28天：天氣預報新極限

凱西·佩吉恩（KathyPegion）

要想讓次季節預報做到像7天天氣預報那樣準確，科學家還有很長的路要走。　視覺中國　?圖

預報未來3~4周的天氣，所需的初始信息其實和常規的5天預報是一樣的。次季節預報還需要額外輸入全球的氣象信息，不過要讓計算機能夠在合理的時間內算出結果，預報模式需要忽略掉一些細節。

環球科學?　供圖

隨著計算機速度越來越快，對氣象現象的理解越來越深，氣象學家已經比較有把握能夠準確地預測未來4周的天氣情況。

現代人已經習慣于先查天氣預報，然后再安排未來3天、5天或者7天的活動了。例如，人們會提前安排好計劃，周末與家人出門野餐；在低溫天氣來臨前，農民要保護橘子樹免受嚴寒侵害；如果發生野火，應急管理人員需要疏散位于下風口的居民；如果大雨將至，那些沿河而居的社區需要提前準備好沙包，將房屋和商場保護起來。

如果能準確預報3周甚至4周后的天氣，以上這些決策都會更加受益。農民可以通過預報查詢會不會出現晚霜凍，以此決定在早春種植作物是否安全。如果氣溫會回升，滑雪場經營者可以選擇稍后再造雪。管理水資源的機構可以在春季汛期來臨前開閘放水，或者向水庫中蓄水提早為抵抗干旱做準備。當然，你也可以提前計劃在下個月才放的假期。

早在幾年前，大氣科學家就開始發布未來3-4周的“次季節”（subseasonal）天氣預報了。我們知道，典型的天氣預報（一般是未來7-10天）會提供每天的最高和最低溫度、降雨或降雪概率，以及風向和風速。次季節預報主要提供未來某一天的溫度和濕度概況，預判它會高于還是低于基于歷史數據得到的平均值，同時還會預報危險和極端天氣。原本，在短期天氣預報和更注重宏觀趨勢的季節預報（例如太平洋的厄爾尼諾現象是否會造成北美夏季偏暖）之間存在巨大的鴻溝，次季節預報恰好填補了這個空缺。

次季節預報正在不斷發展中。例如，我和美國邁阿密大學的同事一起領導的團隊做了一個叫做SubX（Subseasonal Experi-ment，次季節實驗）的氣象模式，它提前幾周準確預報了多種氣象變化：2018年邁克爾颶風帶來的降水增加；2019年1月底美國中西部的一次強烈的冷空氣暴發；以及2019年7月阿拉斯加的熱浪。SubX項目是從3年前啟動的，目前已經集合了美國和加拿大7家主要的氣候和地球研究中心的預報信息。

為了撰寫本文，我在2020年2月27日用SubX制作了未來23-29天美國和全球的預報地圖。結果顯示，美國東部將會比平常偏暖，而西部則比平常偏冷。東海岸將早早迎來春天，而西部漫長的冬季將繼續下去。繼多雨的2月以后，東南部的降水相比往年仍將偏多。當然，這些預報有一些是正確的，有一些則不然。

關鍵氣象因素

目前，未來7-10天的天氣預報是通過計算機模型模擬大氣變化推導出來的。這些模式使用的數理方程描述了大量信息，包括溫度、風、水汽是如何在每分每秒上變化的。這種預報模式誕生于20世紀50年代，隨著計算機技術的快速發展，我們對氣象變量的理解更加深入，預報能力也在穩步提升。在1990年，只有未來3天的天氣預報準確率能達到80%以上，如今，未來3天、5天、7天的預報都可以達到這一水平。

就像7天預報一樣，在做3-4周的預報時也需要從當前的天氣狀況出發，只是需要考慮更多的影響因素。全球各大氣象和空間機構（如美國海洋和大氣局、美國航空航天局）每天都會用探空氣球、氣象站、飛機和衛星收集約400萬份數據（包括氣溫、氣壓和風向、風力、濕度等），大氣科學家再把這些數據集合到一個天氣模式中。

為了將7天的預報延長至3-4周，氣象學家還要考慮其他因素，包括海洋的溫度和洋流等。另外，他們也需要分析土壤的情況：持續幾日的暖干天氣會減少土壤中的水分，進而導致蒸發和降水減少，以此誘發干旱事件。來自平流層高處的風（比飛機飛行的高度更高，在地面以上10-48千米）也要被納入考慮，它們會影響急流的位置和強度，而這又會引導北半球的風暴從西向東移動，并影響極端溫度事件的發生。

次季節預報模式還必須考慮某些全球性的天氣和氣候現象，其中之一是馬登-朱利安振蕩（Madden- Julian Oscillation，MJO），這是一種生成于熱帶印度洋和太平洋洋面的大面積的云、雨、風系統，會在數月內由西向東環繞地球一周。MJO每年發生4-6次，有時連續發生，有時隨機發生。MJO影響風場、大氣高低壓中心的位置，以及很多地區鋒面生成的位置。例如，MJO對大氣河（atmospheric rivers）和北美西部降雨都有很大影響。大氣河是從太平洋中部延伸至北美西海岸的長而窄的強降雨帶，可能導致災難性的洪水，但同時也提供了珍貴的水資源。MJO還可以影響局地的風切變強度，因此，也會在周尺度上影響熱帶氣旋生成的位置，這可能就是SubX能夠成功預報邁克爾颶風的原因之一。

北大西洋濤動（The North Atlantic Oscillation，NAO）是另一個影響因素。這是一種北大西洋大氣高低壓中心的持續耦合現象，可以影響急流和極渦的位置，后者可以驅動北極的極寒氣團南下侵入美國東北部和歐洲。

海量計算如何平衡？

進行次季節預報需要考慮很多變量，即使最強大的超級計算機也會不堪重負。天氣預報模式會將三維的大氣拆分為網格結構，以網格為單位進行運算。例如，美國海洋和大氣管理局（NOAA）最新的全球天氣預報模式中就擁有約2億個網格。其中，最接近地球表面的每個網格覆蓋了長13千米、寬13千米、高50米的空間區域。其他網格堆疊其上。越往上，網格就變得越高，到了平流層之上，網格的高度會達到700米。這套模式會計算與溫度、壓力、水平和垂直風速以及濕度變化相關的方程組，以20秒為間隔預報大氣的演變過程。

就像一個個微小的像素組成了你智能手機中的圖片一樣，這些網格被連接在一起時，也會像一幅完整的圖片一樣提供關于未來天氣的信息。為了預報未來5天的天氣，一個模式需要對近百個方程組進行約23000次運算，如果使用一臺1500核的大型超級計算機，也需要算上40分鐘左右。

在盡可能高的空間分辨率和盡可能快的預報時間（為保證預報具有實際應用價值，需要盡可能快得出結論）之間，氣象學家必須找到一個平衡。即便技術發展到現在，5天預報模式也不能模擬出網格內的方方面面。例如，現在還無法體現單體云、雷暴，以及復雜地形（如山脈和海岸線）的影響。如果模式的分辨率提高到每個網格面積6平方千米（相當于邊長2.45千米，這是有效表現上述特征所需要的分辨率），要得出未來5天的預報結果，需要花費5個多小時才行。為了能夠提供及時的預報信息，本地的氣象工作者并不會等這么久。

要把MJO等額外的大尺度因子納入考慮，創建一個切實可行的預報未來4周天氣的模式，我們必須擴大單個網格的覆蓋范圍。根據不同情況，模式會將網格的數量從2億減少到200萬到1000萬之間。如果將網格的邊長擴大到50千米或100千米，我們就能以相同的計算能力在40分鐘內完成更加復雜的運算，但這不可避免地會忽略掉很多細節。我們可以把未來3-4周的預報看作是低分辨率的圖片:仍然可以分辨主要特征，但具體細節卻不太清楚。大面積的高溫或降水仍然能呈現出大致的輪廓；而微小的局地特征（如特定的暴雨）卻變得難以識別。

盡管如此，我們對全球氣象的理解已經足夠充分，計算已經足夠高效，算法也變得足夠成熟，這讓我們有能力讓模式推導出一個氣象學家可接受的低分辨率圖像。

優中選優

每周，參與SubX的7個中心都會各自做一份未來32-45天的預報，與7天預報相比，這份預報包含的觀測數據多了幾千組。每個中心都會將數據發送到由美國哥倫比亞大學氣候與社會國際研究所管理的中央數據庫。接下來，SubX進一步將數據整合到喬治梅森大學的計算機上。像歐洲中期天氣預報中心這樣的組織，全球大約有10個，他們只是利用單一模式進行次季節預報。而SubX團隊是唯一一個能夠將多個模式預報結果整合到公共預報服務中的團隊。

將7個不同的模式整合后，SubX的預報效果要比任何一個單獨的模式都好。部分原因是取了不同預報數據的平均值，還有部分原因是因為利用了每個模式的優勢。例如，每個模式都必須估算出每個網格內的云層條件，具體估算方法在不同模式之間略有不同。整合這些模式可以構建出一個最優選擇。在針對美國的天氣預報中，相比于單一模式系統，SubX在60%的時間里對溫度的預報更好，在81%的時間里對降水的預報更好。

SubX的科學家正在探索如何以更好的方式整合這些模式。在過去一年的時間里SubX做了大量工作，利用1999年到2015年間每周的天氣記錄推算了大量3-4周的預報結果，生成了一個擁有超過20TB信息的數據庫。在每一次運行完畢后，我們都會將預報結果和3-4周后的真實記錄進行對比。這讓我們有機會檢驗各種不同的氣候條件對次季節預報的影響。

無論這些結果是否準確，我們都能用來提高模式的預報表現。其中包括我們應該如何更好地重現平流層、MJO和NAO，以及更好地預測這些現象在不同地區對天氣的影響。例如，兩個為SubX提供數據的NO-AA模式團隊分別對云、雷暴和降雨的計算方程進行了優化，以更好地模擬MJO。隨后，科學家用新模式又做了一輪測試，他們發現針對未來3-4周的預報更加精準了。

現場預報

那么，我在2月27日用subX對3月21日到27日做的天氣預報，究竟準不準呢？　當時生成的預報圖顯示：在美國，伴隨著東海岸地區春季提前、西部地區冬季延長，東部將偏暖，而西部將偏冷，東南部地區將比正常年份更加潮濕。

在東南部，異常的潮濕天氣確實持續了很久。在春季積雪融化、密西西比河水位已經偏高的狀況下，準確預報降雨還能為當地的防洪減災措施提供有價值的信息。事實上，新奧爾良段密西西比河的水位在2月27日接近洪水位，3月8日達到峰值后稍緩，然后在3月底和4月初回升，4月12日再次達到洪水位。SubX之所以能夠準確預報，部分原因是它成功地預測了墨西哥灣的暖海溫，這正是東南地區降雨增加的關鍵條件。另外，SubX還預報了西海岸將比正常情況下更冷，以及加利福尼亞州北部和加拿大沿海的不列顛哥倫比亞省將更干燥。

在全球范圍內，通過準確地預報低壓和高壓系統的位置，SubX成功地預報了歐洲將比正常情況下更干旱，亞洲將比正常情況下更溫暖。而對澳大利亞溫度的準確預報，則歸功于模式已經能很好地預報MJO，推斷與它相關的多云和晴朗的地區。

不過，SubX還是有一些小小的瑕疵，它高估了比以往偏暖的天氣在美國中大西洋地區、東北部和俄亥俄河谷的地理范圍。另外，它沒能準確預測高壓和低壓系統的一些細節，這也影響了預報的準確性。模式并沒有預報出俄勒岡州的降水高于平均水平，不過，導致降水偏多的是一場持續時間較短的暴雨，集中在3月24日和25日。我們在下雨前一周又運行了一次SubX，7個獨立的預報模式大多依然沒能預報出這場雨。即便預報未來7天的天氣，要準確找出導致這次降雨的風暴也是不小的挑戰，因為大氣中的混沌現象總能以出人意料的方式出現。

要想讓次季節預報做到像7天天氣預報那樣準確，我們還有很長的路要走。但一大批大氣科學家正在努力工作，試圖讓它變成現實。或許在10年后，當你在手機上查看天氣時，會在“28天預報”的標簽里看到一顆太陽或一朵云的圖標。

（Scientific American中文版《環球科學》授權發表，趙寅翻譯）