28天：天氣預(yù)報(bào)新極限

凱西·佩吉恩（KathyPegion）

要想讓次季節(jié)預(yù)報(bào)做到像7天天氣預(yù)報(bào)那樣準(zhǔn)確，科學(xué)家還有很長(zhǎng)的路要走?！∫曈X中國(guó)　?圖

預(yù)報(bào)未來3~4周的天氣，所需的初始信息其實(shí)和常規(guī)的5天預(yù)報(bào)是一樣的。次季節(jié)預(yù)報(bào)還需要額外輸入全球的氣象信息，不過要讓計(jì)算機(jī)能夠在合理的時(shí)間內(nèi)算出結(jié)果，預(yù)報(bào)模式需要忽略掉一些細(xì)節(jié)。

環(huán)球科學(xué)?　供圖

隨著計(jì)算機(jī)速度越來越快，對(duì)氣象現(xiàn)象的理解越來越深，氣象學(xué)家已經(jīng)比較有把握能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來4周的天氣情況。

現(xiàn)代人已經(jīng)習(xí)慣于先查天氣預(yù)報(bào)，然后再安排未來3天、5天或者7天的活動(dòng)了。例如，人們會(huì)提前安排好計(jì)劃，周末與家人出門野餐；在低溫天氣來臨前，農(nóng)民要保護(hù)橘子樹免受嚴(yán)寒侵害；如果發(fā)生野火，應(yīng)急管理人員需要疏散位于下風(fēng)口的居民；如果大雨將至，那些沿河而居的社區(qū)需要提前準(zhǔn)備好沙包，將房屋和商場(chǎng)保護(hù)起來。

如果能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)3周甚至4周后的天氣，以上這些決策都會(huì)更加受益。農(nóng)民可以通過預(yù)報(bào)查詢會(huì)不會(huì)出現(xiàn)晚霜凍，以此決定在早春種植作物是否安全。如果氣溫會(huì)回升，滑雪場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者可以選擇稍后再造雪。管理水資源的機(jī)構(gòu)可以在春季汛期來臨前開閘放水，或者向水庫(kù)中蓄水提早為抵抗干旱做準(zhǔn)備。當(dāng)然，你也可以提前計(jì)劃在下個(gè)月才放的假期。

早在幾年前，大氣科學(xué)家就開始發(fā)布未來3-4周的“次季節(jié)”（subseasonal）天氣預(yù)報(bào)了。我們知道，典型的天氣預(yù)報(bào)（一般是未來7-10天）會(huì)提供每天的最高和最低溫度、降雨或降雪概率，以及風(fēng)向和風(fēng)速。次季節(jié)預(yù)報(bào)主要提供未來某一天的溫度和濕度概況，預(yù)判它會(huì)高于還是低于基于歷史數(shù)據(jù)得到的平均值，同時(shí)還會(huì)預(yù)報(bào)危險(xiǎn)和極端天氣。原本，在短期天氣預(yù)報(bào)和更注重宏觀趨勢(shì)的季節(jié)預(yù)報(bào)（例如太平洋的厄爾尼諾現(xiàn)象是否會(huì)造成北美夏季偏暖）之間存在巨大的鴻溝，次季節(jié)預(yù)報(bào)恰好填補(bǔ)了這個(gè)空缺。

次季節(jié)預(yù)報(bào)正在不斷發(fā)展中。例如，我和美國(guó)邁阿密大學(xué)的同事一起領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)叫做SubX（Subseasonal Experi-ment，次季節(jié)實(shí)驗(yàn)）的氣象模式，它提前幾周準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了多種氣象變化：2018年邁克爾颶風(fēng)帶來的降水增加；2019年1月底美國(guó)中西部的一次強(qiáng)烈的冷空氣暴發(fā)；以及2019年7月阿拉斯加的熱浪。SubX項(xiàng)目是從3年前啟動(dòng)的，目前已經(jīng)集合了美國(guó)和加拿大7家主要的氣候和地球研究中心的預(yù)報(bào)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(guó)和全球的預(yù)報(bào)地圖。結(jié)果顯示，美國(guó)東部將會(huì)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(zhǎng)的冬季將繼續(xù)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(dāng)然，這些預(yù)報(bào)有一些是正確的，有一些則不然。

關(guān)鍵氣象因素

目前，未來7-10天的天氣預(yù)報(bào)是通過計(jì)算機(jī)模型模擬大氣變化推導(dǎo)出來的。這些模式使用的數(shù)理方程描述了大量信息，包括溫度、風(fēng)、水汽是如何在每分每秒上變化的。這種預(yù)報(bào)模式誕生于20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，我們對(duì)氣象變量的理解更加深入，預(yù)報(bào)能力也在穩(wěn)步提升。在1990年，只有未來3天的天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率能達(dá)到80%以上，如今，未來3天、5天、7天的預(yù)報(bào)都可以達(dá)到這一水平。

就像7天預(yù)報(bào)一樣，在做3-4周的預(yù)報(bào)時(shí)也需要從當(dāng)前的天氣狀況出發(fā)，只是需要考慮更多的影響因素。全球各大氣象和空間機(jī)構(gòu)（如美國(guó)海洋和大氣局、美國(guó)航空航天局）每天都會(huì)用探空氣球、氣象站、飛機(jī)和衛(wèi)星收集約400萬份數(shù)據(jù)（包括氣溫、氣壓和風(fēng)向、風(fēng)力、濕度等），大氣科學(xué)家再把這些數(shù)據(jù)集合到一個(gè)天氣模式中。

為了將7天的預(yù)報(bào)延長(zhǎng)至3-4周，氣象學(xué)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(xù)幾日的暖干天氣會(huì)減少土壤中的水分，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)和降水減少，以此誘發(fā)干旱事件。來自平流層高處的風(fēng)（比飛機(jī)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(huì)影響急流的位置和強(qiáng)度，而這又會(huì)引導(dǎo)北半球的風(fēng)暴從西向東移動(dòng)，并影響極端溫度事件的發(fā)生。

次季節(jié)預(yù)報(bào)模式還必須考慮某些全球性的天氣和氣候現(xiàn)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(fēng)系統(tǒng)，會(huì)在數(shù)月內(nèi)由西向東環(huán)繞地球一周。MJO每年發(fā)生4-6次，有時(shí)連續(xù)發(fā)生，有時(shí)隨機(jī)發(fā)生。MJO影響風(fēng)場(chǎng)、大氣高低壓中心的位置，以及很多地區(qū)鋒面生成的位置。例如，MJO對(duì)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(zhǎng)而窄的強(qiáng)降雨帶，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的洪水，但同時(shí)也提供了珍貴的水資源。MJO還可以影響局地的風(fēng)切變強(qiáng)度，因此，也會(huì)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(yù)報(bào)邁克爾颶風(fēng)的原因之一。

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

海量計(jì)算如何平衡？

進(jìn)行次季節(jié)預(yù)報(bào)需要考慮很多變量，即使最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也會(huì)不堪重負(fù)。天氣預(yù)報(bào)模式會(huì)將三維的大氣拆分為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)格為單位進(jìn)行運(yùn)算。例如，美國(guó)海洋和大氣管理局（NOAA）最新的全球天氣預(yù)報(bào)模式中就擁有約2億個(gè)網(wǎng)格。其中，最接近地球表面的每個(gè)網(wǎng)格覆蓋了長(zhǎng)13千米、寬13千米、高50米的空間區(qū)域。其他網(wǎng)格堆疊其上。越往上，網(wǎng)格就變得越高，到了平流層之上，網(wǎng)格的高度會(huì)達(dá)到700米。這套模式會(huì)計(jì)算與溫度、壓力、水平和垂直風(fēng)速以及濕度變化相關(guān)的方程組，以20秒為間隔預(yù)報(bào)大氣的演變過程。

就像一個(gè)個(gè)微小的像素組成了你智能手機(jī)中的圖片一樣，這些網(wǎng)格被連接在一起時(shí)，也會(huì)像一幅完整的圖片一樣提供關(guān)于未來天氣的信息。為了預(yù)報(bào)未來5天的天氣，一個(gè)模式需要對(duì)近百個(gè)方程組進(jìn)行約23000次運(yùn)算，如果使用一臺(tái)1500核的大型超級(jí)計(jì)算機(jī)，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(yù)報(bào)時(shí)間（為保證預(yù)報(bào)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，需要盡可能快得出結(jié)論）之間，氣象學(xué)家必須找到一個(gè)平衡。即便技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，5天預(yù)報(bào)模式也不能模擬出網(wǎng)格內(nèi)的方方面面。例如，現(xiàn)在還無法體現(xiàn)單體云、雷暴，以及復(fù)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(gè)網(wǎng)格面積6平方千米（相當(dāng)于邊長(zhǎng)2.45千米，這是有效表現(xiàn)上述特征所需要的分辨率），要得出未來5天的預(yù)報(bào)結(jié)果，需要花費(fèi)5個(gè)多小時(shí)才行。為了能夠提供及時(shí)的預(yù)報(bào)信息，本地的氣象工作者并不會(huì)等這么久。

要把MJO等額外的大尺度因子納入考慮，創(chuàng)建一個(gè)切實(shí)可行的預(yù)報(bào)未來4周天氣的模式，我們必須擴(kuò)大單個(gè)網(wǎng)格的覆蓋范圍。根據(jù)不同情況，模式會(huì)將網(wǎng)格的數(shù)量從2億減少到200萬到1000萬之間。如果將網(wǎng)格的邊長(zhǎng)擴(kuò)大到50千米或100千米，我們就能以相同的計(jì)算能力在40分鐘內(nèi)完成更加復(fù)雜的運(yùn)算，但這不可避免地會(huì)忽略掉很多細(xì)節(jié)。我們可以把未來3-4周的預(yù)報(bào)看作是低分辨率的圖片:仍然可以分辨主要特征，但具體細(xì)節(jié)卻不太清楚。大面積的高溫或降水仍然能呈現(xiàn)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(shí)別。

盡管如此，我們對(duì)全球氣象的理解已經(jīng)足夠充分，計(jì)算已經(jīng)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(dǎo)出一個(gè)氣象學(xué)家可接受的低分辨率圖像。

優(yōu)中選優(yōu)

每周，參與SubX的7個(gè)中心都會(huì)各自做一份未來32-45天的預(yù)報(bào)，與7天預(yù)報(bào)相比，這份預(yù)報(bào)包含的觀測(cè)數(shù)據(jù)多了幾千組。每個(gè)中心都會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)氣候與社會(huì)國(guó)際研究所管理的中央數(shù)據(jù)庫(kù)。接下來，SubX進(jìn)一步將數(shù)據(jù)整合到喬治梅森大學(xué)的計(jì)算機(jī)上。像歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心這樣的組織，全球大約有10個(gè)，他們只是利用單一模式進(jìn)行次季節(jié)預(yù)報(bào)。而SubX團(tuán)隊(duì)是唯一一個(gè)能夠?qū)⒍鄠€(gè)模式預(yù)報(bào)結(jié)果整合到公共預(yù)報(bào)服務(wù)中的團(tuán)隊(duì)。

將7個(gè)不同的模式整合后，SubX的預(yù)報(bào)效果要比任何一個(gè)單獨(dú)的模式都好。部分原因是取了不同預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的平均值，還有部分原因是因?yàn)槔昧嗣總€(gè)模式的優(yōu)勢(shì)。例如，每個(gè)模式都必須估算出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)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(gòu)建出一個(gè)最優(yōu)選擇。在針對(duì)美國(guó)的天氣預(yù)報(bào)中，相比于單一模式系統(tǒng)，SubX在60%的時(shí)間里對(duì)溫度的預(yù)報(bào)更好，在81%的時(shí)間里對(duì)降水的預(yù)報(bào)更好。

SubX的科學(xué)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(shí)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(yù)報(bào)結(jié)果，生成了一個(gè)擁有超過20TB信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。在每一次運(yùn)行完畢后，我們都會(huì)將預(yù)報(bào)結(jié)果和3-4周后的真實(shí)記錄進(jìn)行對(duì)比。這讓我們有機(jī)會(huì)檢驗(yàn)各種不同的氣候條件對(duì)次季節(jié)預(yù)報(bào)的影響。

無論這些結(jié)果是否準(zhǔn)確，我們都能用來提高模式的預(yù)報(bào)表現(xiàn)。其中包括我們應(yīng)該如何更好地重現(xiàn)平流層、MJO和NAO，以及更好地預(yù)測(cè)這些現(xiàn)象在不同地區(qū)對(duì)天氣的影響。例如，兩個(gè)為SubX提供數(shù)據(jù)的NO-AA模式團(tuán)隊(duì)分別對(duì)云、雷暴和降雨的計(jì)算方程進(jìn)行了優(yōu)化，以更好地模擬MJO。隨后，科學(xué)家用新模式又做了一輪測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)針對(duì)未來3-4周的預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)了。

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)

那么，我在2月27日用subX對(duì)3月21日到27日做的天氣預(yù)報(bào)，究竟準(zhǔn)不準(zhǔn)呢？　當(dāng)時(shí)生成的預(yù)報(bào)圖顯示：在美國(guó)，伴隨著東海岸地區(qū)春季提前、西部地區(qū)冬季延長(zhǎng)，東部將偏暖，而西部將偏冷，東南部地區(qū)將比正常年份更加潮濕。

在東南部，異常的潮濕天氣確實(shí)持續(xù)了很久。在春季積雪融化、密西西比河水位已經(jīng)偏高的狀況下，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降雨還能為當(dāng)?shù)氐姆篮闇p災(zāi)措施提供有價(jià)值的信息。事實(shí)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(dá)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(dá)到洪水位。SubX之所以能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，部分原因是它成功地預(yù)測(cè)了墨西哥灣的暖海溫，這正是東南地區(qū)降雨增加的關(guān)鍵條件。另外，SubX還預(yù)報(bào)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(nèi)，通過準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)低壓和高壓系統(tǒng)的位置，SubX成功地預(yù)報(bào)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(duì)澳大利亞溫度的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，則歸功于模式已經(jīng)能很好地預(yù)報(bào)MJO，推斷與它相關(guān)的多云和晴朗的地區(qū)。

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(guó)中大西洋地區(qū)、東北部和俄亥俄河谷的地理范圍。另外，它沒能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓和低壓系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)，這也影響了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。模式并沒有預(yù)報(bào)出俄勒岡州的降水高于平均水平，不過，導(dǎo)致降水偏多的是一場(chǎng)持續(xù)時(shí)間較短的暴雨，集中在3月24日和25日。我們?cè)谙掠昵耙恢苡诌\(yùn)行了一次SubX，7個(gè)獨(dú)立的預(yù)報(bào)模式大多依然沒能預(yù)報(bào)出這場(chǎng)雨。即便預(yù)報(bào)未來7天的天氣，要準(zhǔn)確找出導(dǎo)致這次降雨的風(fēng)暴也是不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇髿庵械幕煦绗F(xiàn)象總能以出人意料的方式出現(xiàn)。

要想讓次季節(jié)預(yù)報(bào)做到像7天天氣預(yù)報(bào)那樣準(zhǔn)確，我們還有很長(zhǎng)的路要走。但一大批大氣科學(xué)家正在努力工作，試圖讓它變成現(xiàn)實(shí)。或許在10年后，當(dāng)你在手機(jī)上查看天氣時(shí)，會(huì)在“28天預(yù)報(bào)”的標(biāo)簽里看到一顆太陽或一朵云的圖標(biāo)。

（Scientific American中文版《環(huán)球科學(xué)》授權(quán)發(fā)表，趙寅翻譯）