气象预报为什么没有你认为的准？

小明来找算命先生：“您什么都能算吗？”
先生摇头晃脑，“命运休咎～，啥都能算！”小明掏出张纸，“帮我把高等数学作业算了呗。”先生“……”
万水千山总是情，报准一点行不行？
“欸，你们做天气预报的是不是也能算命？跟算命的一样吧？”
（不一样！我们有预报员证，算命的没有。）
“天气预报一点也不准，预报员一天天的就是忽必烈列。”

算命和天气预报虽然都是预测未来，但他们可有本质区别：算命是玄学，但天气预报可是正儿八经的有一定规律可循的自然科学哦！（顺便一提，天气预报员是真的能帮你算高数，甚至流体力学也能算哦，小明同学下次来找我们吧）。
不可否认，我们现在的生活越来越离不开天气预报。明天的天气多少度，是否下雨？我们穿什么、带什么，这几乎都要依赖天气预报！
“嗐，天气预报有啥难的？”
“天气预报有什么难的？日晕三更雨，月晕午时风，看云识天，我们老祖宗都能算得准！”这话说得没错，我们的老祖宗确实很有智慧，但是气象学——真的很复杂。宏观而言，大气本身遵循一定的运动规律；但微观上又由大量处于布朗运动的气团组成（布朗运动你可以简单的理解为，像无头苍蝇一样到处乱撞乱跑），这意味着大气其实是一个非常复杂的混沌系统，其中每一个环节都存在不确定性。即使是微小的波动也可能产生巨大的变化。
讲两个小故事：1960年，美国麻省理工学院教授洛伦兹研究“长期天气预报”问题时，在计算机上用一组简化模型模拟天气的演变。他原本的意图是利用计算机的高速运算来提高天气预报的准确性。但是，事与愿违，多次计算表明，初始条件的极微小差异，均会导致计算结果的很大不同。洛伦兹用一种形象的比喻来表达他的这个发现：一只小小的蝴蝶在巴西上空煽动翅膀，可能在一个月后的美国得克萨斯州会引起一场风暴——这就是混沌学中著名的“蝴蝶效应”。没错！大名鼎鼎的“蝴蝶效应”最开始就是指天气预报难以预测。
而我们人类目前的科学技术仍未能完全认识和掌握大气运动规律。近代主要的气象预测方法是“数值天气预报”。1916年到1918年英国数学家里查逊曾经试图用人工进行数值预报，他组织了大量人力进行第一次数值预报尝试，仅仅只预测未来24小时的天气，就花掉了多人+手摇计算机12个月的时间，把这工作量给一个人干的话，得24小时不眠不休地干6.4万天，嗯，也就是175年，也就是死了还得爬起来再干半辈子。（就是这么费劲，而且只预测了一天，还不准……）。
数值天气预报就是把大气的演变规律近似表示为一组数学方程式，根据从有限观测中得到的当前大气的初始状态，通过求解这一组方程式的解，得到对未来的天气或气候状况的预报。是不是很简单？农场养鸡又养兔，一共有32个头、84只脚……，当然不是！这可不是我们在数学课上能学到的方程哟，这是一种极其庞大和复杂的方程，这方程的复杂程度，要用每秒运行数千亿次的超级计算机一刻不停地进行运算，才能求出近似解（我们真的在用这种计算机）。但这种方法得出的天气预报结果只是对未来的近似模拟，仍然不可能完全准确。而且不同的数值模式计算出的结果更是千差万别，令人迷惑，需要预报员反复地对比和分析。所以天气预报结果，也难以完全准确。
关于气象预报的发展，我们都做了什么？
看到了前面的困难，看到了大自然的难以捉摸，小伙伴们是不是有些灰心？不用怕！经过我们先辈们的潜心钻研和埋头苦干，现在的我们得到了两大法宝—厚实的气象原理积累和超强的计算机。因此，发展与地球物理相关的研究变得非常重要。2021 年的诺贝尔物理学奖，就是颁给发展气候模型的美籍日裔科学家真锅淑郎（了不起的科学家，请不要纠结他的名字哦，他的成果使全世界的气象事业受益匪浅）。他所开发的地表模式，在这六十年间，从一个没考虑地表植物的简单模型，经各家发展，变成现在更为复杂、更为真实的模型。此模型非彼模型，这个模型可比小伙伴们柜子里的动画片模型精细得太多太多了。其中的参数涵盖过去没有的植物反应、地下水流动、氮碳化合反应等等，大大增强了气候气象模型的真实性。

真锅淑郎

当然，越复杂的模型、越短的时间区间、越高的空间精细度，越需要更强大的超级计算机，还有更精准的观测数据，才能预测接下来半日至五日的气象情况。超级计算机，指的当然不是你家看电视剧的那台笔记本电脑，你单位桌上摆的那台也不行……。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。世界上排名前百大的超级计算机，都已被用来做大气科学模拟，想不到吧，气象部门的算力居然是各行业中最强的呦！各大气象中心通常也配有自己的超级计算机，这样才能做出每日预测。

超级计算机

除此之外，想要报得出，先要“看”得到，人类还通过科技延伸了自己的眼睛。通过卫星、雷达等多种手段观察整个地球。对地球科学领域的人来说，可以拿这些现实资讯来校正模拟或预测时的误差，利用数学方法将观测到的单点资料，乃至卫星资料，融合至一整个数值模型之中，将各种资料加以比对，进一步提升精准度，这种方法叫做“资料同化”。

随着“机器学习”大热，越来越多的气象学家将机器学习技术融入天气气候预报预测中，开发具有更高保真度的基于机器学习的地球系统模型，利用大集合进行极端天气气候事件预估，增强极端事件的检验和归因方法，以及先进的气候模型分析和基准测试。也许有一天，我们天气预报员真的会被人工智能所代替。但是只要它能报得准，我们就算失业流落街头给人算命也心甘情愿，因为这是人类认识自然、解读自然、预测自然的伟大一步。

气象要发展，我们需要你们的力量！
在提高天气、气候预报准确率方面，我们一直在努力。非官方统计，目前天气预报的准确率大概在80%以上。正常情况下24小时准确率95%，48小时准确率90%左右，96个小时以内的天气预报准确率在60%左右，而10天以上短期气候预测的准确率则更低。近年来，我们的预报准确率不断提高，而准确率提高的每一个百分点，都是大自然对人类的考验。可这......还远远无法充分满足各行各业的人们对更加精密、更加精准、更加精细得气象信息的需求！

我们必须不断地深入对大气运动的研究，不断地改进天气数值预报模式，也在不断提升相关预报员的素质、能力。想有效提高天气预报准确率，就要加强综合观测技术、全球和区域数值预报技术和专业数值预报技术以及气候系统模式的研发工作，要打造先进的预报预测业务系统，完善我国自主的数值预报业务系统、区域灾害性天气短时临近预报预警业务系统、面向用户需求的专业化预报业务系统以及短期气候预测业务系统，等等等等，等等等等……

全球/区域数值天气预报精准能力和精细化水平显著提升

全球智能数字预报产品体系实现升级
这些都需要我们一代又一代的有志之士，不断地投身气象事业，要靠多少代人才能促使天气预报准确率提高一点点。“风云雨雪常入梦，万千气象总关情。”心怀大志的少男少女们、对气象感兴趣的朋友们、千千万万的“小明”们，欢迎大家来投身气象，和我们一起，破解大气的奥秘。
最后，高等数学是气象学基础的基础，作业一定要自己做哦！（图片来源于网络）

作者 | 徐士琦 张丽 吉林省气象局气候中心```