明天氣象日，嗯，雖然可能maybe大概有很大的可能性是不會(huì)被過(guò)成情人節(jié)的，知道的人不多，但壹讀君還是想趁此機(jī)會(huì)給大家科普一下“天氣預(yù)報(bào)”這個(gè)讓人又愛(ài)又恨的東西。
愛(ài)是因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)已經(jīng)成為生活必備，恨大家都懂的——天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)。一些人還被天氣預(yù)報(bào)cao出了錯(cuò)覺(jué)：天氣預(yù)報(bào)是越來(lái)越不準(zhǔn)了。
事實(shí)并不是這樣。
壹讀君先給大家看一下氣象局的自我證明：從2012年到2017年，我國(guó)的24小時(shí)短時(shí)預(yù)報(bào)、最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都在不斷提高。
但進(jìn)步并不等于“準(zhǔn)”，這些預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率只有百分之八十幾，并不是百分百。為什么天氣預(yù)報(bào)不能百分百準(zhǔn)確呢？我們首先得看看天氣預(yù)報(bào)到底預(yù)報(bào)些啥，以及天氣到底是如何被預(yù)報(bào)的。
天氣預(yù)報(bào)到底預(yù)報(bào)啥
天氣，大家高中地理課都學(xué)而且被地理老師勒令背過(guò)，是氣象要素如溫度、氣壓、濕度等這些隨著時(shí)間的變化和產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，比如雨、云和大家喜聞樂(lè)見(jiàn)的雪這些。
以前為了方便干活，古人會(huì)推測(cè)第二天的天氣并總結(jié)了一些諺語(yǔ)，比如小時(shí)候經(jīng)常聽(tīng)爹媽說(shuō)的“蜻蜓成群飛，雷雨要來(lái)臨”“螞蟻搬家下大雨”and so on。
但這些都只是經(jīng)驗(yàn)，不是正兒八經(jīng)的天氣預(yù)報(bào)。科學(xué)的天氣預(yù)報(bào)得先收集各種數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等），再利用我們對(duì)大氣的認(rèn)識(shí)，對(duì)未來(lái)的天氣狀況進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)。
一般來(lái)說(shuō)，天氣預(yù)報(bào)分為四個(gè)部分：短時(shí)預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)和延伸期預(yù)報(bào)，短時(shí)預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率比較高。
短時(shí)預(yù)報(bào)是對(duì)未來(lái)0-12小時(shí)的天氣預(yù)測(cè)，其中0-3小時(shí)還可叫做臨近預(yù)報(bào)。舉個(gè)栗子，現(xiàn)在為壹讀君報(bào)天氣時(shí)間：
北京今日早上多云，中午多云轉(zhuǎn)小雨。
這就是短時(shí)預(yù)報(bào)。
短期預(yù)報(bào)是對(duì)未來(lái)1-3天的天氣預(yù)報(bào)，就是大家每天晚上在新聞聯(lián)播上看到的那種。
中期預(yù)報(bào)是對(duì)未來(lái)4-9天的預(yù)測(cè)，延伸期預(yù)報(bào)是對(duì)10天以上天氣的預(yù)測(cè)。比起短期預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，中期和延伸期預(yù)報(bào)時(shí)間更長(zhǎng)，當(dāng)然也更糙更不準(zhǔn)，做不到預(yù)報(bào)具體日期的溫度和降水，到底是多云還是天氣晴，因?yàn)?strong>它們只是根據(jù)當(dāng)前的大氣運(yùn)動(dòng)推測(cè)出來(lái)的天氣趨勢(shì)。
4月份的延伸期預(yù)報(bào)，連“趨勢(shì)”這個(gè)詞都不忍心用，只能用展望了。
天氣預(yù)報(bào)是如何報(bào)出來(lái)的
最終我們得到的天氣預(yù)報(bào)信息，要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟。
第一個(gè)步驟就是收集初始數(shù)據(jù)，通過(guò)氣象站、浮標(biāo)、雷達(dá)、氣象衛(wèi)星、探空氣球等收集氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等。
比如衛(wèi)星云圖監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速和風(fēng)向，
風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星云圖
雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的下雨情況，
地方站雷達(dá)監(jiān)測(cè)情況
全國(guó)雷達(dá)拼圖
得到初始數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，把數(shù)據(jù)和用來(lái)做預(yù)報(bào)的數(shù)字模型結(jié)合在一起產(chǎn)生氣象分析。
同化之后就該輪到數(shù)值預(yù)報(bào)了。數(shù)值預(yù)報(bào)是現(xiàn)在天氣的主要預(yù)報(bào)方式，用人話說(shuō)就是把同化的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的模式用計(jì)算機(jī)算出來(lái)。
計(jì)算機(jī)算聽(tīng)起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，其實(shí)賊扒拉費(fèi)勁。壹讀君隨手截了個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)的教材目錄圖，真的，壹讀君再也不想看第二眼，
1916年到1918年英國(guó)數(shù)學(xué)家里查遜曾經(jīng)試圖用人工進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，他組織了大量人力進(jìn)行第一次數(shù)值預(yù)報(bào)嘗試，僅僅只預(yù)測(cè)未來(lái)24小時(shí)的天氣，就花掉了多人+手搖計(jì)算機(jī)12個(gè)月的時(shí)間，把這工作量給一個(gè)人干的話，得24小時(shí)不眠不休地干6.4萬(wàn)天，嗯，也就是175年，也就是死了還得爬起來(lái)再干半輩子。
就是這么費(fèi)勁。
所以數(shù)值預(yù)報(bào)只能用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)算，別說(shuō)人了，一般計(jì)算機(jī)都根本不行。
而！且！不同的數(shù)值產(chǎn)品有不同的模式，模式不同，算出來(lái)的天氣也是不！一！樣！的！
氣象局對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的一份總結(jié)里，T639、日本和EC等數(shù)值產(chǎn)品對(duì)2月西風(fēng)指數(shù)的預(yù)測(cè)，結(jié)果就不是完全一樣的：
數(shù)值預(yù)報(bào)還存在偏差，因?yàn)楝F(xiàn)在的任何一套模型都不能真實(shí)模擬大氣演變，只是近似而已。
下面是一份3月19日氣象局的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品天氣學(xué)檢驗(yàn)評(píng)估公報(bào)，EC和GRAPES-GFS兩種數(shù)值模型對(duì)大雨以上等級(jí)的雨帶位置的預(yù)報(bào)都出現(xiàn)了偏差，而且對(duì)暴雨的預(yù)報(bào)，出現(xiàn)了不同程度的報(bào)空（報(bào)了沒(méi)出現(xiàn)）和報(bào)漏（出現(xiàn)了沒(méi)報(bào)）。
所以計(jì)算機(jī)算出來(lái)的天氣還得經(jīng)過(guò)預(yù)報(bào)員們的人工操作，結(jié)合天氣圖、氣象衛(wèi)星資料、雷達(dá)圖等各種多得看到想吐的圖片，最重要的是用練出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，最后再做出比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
BUT殘念（遺憾）的是，數(shù)值+人工的雙重運(yùn)作，天氣預(yù)報(bào)仍然不可能百分百準(zhǔn)確。
天氣預(yù)報(bào)為什么不準(zhǔn)
歸根結(jié)底，這在于人民群眾對(duì)天氣預(yù)報(bào)日益高漲的需求與天氣預(yù)報(bào)精細(xì)化之間的矛盾。
以前，壹讀君只想知道明天到底下不下雨，但現(xiàn)在，壹讀君想的可就多了，明天什么時(shí)候下雨？幾點(diǎn)下幾點(diǎn)停？下多大？壹讀君是和妹子一起撐一把傘呢還是一起撐一把傘呢？
雖然妹子是妄想，幾點(diǎn)下雨幾點(diǎn)停也基本妄想，就目前的天氣預(yù)報(bào)水平而言，壹讀君是不會(huì)知道在2018年的零時(shí)零分零秒，紐約時(shí)代廣場(chǎng)到底會(huì)不會(huì)下雨的。
原因小了說(shuō)有兩個(gè)。一是大氣的鍋，天氣系統(tǒng)的混沌行為是天氣預(yù)測(cè)不準(zhǔn)最基本的原因。混沌就是，差異極小的兩個(gè)初始場(chǎng)可以發(fā)展成大相徑庭的狀態(tài)。大家從小在語(yǔ)文課本里學(xué)過(guò)的蝴蝶效應(yīng)就是一種混沌行為，一只在巴西的蝴蝶，扇一扇翅膀就可能導(dǎo)致德克薩斯州一個(gè)月后出現(xiàn)一場(chǎng)龍卷風(fēng)暴。所以那些天氣系統(tǒng)，氣旋、反氣旋、鋒面等，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中稍受點(diǎn)別的影響，天氣狀況就會(huì)發(fā)生變化。
還有一個(gè)鍋是技術(shù)。早在史前時(shí)代，人類就試圖預(yù)測(cè)天氣，我國(guó)古代也有夜觀天象掐指一算天氣的記載和諺語(yǔ)，亞里士多德更是在公元前340年寫的《天象論》中寫了不同的天氣狀態(tài)，但這些距氣象科學(xué)還很遠(yuǎn)，現(xiàn)代氣象學(xué)發(fā)展不過(guò)百多年的時(shí)間，還是門非常年輕的科學(xué)，我們對(duì)它的認(rèn)知還不夠。
天象論
從17世紀(jì)科學(xué)家開始使用科學(xué)儀器（比如氣壓表）來(lái)測(cè)量天氣狀態(tài)，到電報(bào)發(fā)明天氣預(yù)報(bào)能擴(kuò)散開來(lái)，再到1970年后數(shù)值預(yù)報(bào)成為天氣預(yù)報(bào)的主要方式，天氣預(yù)報(bào)的技術(shù)雖然一直在不斷進(jìn)步，大家對(duì)天氣預(yù)報(bào)的需求也是水漲船高的，要想做到精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)，數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程中都還有很多技術(shù)問(wèn)題。
就拿初始數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，上文說(shuō)過(guò)初始數(shù)據(jù)要靠雷達(dá)、氣象站、衛(wèi)星之類的監(jiān)測(cè)，目前全球陸地上有大約 10000 個(gè)氣象觀測(cè)站，但這些地面觀測(cè)站的分布并不均勻，歐洲最多，非洲和南極、高原地區(qū)都比較少。我國(guó)的地面觀測(cè)站分布也不均勻，在青藏高原西部地區(qū)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站密度是每萬(wàn)平方公里0.6個(gè)，而全國(guó)是2.52個(gè)；區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站密度是每萬(wàn)平方公里1.76個(gè)，而全國(guó)是32.85個(gè)。沒(méi)有監(jiān)測(cè)就沒(méi)有初始資料，沒(méi)有初始資料連預(yù)報(bào)都不做不了，還談啥子準(zhǔn)不準(zhǔn)哦。
觀測(cè)到初始資料后資料的傳輸也是個(gè)大問(wèn)題。除了上面提到的觀測(cè)方式外，還有一種觀測(cè)方式是飛機(jī)航空觀測(cè)。全球差不多同時(shí)有 3000 架飛機(jī)可以提供氣壓、風(fēng)和溫度的報(bào)告，但這些資料要傳給有關(guān)氣象中心，氣象中心還得對(duì)這些資料進(jìn)行同化處理，處理之后再用計(jì)算機(jī)按照模式輸出，等到做出結(jié)果來(lái)，5到6個(gè)小時(shí)就沒(méi)了，而天氣的狀況早就變過(guò)一輪了。
所以說(shuō)，天氣預(yù)報(bào)終究只是個(gè)“預(yù)測(cè)”而已，連確定的數(shù)學(xué)題一不小心解錯(cuò)一步都正確不了，何況混沌的大氣，百分百？不可能嘛。
以后天氣預(yù)報(bào)再不“準(zhǔn)”，大家都拿出90后的脾氣來(lái)，佛系佛系。
參考資料：
1.沈?qū)W順等. GRAPES暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)[M]. 北京：氣象出版社, 2013.10.
2.天氣預(yù)報(bào)的秘密，上海技術(shù)物理研究所，20011年7月1日
3.喜迎十九大系列圖解之氣象衛(wèi)星，中國(guó)氣象網(wǎng)，
4.天氣預(yù)報(bào)是怎么算出來(lái)的？王晨、李曉晗，中國(guó)氣象網(wǎng)，2016年6月2日
5.《大氣科學(xué)方法研究》，北京大學(xué)物理學(xué)院，錢維宏
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