最早的天氣預(yù)報(bào)主要靠經(jīng)驗(yàn)

在新中國(guó)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的建立和發(fā)展中，有一位科學(xué)家做出了巨大貢獻(xiàn)，他就是已故的中科院院士、中科院大氣物理研究所研究員、著名氣象學(xué)家陶詩(shī)言。

1953年，我國(guó)還處在百?gòu)U待興的建國(guó)初期，農(nóng)田水利建設(shè)十分薄弱，一次災(zāi)害性天氣就會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的破壞。這年農(nóng)歷三月十二，一股強(qiáng)冷空氣從北方襲來，造成全國(guó)大部分地區(qū)氣溫急劇下降，致使山東、陜西、河南、河北、安徽等多個(gè)省市的農(nóng)業(yè)遭受巨大損失，這就是震驚全國(guó)的1953年大寒潮。這次寒潮造成巨大損失的一個(gè)重要原因是氣象預(yù)報(bào)沒有發(fā)出足夠的預(yù)警，而此次預(yù)報(bào)就是由陶詩(shī)言簽字發(fā)布的。那一年，他只有三十四歲，經(jīng)驗(yàn)少。

“那一次是報(bào)了寒潮，但是我們沒有報(bào)道降溫會(huì)降到零度。”幾十年后，陶老回憶說，當(dāng)時(shí)北面的蒙古國(guó)一個(gè)氣象記錄都沒有，國(guó)內(nèi)也只有地面少數(shù)幾個(gè)氣象臺(tái)，預(yù)報(bào)員怎么做天氣預(yù)報(bào)呢，就是看從其他國(guó)家收來的資料，畫出一個(gè)氣象圖，一天大概有四次，看這個(gè)氣象圖上面，氣壓怎么分布，看它怎么移動(dòng)，這壞天氣怎么移動(dòng)，就這樣估計(jì)天氣。

這次事件讓陶詩(shī)言刻骨銘心，他認(rèn)識(shí)到，天氣預(yù)報(bào)不能只報(bào)模糊概念，而要報(bào)出具體情況，這樣才能讓人有所應(yīng)對(duì)。從此之后陶詩(shī)言決定從此養(yǎng)成記錄經(jīng)驗(yàn)的習(xí)慣：不管結(jié)果是對(duì)是錯(cuò)，都要用本子記錄下原因和總結(jié)，并努力發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

一年后，陶詩(shī)言迎來了打翻身仗的機(jī)會(huì)。

1954年7月，長(zhǎng)江流域發(fā)生了百年不遇的洪水。洪峰高出歷史最高紀(jì)錄1.45米，并且持續(xù)6天居高不下，在這樣高水位的威脅下，究竟要不要分洪成了一時(shí)難以決斷的事情。不分洪，如果決堤，漢口可能遭遇滅頂之災(zāi)；分了洪，如果雨也不停，不僅被分洪地區(qū)要遭受本沒有的損失，人們還要想辦法控制住洪水侵襲更多的地方。

于是，所有的目光都聚集在了天氣預(yù)報(bào)上——這場(chǎng)暴雨，究竟會(huì)下到什么時(shí)候？在當(dāng)時(shí)的條件下，準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)可遇而不可求。預(yù)報(bào)就要承受報(bào)不準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任，誰也不敢斷言大自然的決定，只有陶詩(shī)言站出來說：“雨會(huì)停！”

8月18日，暴雨如期停止，長(zhǎng)江最終沒有分洪，陶詩(shī)言因此受到嘉獎(jiǎng)。后來每次提起這件事，陶詩(shī)言仍然調(diào)侃自己運(yùn)氣好。

“當(dāng)時(shí)我有70%的把握，30%的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在看起來是蒙對(duì)的。”

陶詩(shī)言曾說自己是“預(yù)報(bào)天氣七十載，成功失敗四六開。”預(yù)報(bào)天氣就像醫(yī)生看病，盡管診斷設(shè)備很多，但最后下判斷的是醫(yī)生。數(shù)值預(yù)報(bào)固然重要，但預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)最為關(guān)鍵。

同樣與天氣預(yù)報(bào)打了一輩子交道的周名揚(yáng)也對(duì)氣象預(yù)報(bào)員這一職業(yè)有太多感慨，他說，從預(yù)報(bào)員角度講，預(yù)報(bào)工作要受到技術(shù)水平、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的制約，除此之外，預(yù)報(bào)員背負(fù)的責(zé)任太沉、壓力太大，使其很難做到輕松上陣。

天氣預(yù)報(bào)依然是門年輕學(xué)科

從理論上來說，這個(gè)世界上，但凡預(yù)測(cè)的事情，沒有百分之百的準(zhǔn)確，這是客觀規(guī)律。因此天氣預(yù)報(bào)也只能是不斷提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，但不可能實(shí)現(xiàn)逢報(bào)必準(zhǔn)。

那些預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的預(yù)報(bào)到底是什么原因?qū)е碌?？周名揚(yáng)分析，從客觀因素講，現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)學(xué)科畢竟還是一個(gè)年輕的學(xué)科。盡管早在距今3000多年前的殷商時(shí)代，我國(guó)就有了氣象觀測(cè)方面的記錄，但建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)上的天氣預(yù)報(bào)只有百余年的歷史，特別是對(duì)于目前世界通用的數(shù)值預(yù)報(bào)方法來說，我國(guó)于1955年才開始摸索研究，1969年才正式發(fā)布短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。短短幾十年的時(shí)間，不能苛求它做到“萬無一失”。而人類對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還有限，陰晴冷暖、雨雪風(fēng)霜，各種天氣產(chǎn)生和變化，都是由大氣不斷運(yùn)動(dòng)造成的。由于大氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，科學(xué)家們還不能真實(shí)地描述大氣運(yùn)動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

此外，氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)還做不到“疏而不漏”。氣象探測(cè)已發(fā)展成為覆蓋地基、空基、天基的立體觀測(cè)系統(tǒng)，地面觀測(cè)站、高空觀測(cè)站、自動(dòng)氣象站、雷達(dá)觀測(cè)站、氣象衛(wèi)星組成了時(shí)刻監(jiān)視大氣運(yùn)動(dòng)和變化的觀測(cè)網(wǎng)。但這個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)中小尺度的天氣系統(tǒng)會(huì)有疏漏，就像大網(wǎng)撈小魚，容易漏掉。而且觀測(cè)資料可能會(huì)有誤差，例如，風(fēng)向、風(fēng)速觀測(cè)結(jié)果是采用2分鐘觀測(cè)的平均值，可能就會(huì)有一定誤差。

“過去臺(tái)站少的時(shí)候，氣象資料有限，預(yù)報(bào)員主要用的是外推的方法，或者類比歷史上發(fā)生過的天氣形勢(shì)，這些方法不僅忽略了天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化，還容易遺漏小尺度系統(tǒng)。”周名揚(yáng)說。

另一個(gè)原因是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型不能完全模擬大氣演變。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的核心是用高性能計(jì)算機(jī)把天氣預(yù)報(bào)問題變成數(shù)學(xué)方程求解的問題，用計(jì)算機(jī)來運(yùn)算聽起來很簡(jiǎn)單、很智能，而且世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，就是那種計(jì)算速度每秒上萬萬億次的“大塊頭”就安家于氣象部門。而由于數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算量之大、運(yùn)算之復(fù)雜可以說達(dá)到“變態(tài)”的程度，世界上最聰明的計(jì)算機(jī)也會(huì)“發(fā)怵”，在求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組時(shí)也很難做到完美、做到極致，它的計(jì)算能力之于預(yù)報(bào)需求來講仍有待繼續(xù)提高，它的運(yùn)算仍可能存在偏差，也正是因此，才有了人工訂正一說。

預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確還受到觀測(cè)手段的限制。衛(wèi)星、雷達(dá)等的誕生相當(dāng)于給預(yù)報(bào)員安上了“千里眼”，從此臺(tái)風(fēng)的動(dòng)向就無法逃脫人類的眼睛，幾百公里范圍內(nèi)的突發(fā)性強(qiáng)降雨也已經(jīng)不再是預(yù)報(bào)上的頑癥了。但其實(shí)這些高科技的觀測(cè)手段也是有軟肋。如極軌氣象衛(wèi)星離地球較近，分辨率較高，但是它不可能目不轉(zhuǎn)睛地觀察特定區(qū)域，當(dāng)它在運(yùn)動(dòng)中偏離這個(gè)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域就暫時(shí)成為觀測(cè)的“盲區(qū)”，而有些天氣可能恰巧就在這個(gè)時(shí)段發(fā)生。于是就有可能產(chǎn)生一次漏報(bào)。

上述客觀原因之外，天氣預(yù)報(bào)的不準(zhǔn)確還與一些主觀因素有關(guān)。預(yù)報(bào)員之間的經(jīng)驗(yàn)及水平會(huì)有差異。數(shù)值模式計(jì)算出來的預(yù)報(bào)結(jié)果，不能直接作為預(yù)報(bào)結(jié)論，預(yù)報(bào)員還要進(jìn)行解釋應(yīng)用，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行訂正。以北京為例，北京北有燕山、西有太行山，天氣預(yù)報(bào)必須考慮地形和下墊面形勢(shì)影響。預(yù)報(bào)員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)也在復(fù)雜天氣的預(yù)報(bào)和綜合決策中起著重要作用。

其實(shí)，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率現(xiàn)在仍是世界性難題，但我國(guó)的天氣預(yù)報(bào)水平仍在逐年提高，來自國(guó)家氣象局的消息稱，2016年我國(guó)24小時(shí)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率85.9%；最高和最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為78.6%和84.4%；臺(tái)風(fēng)路徑24小時(shí)和48小時(shí)預(yù)報(bào)誤差分別為67公里和130公里，比過去5年平均誤差分別減少了22%和12%，優(yōu)于美國(guó)、日本的預(yù)報(bào)水平。

天氣預(yù)報(bào)能不能換一種思路

一輩子鐘情于提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的周名揚(yáng)近來一直在呼吁開展機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)的研發(fā)。

周名揚(yáng)說，在預(yù)報(bào)員進(jìn)行天氣會(huì)商時(shí)，經(jīng)常有人提到，今天的天氣形勢(shì)與歷史上某天很相似。在上世紀(jì)八十年代以前，當(dāng)有重大天氣過程影響時(shí)，有些預(yù)報(bào)員還習(xí)慣翻閱有關(guān)歷史天氣圖。實(shí)踐證明：控制某地上空大氣層中的天氣形勢(shì)及其各氣象要素的配置與地面上出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象是非常吻合的。在同樣的天氣形勢(shì)控制下，在不同地區(qū)，不同季節(jié)下，地面上出現(xiàn)的天氣又是不一樣的。因這與地形、地貌、下墊面形勢(shì)、季節(jié)等多種因素有關(guān)。但在同一個(gè)地區(qū)與歷史同期內(nèi)，在大致相同的天氣形勢(shì)控制下，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的天氣變化又基本上是一致的。也正因?yàn)樽匀淮髿鈱又杏羞@種演變重復(fù)性，利用尋找當(dāng)?shù)貎商焯鞖庑蝿?shì)大致相似辦法，做某地區(qū)的未來天氣變化，變?yōu)榭赡堋?/p>

現(xiàn)在人工智能領(lǐng)域方興未艾，智能機(jī)器人已運(yùn)用到多個(gè)行業(yè)，受到啟發(fā)的周名揚(yáng)拿著天氣圖向有關(guān)智能機(jī)器人開發(fā)的科技人員咨詢，得到的回復(fù)是：目前的智能機(jī)器識(shí)別功能已達(dá)到快速準(zhǔn)確識(shí)別各種不同日期的相似天氣圖表。只要事先把歷史同期（分月、分時(shí)）分各個(gè)層次的天氣圖蓄存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，靠智能識(shí)別裝置，當(dāng)時(shí)就能很快找出今天與歷史上某日最相似。因該地區(qū)當(dāng)天的天氣變化與歷史上相似日期的天氣變化大致相同（包括觀測(cè)站觀測(cè)所有氣象要素），從而達(dá)到能預(yù)報(bào)當(dāng)天各項(xiàng)天氣變化之目的。“若是把過去的數(shù)值預(yù)報(bào)天氣形勢(shì)及產(chǎn)品，事先蓄存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同樣可快速在歷史資料庫(kù)中，找到與當(dāng)天最相似的日期，從而達(dá)到把數(shù)值預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)換成預(yù)報(bào)各地區(qū)各項(xiàng)天氣要素的目的。”而這就是機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)的理論依據(jù)。

周名揚(yáng)設(shè)想，機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)的研發(fā)可以按步驟開展，先選一個(gè)專區(qū)氣象臺(tái)做研發(fā)試驗(yàn)，根據(jù)選取的專區(qū)氣象臺(tái)地理位置和預(yù)報(bào)時(shí)效長(zhǎng)短，分別劃定歷史天氣圖上相似位置及范圍大小。建立數(shù)據(jù)庫(kù)，把歷史天氣圖分月、分時(shí)、分各個(gè)層次輸入。其中：地面天氣圖觀測(cè)站較密集，填寫的氣象要素較多，為了便于智能機(jī)器識(shí)別，所以要對(duì)站點(diǎn)密度進(jìn)行選擇，對(duì)氣象要素也要有所選舍，一般三天以內(nèi)預(yù)報(bào)多用此庫(kù)資料找相似。任選一國(guó)的數(shù)值天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)，同樣采用分月、分時(shí)、分層次輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，做三天以上預(yù)報(bào)用此庫(kù)資料找相似。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立后，就可每天進(jìn)行試報(bào)。根據(jù)當(dāng)天的天氣圖或數(shù)值預(yù)報(bào)天氣形勢(shì)圖，分別找出與歷史上最大相似日期和該天的天氣實(shí)況資料。根據(jù)尋找相似過程中的難、易程度和試報(bào)中發(fā)現(xiàn)問題，不斷進(jìn)行改進(jìn)，到一定程度后，就可在全國(guó)各臺(tái)站推廣。

周名揚(yáng)認(rèn)為，機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)能巧妙克服預(yù)報(bào)員主觀天氣預(yù)報(bào)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法中的缺點(diǎn)。由于人腦在某些方面不如智能機(jī)器記憶能力，因此可斷定機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率會(huì)大大超過預(yù)報(bào)員做出的主觀天氣預(yù)報(bào)。機(jī)智相似天氣預(yù)報(bào)避開了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)計(jì)算過程中的各個(gè)中間環(huán)節(jié)，減少了由中間環(huán)節(jié)帶來的各種誤差，而且做出的是全方位預(yù)報(bào)，會(huì)大大減輕預(yù)報(bào)值班工作量。

來源：北京晚報(bào) 記者 蔡文清