哪有什么未卜先知，只是有人为你毕生求索

Posted 2021-03-04 nmc-nmc

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仰望星空，预测未来，一直是人类永恒的梦想。对自然的好奇造就了人类对大气科学的不断探索。从“看云识天气”的经验传承到“二十四节气”的韵律实践，从1860年代第一张手绘天气图的诞生到20世纪以数值模式为基础的现代天气预报体系的建立，大气科学的发展历程，就是人类在复杂的不确定性中寻找可预报性的历史，也是人类孜孜以求，构建人与自然命运共同体的历史。

天气预报：时代印记

当每天晚上 “渔舟唱晚”的乐声响起，天气预报传递给我们的信息，不仅关乎天气，也是我们每个人日复一日的生活印记。今天是第60个世界气象日，现代天气预报技术的发展走过了近200年历程，天气的秘密，早已从远古时代的只有少数人掌握的“天机”，变成了今天每个人都可以通过学习掌握的一门科学，“天有不测风云”逐渐变得“一切尽在掌握”。

中央气象台/世界气象中心（北京）

数值预报：异军突起

1910年代，Lewis Fry Richardson第一次将应用差分算法的天气图内插到网格上，手绘了第一张“手工数值天气预报”，如果依赖人工计算，需要一百多人算一年多，等结果出来，已经毫无意义。可以说，超级计算机的出现，使数值天气预报真正成为了科学与技术结合的典范。准确求解含有时间项的偏微分方程组，洞悉未来的方向，就是天气预报的终极使命。现代天气预报通过卫星、雷达、以及几乎覆盖全世界的天气观测网，对地球进行24小时不间断的“凝视”，可以直观看到未来1-2天的可能影响我国的天气系统，同时，利用超级计算机，通过数值预报系统预测这些影响系统的发展变化，因此，海量的观测数据和基于物理基础的数值预报系统，组成了现代天气预报的基础。

（超算、数据存储和数据通信作为天气预报工作的神经和血脉，参与到从数据获取，传输，计算、到最后将预报结果发布到用户手中的全流程）

中央气象台的预报专家历经几代人、数十年艰苦卓绝的努力，成功研发了具有我国独立知识产权的数值预报系统——GRAPES，目前GRAPES_MESO 中尺度数值预报系统已经将分辨率提升到了 3km x 3km，更细的网格意味着预报精度的提升，同时，也是对机器算力的挑战。

GRAPES数值预报体系

蝴蝶效应：理论基础&哲学魅力

作为预测科学，天气预报以其不确定性令人着迷，同时，也给科学认识天气发展规律带困扰。当人们从大气运动的初始状态出发，求解方程推测未来时，微小差异会使结果大相径庭，这就是“混沌效应”，又称蝴蝶效应——结局对初始条件具有极强的敏感性。“混沌”并不是一个错觉，而是试图解释自然界中，一个微小的误差如何“长”起来，并通过追求更长的预报时效和更高的预报精度，来化解天气奥秘的理论基础。
在不确定性的真实世界中，概率预报或许是一个解药，由多个集合预报成员在不同的初始扰动下，将天气预报的不确定性和决策权完整的交到用户手中。同时，依靠机器学习，借助高效存储设备，对大量的历史雷达资料进行识别分析，提高对雷雨大风冰雹等“小尺度”天气的预报能力，同时，结合观测资料的快速同化，在模式基础上建立高时空分辨率的无缝隙全覆盖智能网格预报一张网，通过构造“精细”，最大可能减小天气预报的不确定性。

预报准确率：苟日新 日日新

既然天气预报的不确定性是无需争议的，那么如何看待这种不确定性的体系下提供出来的可预测结论？其实关于天气预报到底准不准，要看检验标准。譬如暴雨的定义，气象学的规定是24小时降雨量为50-99.9毫米的降雨，而公众往往认为是“下得猛烈”的急雨，这就造成了理解上的偏差。事实上，从气象行业标准来说，我国的天气预报准确率，近年来已经得到了快速提升， 24小时晴雨预报准确率高达90%，台风路径误差小于70公里，创造人员零伤亡的“默戎奇迹”震惊中外……毫无疑问，准确和及时是对天气预报最直观的判定标准，同时，科学看待预报结论，并做出趋利避害的选择才是探讨预报准确率的价值。

预报挑战：物理驱动&数据驱动

在技术支持上，未来随着数值模式分辨率和精度提升，更大规模的带宽、存储和算力的支持必不可少。以覆盖全球的0-30天气象监测预报系统为例，需要建立计算能力达30PFlops和配套90PB存储的高性能计算系统，以及计算规模超过10000核1000台以上通用服务器及虚拟机和配套30PB存储的云计算及存储系统。海量的数据流转需要万兆以上的网络带宽支持。100毫秒量级的高时效高吞吐解析及数百人并发访问时提供10毫秒量级的高性能响应，这些都是天气预报流程中要面临的重大挑战。

预报未来：在数据蓝海中挖掘人类未来

人类在地球这片土地上守候千年，本已写好的“天气脚本”在人类的活动的影响下，不断发生巨大的改变。澳洲大火，非洲蝗灾，南极升温，气候变暖……天气和气候，也许正在改写着人类的未来。正如“每一个关于未来的问题，都能在过去找到答案。”天气预报发展到今天，其经历的每一次成功、挫败，都需要被验证，最后化为宝贵的智慧财富。“智慧台风检索系统”——将我国自1949年以来的台风数据集进行了汇总，可以实现海量数据的高速解析处理、快速吞吐、快速统计；“天气个例历史数据库平台”——借由分布式处理和长序列数据访问的新基建，实时满足预报员海量历史个例中分析原因，总结经验，通过快速对比，寻找相似性，让历史照进现实。

应用机器学习制作雷达短临外推预报

结语

哪有什么未卜先知，只是有人为你毕生求索——现代天气预报这份充满浪漫美学的事业，尚且年轻，依然在路上。回首来路，每一次天气图前深情的凝视，每一个雷雨交加夜晚的彻夜难眠，每一行敲下的代码……都将成为自然科学界的吉光片羽，也是人类对大气奥秘极致追求的的最好证明。当我们仰望山顶时，山谷就是充满希望的旅程。在这个物理与数据共同驱动的世界里，通过淬炼科技智慧，挑战预报极限，我们希望把每一份关于天气的关怀，送到你身边。

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