天氣預報的前世今生

岳盈

摘要：本文從古代天氣預報情況談起，簡述了現代主要使用的三種天氣預報方法：天氣學預報方法、動力學預報方法和統計學預報方法，以及基于它們的模式輸出統計預報方法。最后分析了精確預報天氣的不可能性。

關鍵詞：天氣預報；數值預報；MOS法；可預報性

古往今來，天氣對人類活動有著重要的影響。小到影響人們的穿戴，農民的收成，大到影響導彈、航天飛機的發射。于是，天氣預報從古至今都是一項不可或缺的工作。

據史書記載，我國在南宋時期就有天象管理機構“太史局”，它通過觀測風、云、雷、露、霜等氣象現象進行天氣預報。[1]在科技并不發達的古代，人們主要靠經驗進行天氣預報，于是流傳下來很多諺語，其中好些精華在今天仍被使用，比如"天上鉤鉤云，地下雨淋淋"，"朝霞不出門，晚霞行千里"等。這些經驗大都可以用今天簡單的氣象學知識來解釋，但我們仍可以從中看出先民的智慧。

隨著社會的發展和科技的進步，我們已經不需要靠經驗來預報天氣了。現在被普遍使用的天氣預報方法主要有三種。

第一種是天氣學預報方法，它以天氣圖為主要工具，用天氣學的原理來分析，主要用于短期預報。雖然它現在已經屬于一種比較古老的方法，但它的發現是天氣預報史上的第一次躍進，包含了許多重要的理論，其中就有著名“羅斯貝波”。它在高空天氣圖上就是那些“槽來脊去”的環流演變。預報員依此可以定性預報天氣的變化。[2]

報方法。它利用大型計算機求解大氣動力學方程組來預報天氣，這種方法最大優點是客觀化和定量化。預報所用的大氣動力學方程組，是由連續方程、熱力學方程、水汽方程、狀態方程和3個運動方程（見大氣動力方程）所構成的方程組。方程組中，含有7個預報量（速度沿x，y，z三個方向的分量u，v，w和溫度T，氣壓p，空氣密度ρ以及比濕q）和7個預報方程。[3]但是計算機容量和速度有限，于是需要對預報方程組適當簡化，然而大氣運動卻異常復雜，簡化方程組的預報結果與實際情況往往有一些差距，不會預報的十分精確。但是隨著計算機技術的飛速發展，全世界已有30多個國家和地區把數值天氣預報作為制作日常天氣預報的主要方法，其中不少國家和地區除制作1～2天的短期數值天氣預報外，還制作一個星期左右的中期數值天氣預報。

第三種是統計學預報方法。這種方法通過對歷史天氣資料進行統計分析，建立天氣變化的統計學模型來預報天氣。統計預報以概率論為理論基礎，認為天氣變化是一種隨機過程。因而統計預報的結論是出現某種天氣的可能性或概率，這屬于非確定性預報，與數值預報法有本質區別。[4]

近年來，把統計預報法與數值預報法相結合做出天氣預報，取得了較好效果。這種方法稱為模式輸出統計預報，簡稱MOS法。建立MOS預報主要步驟有：（1）建立歷史資料庫，包括預報量和數值預報產品兩部分。（2）用數值預報資料等計算預報因子。（3）將預報因子與預報量進行相關檢驗，挑選出相關度高的因子。（4）將初選過的預報因子與預報量進行逐步回歸，建立預報方程。（5）用歷史資料進行回代檢驗。[5]各個地區都有自己做的模式，比如EC（歐洲中心）、NCEP（美國）、日本、德國，當然還有我國綜合各種模式創新開發出的自己的模式。

正當高速計算機飛速發展，模式分析越來越完善，天氣預報的準確率也越來越高時，另一個問題也悄悄顯露出來，人類能否完全精確地預報天氣呢？對這一個問題，Lorenz用“混沌動力學”給出了否定的答案。大氣系統是一個極其復雜的非線性系統，對各種誤差極其敏感，其中的混沌現象直接限制了天氣的可預報性。

雖然精確預報天氣是無法實現的，但是人們追求越來越精確天氣預報的夢想卻不會停止。天氣預報經過漫長的發展，從口耳相傳的經驗、天氣圖，到數值預報、模式預報方法，預報的精度逐步提高，為人類的生產生活提供了重要的指導。在科學技術飛速發展的今天，在許許多多科研工作者不斷地努力下，相信未來的天氣預報會更加準確，預報的方式也會更加先進。

參考文獻：

[1]氣象知識，2016（3）.

[2]杜鈞，錢維宏.天氣預報的三次躍進[J].氣象科技進展，2014，4（06）：13-26.

[3]段晚鎖，丁瑞強，周菲凡.數值天氣預報和氣候預測可預報性研究的若干動力學方法[J].氣候與環境研究，2013，18（04）：524-538.

[4]劉成，孫雪雷.天氣預報方法的發展[J].科技傳播，2012（12）：80-81.

[5]葉燕華，王平魯，孫蘭東.用MOS法建立預報方程的試驗流程[J].甘肅氣象，2002（01）：13-15.