氣象萬千 盡收“眼”底(開卷知新)
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)——
氣象萬千 盡收“眼”底(開卷知新)
曾慶存 胡 非
北京冬奧會日前圓滿落下帷幕。當(dāng)人們還在回味這屆簡約、安全、精彩的體育盛會時,北京冬殘奧會即將開幕。賽場上,冰雪健兒不斷超越自我;賽場外,各個方面的工作人員辛勤付出,保障賽事順利進(jìn)行。這其中,就包括精確全面的天氣預(yù)報(bào)。
相比夏季奧運(yùn)會,冬季奧運(yùn)會有更多的比賽項(xiàng)目在戶外舉行,所以受天氣影響更大。降雪、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度等氣象要素,與賽程安排、比賽成績特別是運(yùn)動員的生命安全密切相關(guān)。比如比賽期間氣溫以-12°C—2°C為宜,風(fēng)力不超過2—3級為宜,能見度大于2公里為最佳。不同比賽項(xiàng)目對氣象條件要求也不同,如高山滑雪要求5分鐘平均風(fēng)速小于10米/秒,而跳臺滑雪則要求瞬時風(fēng)速小于3米/秒。此外,北京冬奧會是首次在大陸性季風(fēng)氣候條件下舉辦的冬奧會,特別是山地環(huán)境更要面臨“一天變四季”“十里不同天”的復(fù)雜情況。在此前歷屆冬奧會中,有19屆曾因?yàn)闅庀髼l件不達(dá)標(biāo)而推遲、延期甚至取消相關(guān)比賽項(xiàng)目。
冬奧會氣象保障,特別是精細(xì)化的局地天氣預(yù)報(bào)極具挑戰(zhàn)性。北京冬奧會做到了“百米級、分鐘級”預(yù)報(bào):空間覆蓋冬奧賽區(qū)百米網(wǎng)格,每隔10分鐘更新。比如高山滑雪賽道區(qū)域橫跨2.5公里,起終點(diǎn)直線距離約2.25公里,海拔落差近1000米,預(yù)報(bào)員需對這個范圍內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度進(jìn)行非常精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)服務(wù)。北京冬奧會期間,經(jīng)歷了晴天、下雪、大風(fēng)等不同天氣。例如2月6日,原定于11時開始的高山滑雪男子滑降比賽就在天氣預(yù)報(bào)的引導(dǎo)下多次推遲,延期至7日12時。精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)保障了比賽的安全進(jìn)行。
在我國氣象科技人員努力下,冬奧會氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確可靠,獲得國際奧委會和運(yùn)動員高度認(rèn)可。不僅是冬奧會的精細(xì)化天氣預(yù)報(bào),近些年來我國天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不斷提升,這都離不開數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這一技術(shù)。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào),讓天氣預(yù)報(bào)定量、客觀、快速
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際情況,在一定的初始和邊界條件下,通過大型高速計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算,求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組,以此預(yù)測未來一定時段的大氣運(yùn)動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。這一方法將描寫大氣運(yùn)動的數(shù)學(xué)物理方程組、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)和人類經(jīng)驗(yàn)融在一起形成合力,實(shí)現(xiàn)“1+1+1>3”的效果。如今,應(yīng)用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù),天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)可從初始時刻起,預(yù)報(bào)未來最長達(dá)7天的天氣(即中期天氣預(yù)報(bào))。
過去人們觀天,目見風(fēng)起云涌、云收雨散,積累一定經(jīng)驗(yàn)后,可知道一地某些天氣變化規(guī)律,從而進(jìn)行預(yù)測。自古以來,就有“朝霞不出門,晚霞行千里”等諺語。最著名的例子,《三國演義》中諸葛亮巧借東風(fēng),其實(shí)就利用了長江中下游地區(qū)冬季也有可能刮東風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)。及至上世紀(jì),人們發(fā)明并應(yīng)用氣象儀器定量測量大氣狀態(tài)變量,匯總各地氣象觀測數(shù)據(jù)繪成天氣圖,掌握天氣的三維空間結(jié)構(gòu)。由此,人們發(fā)現(xiàn)了天氣系統(tǒng),并可以預(yù)報(bào)天氣系統(tǒng)的移動和強(qiáng)度變化。這是上世紀(jì)80年代以前的主要方法,弊端是較為依賴預(yù)報(bào)員個人經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷。
和經(jīng)驗(yàn)氣象預(yù)報(bào)相比,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有定量、客觀、快速的優(yōu)勢,是一次巨大飛躍。方程、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)是其三大要素。正如牛頓用數(shù)學(xué)模型將物理現(xiàn)象上升為科學(xué)理論,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)用流體力學(xué)的數(shù)學(xué)物理方程定量預(yù)測天氣,比耳目所感、經(jīng)驗(yàn)積累更準(zhǔn)確、更具規(guī)律性。不過,相關(guān)方程非常復(fù)雜,計(jì)算量巨大,需要使用計(jì)算機(jī)才能快速預(yù)測天氣。比如暴雨將至,若是人工計(jì)算,可能還沒算出結(jié)果雨就停了。所以,各國大多將超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào),將此作為考核其計(jì)算能力的重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)來源主要是氣象監(jiān)測系統(tǒng),除臺站觀測數(shù)據(jù)外,現(xiàn)今主要是氣象衛(wèi)星和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù),數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要將這些數(shù)據(jù)匯集在一起作為初始條件。在特定地區(qū)還得考慮該地區(qū)的邊界條件,尤其是地形、地面情況。比如預(yù)報(bào)某河流附近天氣,就得考慮地形甚至融入上游數(shù)據(jù),在沿海地區(qū)還得考慮海洋的影響。如廣東省數(shù)值預(yù)報(bào)中心利用高分辨臺風(fēng)數(shù)值模式和風(fēng)云衛(wèi)星實(shí)時跟蹤觀測等先進(jìn)技術(shù),提前5—6天準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出2021年第22號超強(qiáng)臺風(fēng)“雷伊”的“西行—北翹—東折”復(fù)雜移動路徑,為災(zāi)害天氣下的社會安全保障提供有力科學(xué)支撐。
隨著社會發(fā)展,人們對天氣預(yù)報(bào)的要求越來越高。天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率要提高,氣象要素和天氣預(yù)報(bào)的空間、時間分辨率和量值的精度要細(xì),即需要定時、定量、定點(diǎn)和高分辨率的天氣預(yù)報(bào)。如何實(shí)現(xiàn)?這就需要以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)為基礎(chǔ),依托通信、物聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù),同時利用多種先進(jìn)探測設(shè)備及技術(shù)等。其應(yīng)用前景十分廣闊,除常規(guī)氣象保障業(yè)務(wù)外,還可在水陸交通、航空航天、重大工程、重大活動等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
氣象預(yù)報(bào)將更精準(zhǔn)更長遠(yuǎn)
有人會問:“氣象能不能預(yù)報(bào)得更準(zhǔn)?”“能不能預(yù)測未來一年甚至幾年的氣象?”科學(xué)家們也是懷揣著這樣樸素而遠(yuǎn)大的目標(biāo),推動氣象預(yù)報(bào)測得更準(zhǔn)、更長遠(yuǎn)。未來,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)將進(jìn)一步發(fā)展,其中集合預(yù)報(bào)、地球系統(tǒng)模式是重要發(fā)展趨勢。
集合預(yù)報(bào)是在數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)操作,是提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、克服不確定性的有效手段。俗話說,眾人拾柴火焰高,集合預(yù)報(bào)就循著這樣的邏輯展開。概言之,集合預(yù)報(bào)是對不同數(shù)值模式的預(yù)報(bào)結(jié)果或同一模式不同時刻起報(bào)的結(jié)果,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)融合和歸一化處理,給出最終預(yù)報(bào)結(jié)果。一方面,各國各地的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果不同,主要預(yù)報(bào)項(xiàng)目也不同,比如沿海地區(qū)預(yù)報(bào)臺風(fēng)準(zhǔn),內(nèi)陸地區(qū)預(yù)報(bào)沙塵暴準(zhǔn);另一方面,不同時刻的初始場起報(bào),預(yù)報(bào)的結(jié)果也不相同。集合預(yù)報(bào)將它們綜合起來進(jìn)行“專家會診”,比單一預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。如今,集合預(yù)報(bào)已普遍使用,但還有很大的提升空間。
能否讓氣象預(yù)報(bào)報(bào)得更長更遠(yuǎn)呢?這涉及兩個概念:天氣和氣候。天氣指的是短時間的大氣現(xiàn)象,如一天之內(nèi);而氣候指的是范圍較廣的地區(qū)在較長時段(如一個月、一個季度、一年等)的統(tǒng)計(jì)平均狀態(tài)。氣候預(yù)測就是預(yù)測下一個季度或半年,甚至更長時間大氣現(xiàn)象的平均狀態(tài),此時就得適當(dāng)考慮海洋和陸地生態(tài)環(huán)境的影響。近20年來,已經(jīng)發(fā)展出將大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈五大圈層,以及地面上各種物理、化學(xué)、生物過程作為整體考慮的模型,即地球系統(tǒng)模型(準(zhǔn)確地說,是地球表層系統(tǒng)模型),進(jìn)而探索全球范圍更長時段的氣候變化,以及相關(guān)的環(huán)境生態(tài)變化。在地球系統(tǒng)模式下,可以預(yù)測一座新規(guī)劃的城市未來幾年甚至數(shù)十年會有怎樣的氣候變化。
地球系統(tǒng)模式的原理與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式類似,同樣利用超級計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)物理方程,但要復(fù)雜得多。為此,我國正在建設(shè)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。它是支撐地球系統(tǒng)模式必備的大型設(shè)備,由高性能計(jì)算機(jī)硬件和眾多計(jì)算軟件構(gòu)成。利用這一裝置,我們可以研究地球系統(tǒng)的五大圈層及其相互聯(lián)系、相互作用,有望對地球的過去進(jìn)行反演、對現(xiàn)在進(jìn)行模擬、對未來進(jìn)行預(yù)測。
我國氣象領(lǐng)域工作者們將繼續(xù)合作研究、協(xié)力攻關(guān),化氣象的未知為已知,用氣象預(yù)報(bào)和地球環(huán)境預(yù)報(bào)的新技術(shù)、新成果助力經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。
?。ㄗ髡叻謩e為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員)
制圖:趙偲汝
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1.《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)(第一卷)》:曾慶存著;科學(xué)出版社出版。
2.《觀天測地話衛(wèi)星》:李慧等編著;氣象出版社出版。
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