天气预报为什么时准时不准？到底咋算的？

近期，多地频繁出现暴雨、大暴雨(yu)、雷电大(da)风(feng)等天气，极端气(qi)候的(de)频发也引发了公众的广泛关注与(yu)好奇：数天后的(de)天(tian)气情况是怎么预测(ce)出(chu)来的？为什么感觉天气预报(bao)有时候准，有时候(hou)又不准？我国的天气预(yu)警预报技术水平到(dao)底怎么样啊？

围绕这(zhe)些话题，今天我(wo)们邀请(qing)北(bei)京市气象局高级工(gong)程师拉萨进行解读(du)????。

大家每天(tian)看的天气预报(bao)，

是怎么(me)算出来(lai)的？

现(xian)在(zai)的天气预报不再(zai)是“看(kan)云(yun)识天气”，而是一场“数值预报模式 + AI 气象大模型 + 预(yu)报员综(zong)合研判”的协同作战????。

在短(duan)期和中(zhong)初期时效(xiao)内(1-14 天)，预(yu)报员经常综合(he)对比各个(ge)数(shu)值模式(shi)的预报，给(gei)出(chu)最(zui)终的(de)天气预报(bao)结论????。对于(yu)短(duan)临预(yu)报(0–3小时)，则更多依赖雷达、卫星(xing)、高密度自动站、风廓线等分钟级乃至(zhi)秒(miao)级更新的多源观(guan)测资料，尤其(qi)在夏季强对流(liu)天气的预报中作用更为关键(jian)????。

1

数值模式(NWP)

数值(zhi)模式(NWP)是目前短中(zhong)期(qi)预报的绝对主力????。它(ta)的计(ji)算逻辑是把(ba)地球大气切(qie)成(cheng)密集的三维网格点(dian)，然后(hou)求解描(miao)述(shu)大气运(yun)动的(de)物理方程组(zu)(流体力学(xue)+热力学)，计算每个网格点(dian)上(shang)的温度、气压、风速(su)在未来几分钟(zhong)、几小(xiao)时如何变化，一步步算出未(wei)来 10 天的(de)天气????。

现在有 10km 左右的全(quan)球数值模式，也有精细(xi)到 1km 的区域数值模式，北(bei)京市气象局最(zui)新研发了“分钟级，百米级”的高分辨快速更新的(de)数(shu)值(zhi)模(mo)式系统(tong)????。

2

AI 气(qi)象大模型(xing)

AI 模型不求(qiu)解复杂的物理(li)方程，而是“吃”进(jin)去海量(liang)的历史气象数据(比如过(guo)去 40 年的全(quan)球数据)，学习“昨天这(zhe)样的天气，明天通(tong)常会变成什么样”的统计规律????。

一旦训练(lian)完成(cheng)，它预(yu)测(ce)速度(du)极快(kuai)(几分钟出 10 天预报)，且(qie)在(zai)某(mou)些指标上(shang)已媲美传统模式(shi)????。但是 AI 模型缺(que)乏(fa)物理(li)解释(shi)，且预报(bao)中存在“平滑效应”，可能会有极值削弱现(xian)象????。

目前(qian)我国(guo)已逐步构建起基(ji)于国产人工智能大(da)模型家族(zu)，“风雷”(人(ren)工智能临(lin)近预报系统)、“风清”(人工智能(neng)全球(qiu)中短期预报(bao)系统)、“风顺”(人工智能全球次(ci)季(ji)节—季节预测系统(tong))、“风宇”(空(kong)间天气链式人(ren)工智能预(yu)报模型)等系列气象预报(bao)模型相继问(wen)世，部分核心指标达到(dao)国际先(xian)进水平????。

其中，“风清”模型(xing)原创设计了神经状(zhuang)态转移架构网(wang)络，其性(xing)能已跻身(shen)国际第一(yi)梯队；“风雷”作为国内首(shou)个具(ju)有大气物理方(fang)程约束的短临预报业务模(mo)型，实现 3 小时预(yu)警提前量，雷达强(qiang)回波预报技巧提升 25%，在多次强对(dui)流天气过程中发挥了关(guan)键作用(yong)????。

总的来说，依托“数值预报模式 + AI气象(xiang)大模型 + 预(yu)报员综合(he)研(yan)判”的协同机制，当前 24 小时城镇天气(qi)预报准确率可(ke)达(da) 85% 左(zuo)右，气温误差控制在 1-2℃ 以内，为公众出行提供了可(ke)靠保(bao)障????。

为什么(me)会觉(jue)得(de)天气预报(bao)不准？

极(ji)端天气预警预报难在哪？

有人可能会疑惑(huo)，既然 24 小时城镇(zhen)天气预报(bao)准确(que)率可达(da) 85% ，那为(wei)什么一遇到极端暴雨、超强台风、突发(fa)龙卷风等灾害性的(de)极端天气时，总感觉预警似乎是“慢半拍”，甚至“报不准”呢(ne)？

事(shi)实上，这并非人力可为或(huo)不可为的(de)问题，而是极端天气的发生机理、路径等比常规天气要复杂(za)太多，模拟和观(guan)测更是困难重重????。接下来，我们(men)可(ke)以从观(guan)测、模式与机理三个层面来(lai)逐(zhu)一分析????。

1

观测的“盲区”与“局限性”

许多极(ji)端天气(如龙卷风、突发性强对流)具有空间(jian)尺度小(仅数公里)、生命(ming)史短(从生(sheng)成到消散不足一小时)的特点????。

现有的全球(qiu)观测网络在时空(kong)分辨率上存在局(ju)限，特别是(shi)高空观测(探空气球，一天 2 次(ci)，站点较为稀疏)难(nan)以(yi)实(shi)现(xian)全天候、无死角覆盖????。尤其在(zai)高原、山区，观(guan)测站点稀(xi)疏，致使(shi)系统初生阶段的捕捉与监测存在“盲(mang)区”????。

2

预报模式的“分辨率(lu)”与“物理过程(cheng)”瓶颈(jing)

尽(jin)管数值(zhi)预报(bao)模式(shi)不断进步，但(dan)全球模(mo)式的网格距通常仍在十(shi)公(gong)里量级，无法精确解(jie)析局地地形(如山谷、城市(shi)建筑群)的(de)细微影响????。区域高分辨(bian)率(lu)模(mo)式(1-3 公(gong)里)可部分改善这一问题，但对(dui)云(yun)微物理、对(dui)流触(chu)发等关键过(guo)程的描述仍不够精(jing)确????。

3

极(ji)端天气(qi)机理复杂，难以模拟

极端降水、冰雹、雷(lei)暴大风等强对流天气，其发生发展涉及多尺度环流配合及复杂的地形-下垫面相互(hu)作用(yong)，机理极为复杂(za)，模式对其的(de)准(zhun)确模拟和预报(bao)仍是世界性难题????。

跻(ji)身国(guo)际先进！

我国极端天气预警还有哪些难关(guan)要过？

“十(shi)五(wu)五”规(gui)划纲要将提(ti)升极(ji)端天气应(ying)对能力、加强气象监(jian)测(ce)预报预(yu)警列(lie)为重(zhong)点任务，既(ji)是对已有(zuozhe)成绩的肯定，也提出了更高标准的(de)期(qi)待????。

当(dang)前，我国(guo)极端天气(qi)预报预警技术已整体(ti)达到(dao)“国际(ji)先进、部分领跑、核心技术自主(zhu)可(ke)控”的(de)水平，特别是在强对流短临预警、台(tai)风路径预报(bao)和自主数值(zhi)模式研发等关键(jian)领域，具备与国际顶尖机构(如ECMWF、NOAA)同(tong)台竞争的实力????。

在短(duan)临预报(0-3 小时)领域，我国已实现“分钟级监测、百米级(ji)模(mo)拟、AI 智(zhi)能外推”????。以 AI 短(duan)临模型“风雷”为代表，它利(li)用(yong)深度学(xue)习(xi)直接分析雷达回波(bo)序列(lie)，3 分钟内能(neng)生(sheng)成(cheng)未(wei)来 3 小时、逐 6 分(fen)钟的预报产品(pin)????。

相比(bi)传统外推，它(ta)对强回波的预(yu)报技巧提升(sheng)了(le)约 25%，且能有效(xiao)捕捉雷暴的新(xin)生和(he)消散过程，将有效预警(jing)提前量(liang)拉长到了 1-3 小时????。

与此同时，北京“睿图-睿思”系(xi)统(tong)作(zuo)为短临预报领域的代表，实现了百(bai)米级(ji)、分钟(zhong)级的精细化预报(bao)，可逐 10 分钟更(geng)新 0-6 小时的短临降水(shui)预(yu)报，显著提升了暴雨、强对(dui)流等极(ji)端天气的预警精(jing)准(zhun)度????。

这些模式(shi)的协同发(fa)力，使我(wo)国具备了(le)从 2-3 周延(yan)伸期预报到年(nian)尺度(du)气候预测的(de)能力(li)——可提(ti)前 2-3 周预测全国(guo)性重(zhong)大(da)天气过程(cheng)，提前 6 个(ge)月(yue)预测全球气候(hou)异常事件，并(bing)提前一年发(fa)布气(qi)候年景预(yu)测产品????。下面(mian)以几(ji)个常见的极端气候为例(li)，我们来看看具体(ti)成效(xiao)：

暴雨、高(gao)温(wen)、寒潮(chao)预报：智能(neng)网格天气预报系统空间分(fen)辨率能(neng)精(jing)细至全国 5 公里、重点区域 1 公里，时间分辨率 1 小时，实(shi)现提前 3 至 7 天预报区域性(xing)暴雨、高温、寒(han)潮过程????。

强(qiang)对流(liu)预警(jing)：强对流天气(qi)也就是我们常(chang)说的雷(lei)暴、冰雹、短(duan)时大(da)风等突发天(tian)气，现在这类天(tian)气的预警能提前 48 分钟发出，较“十三五”末(mo)的 38 分钟(zhong)提升 10 分钟(zhong)，为群众(zhong)避险转移(yi)赢得宝贵(gui)时间????。

台风路径预报：台风 24 小时(shi)路径预报误(wu)差最少(shao)至 58 公里左右(you)，稳居全(quan)球前列，为沿(yan)海(hai)地区(qu)台风(feng)防御精准部署提(ti)供(gong)了核(he)心支撑(cheng)????。

可以说，现在的天(tian)气预(yu)报(bao)不(bu)仅能告诉(su)你(ni)“要下多大的雨(yu)”，更能(neng)提前告(gao)诉你“危(wei)险什么(me)时候(hou)来”，让我们有(zuozhe)充足的时间去应对(dui)????。

然(ran)而，成绩之下也面临着(zhe)诸多挑战和(he)需要(yao)度(du)过的(de)难关????。

第一是(shi)，基于影响的复合型灾害(hai)风险预警业务尚处起步阶(jie)段，台风(feng)、暴雨、风暴潮(chao)等(deng)多灾(zai)种叠加的综合性预警能(neng)力不足，气(qi)象、水利(li)、应(ying)急(ji)、交(jiao)通等部门之间(jian)的数据(ju)壁垒亟(ji)待打(da)通，跨(kua)领(ling)域协同攻关(guan)机(ji)制亟需完善(shan)????。

第二是，气象服务融入韧性城市建设(she)的深度仍(reng)有较大空间，社会公众的(de)防灾减(jian)灾意识和主(zhu)动避险(xian)能力(li)尚需(xu)进一步强化????。

第三是，监测预(yu)警(jing)服(fu)务全业务链条的智能化水(shui)平还有待进一(yi)步(bu)提高，就是预警发布后(hou)，如(ru)何(he)快(kuai)速、精准地转化(hua)为水库调度、交通管制、停工停课等具体(ti)指(zhi)令(ling)，这条“最(zui)后一公里”的(de)传导链(lian)条(tiao)仍不够顺畅(chang)????。突破这些难关(guan)，既需要持续的技(ji)术攻关，也呼唤制度创新和多部门协同的(de)深度发(fa)力????。

三个维度协(xie)同发力，

提升极端天气(qi)预报预警能力(li)

如(ru)果把极(ji)端天(tian)气预警比作一场(chang)与“老天爷”的时间(jian)赛跑，那么(me)观测(ce)设备是“眼(yan)睛”，数值(zhi)模式是“大脑”，而(er)风险产(chan)品(pin)则是传递到手脚的(de)“指(zhi)令(ling)”????。

当(dang)前，我们(men)的“眼睛”还有盲区，“大(da)脑(nao)”的运算精度仍需(xu)提升，“指令”传达到具体行动的(de)路径也还不够顺畅????。要破解这些难题，进一(yi)步提升预报预警技术，笔者认为(wei)应该从(cong)夯实观测(ce)基础、突破技术瓶颈和深化风(feng)险认(ren)知三个(ge)维度协同发力(li)，让整个(ge)链条环环紧扣(kou)????。

1

补齐(qi)观测短板

在(zai)观测薄弱区域补充地(di)面(mian)与垂直观测(ce)设(she)备建设，加密布(bu)设相(xiang)控(kong)阵雷达、毫(hao)米波(bo)雷达、风廓线(xian)雷(lei)达(da)，形成(cheng)对强对流三维结构的(de)分钟(zhong)级捕捉能力(li)，同步推进高(gao)标(biao)准气象站建设，加(jia)强新型多源稠密观测产品(pin)的应用(yong)????。

2

加强(qiang)核心技术的关(guan)键攻(gong)关

迭代(dai)升级北京地区灾害(hai)性天气的多(duo)时间尺(chi)度(du)数值(zhi)预报核心技(ji)术和(he)气象灾害风险预警(jing)技术(shu)????。深化云微物理、对流触发机制、地形效应等基础研究，改进模式(shi)参数(shu)化方案????。加强人工影(ying)响天气的精准调控技术研发，探索(suo)“防(fang)雹增雨”等(deng)减灾实践(jian)????。

3

从“预报天气”到“预报风险”

研发基于影响的预报，不仅要报“雨量 300 毫米”，还要(yao)直接输出(chu)“哪些小区(qu)会积水(shui)、水库需不需要(yao)泄洪”的风险产品????。

策划制作(zuo)

解读(du)专家丨拉萨 北京市气象局高级(ji)工程师

审核丨魏(wei)科 中国科学院大(da)气(qi)物理(li)研究所 研(yan)究(jiu)员

来源：科普中国微(wei)信公众号【编(bian)辑(ji):于晓(xiao)】