更精準(zhǔn)的天氣預(yù)報是這樣得出的

文／都芃

幾場秋雨下過，全國多地陸續(xù)進入了秋高氣爽的金秋時節(jié)，如今正是外出郊游、登高賞秋的絕佳時期。

秋季雖然氣候宜人，卻也暗藏變數(shù)，一場大風(fēng)便可以讓氣溫“一秒入冬”。出行前，打開手機中的天氣預(yù)報軟件查看一下天氣，已經(jīng)成為人們出行前的必備環(huán)節(jié)。只需輕輕滑動頁面，近至隨后幾個小時、遠(yuǎn)至十余天后的天氣狀況，都盡在掌握。

在這些人們能看到的氣溫、降水量、風(fēng)力等天氣數(shù)據(jù)背后，還有人們看不到的氣象“黑科技”。這些不斷發(fā)展的氣象科技手段，正在悄悄地改變著天氣預(yù)報。

把氣象數(shù)據(jù)放進“榨汁機”里

在天氣預(yù)報領(lǐng)域，有一個看似是常識，但卻很容易被大眾忽視的事情：天氣預(yù)報雖然是對未來天氣的預(yù)報，但預(yù)報的基礎(chǔ)是監(jiān)測當(dāng)下的天氣。

國家氣象中心天氣預(yù)報技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇告訴科技日報記者，所有對于未來天氣的預(yù)測都要從當(dāng)下的天氣情況出發(fā)，準(zhǔn)確收集當(dāng)下的天氣數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報工作的第一步。收集數(shù)據(jù)需要依賴各類氣象觀測設(shè)施，比如人們在公園、草坪等戶外場所經(jīng)常能看到的百葉箱，就是最常見的地面氣象觀測設(shè)施之一——自動氣象站。要想天氣預(yù)報準(zhǔn)確，氣象觀測設(shè)施就要布置得足夠密集。

曹勇告訴記者，僅北京便大約分布了500個自動氣象站，收集來自城市各個角落的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度等氣象信息。除了常見的自動氣象站，氣象觀測設(shè)施還有放飛的探空氣球、飛翔在我們頭頂上空的氣象衛(wèi)星以及部署在眾多城市的天氣雷達等。

有了原始的氣象觀測數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)得出預(yù)測結(jié)果，是天氣預(yù)報中的關(guān)鍵問題。

“很早以前，我們用的是外推法，就是根據(jù)氣象演變在短時間內(nèi)具有一定連續(xù)性的原則，通過把當(dāng)前的天氣趨勢外延一段時間，進而得出預(yù)報結(jié)果?！辈苡卤硎?，外推法的預(yù)報精準(zhǔn)度往往較為有限，如今要實現(xiàn)更加精確的天氣預(yù)報就要依賴超級計算機和預(yù)報模型。

“原始的氣象數(shù)據(jù)就像是原材料，超級計算機和預(yù)報模型就像是‘榨汁機’。我們把原材料全都投入到‘榨汁機’中，經(jīng)過大量的計算去偽存真、去粗存精。在經(jīng)過精準(zhǔn)推演后，我們就能得到一個相對精確的預(yù)報結(jié)果。”但曹勇也表示，即使是超級計算機也存在一定的誤差，這時就需要發(fā)揮預(yù)報員的關(guān)鍵性作用。他們會依據(jù)長期以來積累的預(yù)報經(jīng)驗對輸出結(jié)果進行調(diào)整，從而使天氣預(yù)報更加精準(zhǔn)。

百米級、分鐘級預(yù)報成為現(xiàn)實

在2022年北京冬奧會延慶賽區(qū)開賽的第一天，比賽還未正式開始，天氣預(yù)報服務(wù)團隊就面臨了一次考驗——判斷現(xiàn)場風(fēng)速是否適宜比賽。經(jīng)過謹(jǐn)慎研判，該團隊最終對未來天氣給出了判斷：當(dāng)天中午到下午賽道上的風(fēng)速較大，第二天風(fēng)速會明顯減小。工作人員基于這一信息，決定將當(dāng)日的比賽調(diào)到次日舉行。事后觀測表明，當(dāng)天下午的天氣情況果然與預(yù)報結(jié)果一致。

曹勇告訴記者，目前我國能夠?qū)崿F(xiàn)的氣象預(yù)報精度在部分地區(qū)可以達到公里級甚至百米級，而在時間尺度上則可以實現(xiàn)分鐘級預(yù)測。

“比如，在2022年北京冬奧會舉辦期間，我們的氣象預(yù)報團隊可以準(zhǔn)確給出賽場范圍內(nèi)精確到分鐘級的，涵蓋氣溫、濕度、風(fēng)速等關(guān)鍵信息的天氣預(yù)報?！辈苡卤硎?，要實現(xiàn)如此高精度的氣象預(yù)報，首先就要在監(jiān)測上下功夫：要提升監(jiān)測密度、進行加密監(jiān)測。這是精細(xì)預(yù)報的基礎(chǔ)，2022年北京冬奧會的三個賽區(qū)就布置了400多套氣象觀測設(shè)施。

要實現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報，不僅數(shù)據(jù)要更加豐富、準(zhǔn)確，用來進行計算預(yù)測的“榨汁機”也要足夠“高精尖”。

“如果我們希望對某一個局部地區(qū)進行高精度的天氣預(yù)報，那么我們就可以針對這一區(qū)域的實際情況，單獨搭建一個更加精密且貼合區(qū)域?qū)嶋H特點的預(yù)測模型，這樣就會得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)然，這需要氣象觀測團隊、預(yù)報團隊以及研發(fā)團隊之間的密切合作。”曹勇表示。

高精度的天氣預(yù)測，絕不是重大賽事活動的專屬，它也在逐步走進你我的日常生活。智能網(wǎng)格預(yù)報，就是這樣的產(chǎn)品。

曹勇介紹，過去的天氣預(yù)報產(chǎn)品主要以站點預(yù)報為主，比如北京市的天氣情況就只用幾個站點的天氣來代表，這對于地域范圍較大的城市來說顯然不全面?！坝袝r候可能海淀區(qū)在下雨，朝陽區(qū)卻沒下。如果僅用幾個站點來代表整個北京的天氣情況，大家就會覺得我們的預(yù)報不準(zhǔn)。”曹勇說。

他進一步解釋道，智能網(wǎng)格預(yù)報是將城市劃分為一個個更加細(xì)密的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格都有單獨的天氣預(yù)報結(jié)果。當(dāng)人們攜帶智能手機進入到不同網(wǎng)格時，手機便會接收到關(guān)于這一網(wǎng)格內(nèi)的天氣情況，其預(yù)測精度相比過去的站點預(yù)報得到了較大程度的提升。

每部手機都是一個微型氣象站

從過去守在電視機前觀看天氣預(yù)報節(jié)目，到如今在手機上隨時隨地查看任一時間的天氣狀況，天氣預(yù)報技術(shù)每一次的進步背后，都離不開多種“硬核”觀測科技手段的有力支撐。

曹勇表示，近年來我國的氣象觀測技術(shù)有了顯著提升，比如在2016年發(fā)射的風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星就大大提升了我國的氣象觀測能力。風(fēng)云四號衛(wèi)星目前共有A星、B星兩顆星在軌運行，曹勇介紹道，風(fēng)云四號B星的觀測分辨率已經(jīng)可以達到百米級，它甚至能夠“看”清楚云層中的對流泡。

不僅觀測分辨率大幅提升，過去風(fēng)云二號衛(wèi)星傳回一張衛(wèi)星云圖需要半個小時，如今的風(fēng)云四號A星則只需要5分鐘，甚至在觀測重點局部地區(qū)時可以實現(xiàn)1分鐘傳回一張圖。

“借助風(fēng)云四號，我們可以密集獲得衛(wèi)星云圖，將這些圖片連起來看，就像是看高幀率的電影，非常流暢?！辈苡卤硎?，目前我國的氣象衛(wèi)星已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，進入與該領(lǐng)域領(lǐng)先國家“并跑”的階段。

不僅氣象衛(wèi)星技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，我國的天氣雷達也正在進行全新的技術(shù)升級改造。天氣雷達通過發(fā)射電磁波照射大氣中的水粒子，能夠?qū)崿F(xiàn)對雷暴、大風(fēng)、冰雹等強對流天氣的精準(zhǔn)預(yù)測。

曹勇介紹，目前我國已部署了200余部天氣雷達，單部雷達的有效觀測半徑能夠達到200多公里，在我國人口密集的中東部地區(qū)已基本實現(xiàn)無死角覆蓋。當(dāng)前，氣象部門正在對現(xiàn)有的天氣雷達進行雙偏振改造，經(jīng)過改造的雙偏振天氣雷達，能夠更加準(zhǔn)確地描述降水粒子的尺寸和形狀、降水類型及分布情況，更好地識別氣象回波，濾除異?；夭?，將有效提高對雷暴大風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警能力。

除了這些“硬核”的觀測手段，曹勇還提到，如今氣象觀測中還出現(xiàn)了一個新分支——社會化氣象觀測。

“每個人的手機中都有可測量氣壓、溫濕度的設(shè)備，每部手機就相當(dāng)于一個微型氣象站，可以用來收集氣象數(shù)據(jù)?！辈苡抡J(rèn)為，雖然手機收集的數(shù)據(jù)可能相對“粗糙”，但其優(yōu)勢在于量大。未來隨著機器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到氣象預(yù)測中，社會化氣象觀測所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，或許能成為預(yù)測模型數(shù)據(jù)來源的有力補充，為實現(xiàn)更加智能化、精準(zhǔn)化的天氣預(yù)報提供有效支撐。