模型推演、智能網(wǎng)格預(yù)測、氣象衛(wèi)星幫忙…… 更精準的天氣預(yù)報是這樣得出的
◎?qū)嵙曈浾?都 芃
幾場秋雨下過,全國多地陸續(xù)進入了秋高氣爽的金秋時節(jié),如今正是外出郊游、登高賞秋的絕佳時期。
秋季雖然氣候宜人,卻也暗藏變數(shù),一場大風便可以讓氣溫“一秒入冬”。出行前,打開手機中的天氣預(yù)報軟件查看一下天氣,已經(jīng)成為人們出行前的必備環(huán)節(jié)。只需輕輕滑動頁面,近至隨后幾個小時、遠至十余天后的天氣狀況,都盡在掌握。
在這些人們能看到的氣溫、降水量、風力等天氣數(shù)據(jù)背后,還有人們看不到的氣象“黑科技”。這些不斷發(fā)展的氣象科技手段,正在悄悄地改變著天氣預(yù)報。
把氣象數(shù)據(jù)放進“榨汁機”里
在天氣預(yù)報領(lǐng)域,有一個看似是常識,但卻很容易被大眾忽視的事情:天氣預(yù)報雖然是對未來天氣的預(yù)報,但預(yù)報的基礎(chǔ)是監(jiān)測當下的天氣。
國家氣象中心天氣預(yù)報技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇告訴科技日報記者,所有對于未來天氣的預(yù)測都要從當下的天氣情況出發(fā),準確收集當下的天氣數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報工作的第一步。收集數(shù)據(jù)需要依賴各類氣象觀測設(shè)施,比如人們在公園、草坪等戶外場所經(jīng)常能看到的百葉箱,就是最常見的地面氣象觀測設(shè)施之一——自動氣象站。要想天氣預(yù)報準確,氣象觀測設(shè)施就要布置得足夠密集。
曹勇告訴記者,僅北京便大約分布了500個自動氣象站,收集來自城市各個角落的風速、風向、空氣濕度等氣象信息。除了常見的自動氣象站,氣象觀測設(shè)施還有放飛的探空氣球、飛翔在我們頭頂上空的氣象衛(wèi)星以及部署在眾多城市的天氣雷達等。
有了原始的氣象觀測數(shù)據(jù),如何利用這些數(shù)據(jù)得出預(yù)測結(jié)果,是天氣預(yù)報中的關(guān)鍵問題。
“很早以前,我們用的是外推法,就是根據(jù)氣象演變在短時間內(nèi)具有一定連續(xù)性的原則,通過把當前的天氣趨勢外延一段時間,進而得出預(yù)報結(jié)果?!辈苡卤硎荆馔品ǖ念A(yù)報精準度往往較為有限,如今要實現(xiàn)更加精確的天氣預(yù)報就要依賴超級計算機和預(yù)報模型。
“原始的氣象數(shù)據(jù)就像是原材料,超級計算機和預(yù)報模型就像是‘榨汁機’。我們把原材料全都投入到‘榨汁機’中,經(jīng)過大量的計算去偽存真、去粗存精。在經(jīng)過精準推演后,我們就能得到一個相對精確的預(yù)報結(jié)果?!钡苡乱脖硎?,即使是超級計算機也存在一定的誤差,這時就需要發(fā)揮預(yù)報員的關(guān)鍵性作用。他們會依據(jù)長期以來積累的預(yù)報經(jīng)驗對輸出結(jié)果進行調(diào)整,從而使天氣預(yù)報更加精準。
百米級、分鐘級預(yù)報成為現(xiàn)實
在2022年北京冬奧會延慶賽區(qū)開賽的第一天,比賽還未正式開始,天氣預(yù)報服務(wù)團隊就面臨了一次考驗——判斷現(xiàn)場風速是否適宜比賽。經(jīng)過謹慎研判,該團隊最終對未來天氣給出了判斷:當天中午到下午賽道上的風速較大,第二天風速會明顯減小。工作人員基于這一信息,決定將當日的比賽調(diào)到次日舉行。事后觀測表明,當天下午的天氣情況果然與預(yù)報結(jié)果一致。
曹勇告訴記者,目前我國能夠?qū)崿F(xiàn)的氣象預(yù)報精度在部分地區(qū)可以達到公里級甚至百米級,而在時間尺度上則可以實現(xiàn)分鐘級預(yù)測。
“比如,在2022年北京冬奧會舉辦期間,我們的氣象預(yù)報團隊可以準確給出賽場范圍內(nèi)精確到分鐘級的,涵蓋氣溫、濕度、風速等關(guān)鍵信息的天氣預(yù)報?!辈苡卤硎?,要實現(xiàn)如此高精度的氣象預(yù)報,首先就要在監(jiān)測上下功夫:要提升監(jiān)測密度、進行加密監(jiān)測。這是精細預(yù)報的基礎(chǔ),2022年北京冬奧會的三個賽區(qū)就布置了400多套氣象觀測設(shè)施。
要實現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報,不僅數(shù)據(jù)要更加豐富、準確,用來進行計算預(yù)測的“榨汁機”也要足夠“高精尖”。
“如果我們希望對某一個局部地區(qū)進行高精度的天氣預(yù)報,那么我們就可以針對這一區(qū)域的實際情況,單獨搭建一個更加精密且貼合區(qū)域?qū)嶋H特點的預(yù)測模型,這樣就會得出更加準確的結(jié)果。當然,這需要氣象觀測團隊、預(yù)報團隊以及研發(fā)團隊之間的密切合作?!辈苡卤硎?。
高精度的天氣預(yù)測,絕不是重大賽事活動的專屬,它也在逐步走進你我的日常生活。智能網(wǎng)格預(yù)報,就是這樣的產(chǎn)品。
曹勇介紹,過去的天氣預(yù)報產(chǎn)品主要以站點預(yù)報為主,比如北京市的天氣情況就只用幾個站點的天氣來代表,這對于地域范圍較大的城市來說顯然不全面。“有時候可能海淀區(qū)在下雨,朝陽區(qū)卻沒下。如果僅用幾個站點來代表整個北京的天氣情況,大家就會覺得我們的預(yù)報不準?!辈苡抡f。
他進一步解釋道,智能網(wǎng)格預(yù)報是將城市劃分為一個個更加細密的網(wǎng)格,每個網(wǎng)格都有單獨的天氣預(yù)報結(jié)果。當人們攜帶智能手機進入到不同網(wǎng)格時,手機便會接收到關(guān)于這一網(wǎng)格內(nèi)的天氣情況,其預(yù)測精度相比過去的站點預(yù)報得到了較大程度的提升。
每部手機都是一個微型氣象站
從過去守在電視機前觀看天氣預(yù)報節(jié)目,到如今在手機上隨時隨地查看任一時間的天氣狀況,天氣預(yù)報技術(shù)每一次的進步背后,都離不開多種“硬核”觀測科技手段的有力支撐。
曹勇表示,近年來我國的氣象觀測技術(shù)有了顯著提升,比如在2016年發(fā)射的風云四號氣象衛(wèi)星就大大提升了我國的氣象觀測能力。風云四號衛(wèi)星目前共有A星、B星兩顆星在軌運行,曹勇介紹道,風云四號B星的觀測分辨率已經(jīng)可以達到百米級,它甚至能夠“看”清楚云層中的對流泡。
不僅觀測分辨率大幅提升,過去風云二號衛(wèi)星傳回一張衛(wèi)星云圖需要半個小時,如今的風云四號A星則只需要5分鐘,甚至在觀測重點局部地區(qū)時可以實現(xiàn)1分鐘傳回一張圖。
“借助風云四號,我們可以密集獲得衛(wèi)星云圖,將這些圖片連起來看,就像是看高幀率的電影,非常流暢。”曹勇表示,目前我國的氣象衛(wèi)星已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平,進入與該領(lǐng)域領(lǐng)先國家“并跑”的階段。
不僅氣象衛(wèi)星技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展,我國的天氣雷達也正在進行全新的技術(shù)升級改造。天氣雷達通過發(fā)射電磁波照射大氣中的水粒子,能夠?qū)崿F(xiàn)對雷暴、大風、冰雹等強對流天氣的精準預(yù)測。
曹勇介紹,目前我國已部署了200余部天氣雷達,單部雷達的有效觀測半徑能夠達到200多公里,在我國人口密集的中東部地區(qū)已基本實現(xiàn)無死角覆蓋。當前,氣象部門正在對現(xiàn)有的天氣雷達進行雙偏振改造,經(jīng)過改造的雙偏振天氣雷達,能夠更加準確地描述降水粒子的尺寸和形狀、降水類型及分布情況,更好地識別氣象回波,濾除異?;夭?,將有效提高對雷暴大風、暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警能力。
除了這些“硬核”的觀測手段,曹勇還提到,如今氣象觀測中還出現(xiàn)了一個新分支——社會化氣象觀測。
“每個人的手機中都有可測量氣壓、溫濕度的設(shè)備,每部手機就相當于一個微型氣象站,可以用來收集氣象數(shù)據(jù)?!辈苡抡J為,雖然手機收集的數(shù)據(jù)可能相對“粗糙”,但其優(yōu)勢在于量大。未來隨著機器學習、人工智能等技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到氣象預(yù)測中,社會化氣象觀測所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù),或許能成為預(yù)測模型數(shù)據(jù)來源的有力補充,為實現(xiàn)更加智能化、精準化的天氣預(yù)報提供有效支撐。
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算法、預(yù)測過程不同造成天氣App預(yù)報差異
當我們打開手機上的天氣預(yù)報軟件(App)時,可能會發(fā)現(xiàn),即使是在同一地區(qū)、同一時段,不同天氣預(yù)報軟件查看到的天氣預(yù)報結(jié)果也不盡相同,那這是為什么呢?
對此,國家氣象中心天氣預(yù)報技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇表示,其主要原因在于,不同天氣預(yù)報軟件的信息獲取平臺不一致。
“不同天氣預(yù)報平臺所使用的算法、預(yù)測過程等都不一致,比如有的軟件用的是國外預(yù)報平臺對我國地區(qū)進行天氣預(yù)測的結(jié)果,這可能就和國內(nèi)的天氣預(yù)報結(jié)果有差異?!辈苡陆ㄗh道,我國公眾最好以中央氣象臺以及各省市氣象臺發(fā)布的天氣預(yù)報結(jié)果為準,“這些氣象臺代表了我國天氣預(yù)報的最高水平,能夠提供最權(quán)威、可靠的氣象參考”。
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