製作的第一張天氣圖。這張圖的到來與西方相比，已經整整晚了一百年。

關於戰爭驅動天氣預報發展的故事已經耳熟能詳了，第一次世界大戰時，當時處在氣象絕對領軍地位的英國政府停止向挪威政府提供氣象資料，挪威政府從僅有的8處觀測站開始，從氣象監測、氣象人才、理論研究等方向發力，成就了隨後鼎鼎大名的挪威學派。翻開現在的任何一本《天氣學原理》書籍，環流理論、氣旋結構、氣旋生命史、冷暖鋒、氣團等等均出自挪威學派，而皮葉克尼斯則是挪威學派的核心人物。他們為天氣預報做出了卓越的貢獻。看看今天的中國，技術封鎖也可以變成發展自我的最好機會。

依靠天氣學理論和預報員經驗，手工繪製、分析天氣圖，再製作天氣預報的時代伴隨著廣播、電視、報紙等媒體的傳播迎來了大發展。目前大多數的預報員都經歷過這一階段，他們分析、會商、預報，短期天氣還有預報成功的可能，面對中長期天氣預報則束手無策。而隨後數值天氣預報的降臨則為預報員們配備了最最黑科技的武器，他們開始在天氣預報中笑傲四方。依靠數值天氣預報，目前氣象業務能做到無縫隙天氣預報：短時（0-幾小時）、短期（1-3天）、中期（4-9天）和延伸期（10-30天）。

三、數值天氣預報的降臨

數值天氣預報就是給定初始和邊界條件，通過數值方法求解大氣運動方程組，從而由已知初始時刻的大氣狀態預報未來時刻的大氣狀態。

1904年皮葉克尼斯提出數值預報的思想，1916年至1918年理查森進行數值預報嘗試，要知道當時還沒有計算機，理查森設計了計算機工廠，要求六萬四千人在工廠裡同時計算，當然以失敗告終。

 

之後又經過了像羅斯貝、查理、馮諾依曼等一眾氣象大佬驚世駭俗的操作，1954年第一次數值天氣預報（NWP）在瑞典斯德哥爾摩出現，實際業務中仍然不可用。期間又經歷了氣象衛星的迅猛發展，80年代歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）開始每天製作全球預報，之後的幾十年EC將帶領全世界數值天氣預報中心不斷前進。

 

EC首創四維變分（4D-Var）資料同化方法的業務執行是全球業務數值天氣預報中的里程碑。之後的幾十年，得益於四維變分資料同化的不斷優化，以及氣象衛星觀測、超算裝置等的發展，天氣預報的有效預報天數平均每十年提高大約一天。1999年之後北半球和南半球曲線的收斂是由於使用變分方法處理衛星資料帶來的突破。

 

集合預報的業務執行也是數值天氣預報發展史上濃墨重彩的一筆。大家都知道「蝴蝶效應」，即一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩週以後引起美國得克薩斯州的一場龍捲風。氣象學家洛倫茲1963年便指出了天氣系統屬於混沌系統，一個微小的誤差隨著時間的推移會造成巨大的差別，即初始條件的誤差使得天氣預報越往後越不準。

 

集合預報則很好的彌補了天氣系統的混沌特性。既然無法得到真實的初始值，那就用很多個擾動初始值進行模擬，得到很多個不同的預報，有些成員可能還會出現南轅北轍的預報結果。但集合預報得到的概率預報恰恰給天氣預報使用者提供了重要且科學的資訊。

目前全球數值天氣預報處在一超多強的態勢，EC則是當之無愧的老大。

世界數值天氣預報水平大致可分為三大陣營

第一陣營：歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）

第二陣營：英國氣象局（UKMO）、美國國家環境預報中心（NCEP）、日本氣象局（JMA）、加拿大環境署（CMC）、法國氣象局（Meteo France）、德國氣象局（DWD）

第三陣營：中國（CMA）、巴西（CPTEC）、澳大利亞（CAWCR）、韓國（KMA）

四、未來天氣預報的趨勢

隨著高效能運算、觀測系統和氣象理論科學的持續發展，未來的天氣預報發展路徑包括但不限於：

1、發展耦合大氣-陸地-海洋-海冰的地球系統模式；時間空間解析度不斷提高，全球公里級數值天氣預報將成為可能；天氣-氣候一體化模式也將逐漸成為主流。當然這些看似路徑明確的發展方向，仍然面臨著極大的挑戰，包括物理過程引數化、雲輻射過程、集合方法以及各種氣象理論的突破。

 

2、人工智慧在天氣預報中的應用。天氣預報和人工智慧有著天然耦合的關係。人工智慧出色的巨量資料處理能力成為助力天氣進一步精準預報的重要工具。國外已實現基於深度神經網路和氣象衛星觀測資料的資料同化演演算法研發，在一定的準確率容忍範圍內，與傳統方法相比，人工智慧方法的計算效率可大幅提高。近年來，歐洲中期天氣預報中心較為全面地評估了人工智慧技術在天氣預報數值模式中各個技術環節的應用潛力，對人工智慧的應用給出樂觀的預期，並已在部分環節如物理過程引數化中開展技術試驗。

 

 

 

參考文獻：

1、北京大學 錢維宏教授 《天氣預報發展歷程》

2、歐洲中期天氣預報中心 www.ecmwf.int

3、【預報天氣，人工智慧比人類更擅長？】，科技日報 http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/202007/t20200730_559576.html

4、【The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction】數值天氣預報的寂靜革命 http://www.nature.com/nature/journal/v525/n7567/full/nature14956.html