天气预报

天气图预报方法  统计预报方法 动力学预报与统计预报的结合 

气象台预报    长期天气预报   天气预报的水平

天气预报是气象工作为经济建设和国防建设服务的重要手段之一。随着国民经济和科学技术的发展,天气预报的方法和技术水平也在逐步提高。现将目前我国气象台、站天气预报的一些方法、思路、依据的原理、步骤以及预报技术中的一些问题作一简括的介绍。
 

天气图预报方法

  天气图预报方法已有100多年历史,自从有电报后,各地同时间观测的气象资料能及时集中到各国的气象中心,分析出天气图。从天气图上看到一个个高、低压系统在移动着,这类天气系统在移动过程中给各地带来了天气变化。我们从天气图上分析出天气系统,预报它们在未来的移动和强度变化(包括生成和消亡),就能推论各地区未来天气的变化,这就是天气图预报方法的主要依据。我们分析各种天气图或其他辅助图表,目的就在于及时分析出引起各地天气变化的天气系统。天气图分析正确与否,是天气图预报方法的前提。天气图预报方法首先要做出天气形势预报,即预报出天气图上已有的天气系统,它们未来的移动和强度变化,同时还要判断有无新生的天气系统产生。

  在天气形势预报中,最简单的方法是外推法,即假定未来天气系统的移动和变化与起始时刻的情况相同,这种方法也称作持续性法。其次是气象员在长期天气预报的实践中,总结出有关天气系统移动或强度变化的经验预报规则,这些经验规则在天气形势预报中也有很大作用。此外,从动力气象学的一些理论中,也可以推论出一些有关天气形势预报的规则。气象员根据这些就可以作出未来的天气形势预报。

  近30年来,由于电子计算机的出现,趋向于改由机器作天气形势预报图,这种预报称作数值预报,图表示数值预报的内容。数值预报的第一步要求对所预报的天气系统从生成到消亡的主要物理过程有所认识,并将其概括成一组物理定律;第二步将这组物理定律用数学方程组表达出来,并且对这个方程组用电子计算机来求解。由于电子计算机的速度和容量有限,对方程组必须作适当简化;第三步将起始时刻的各层天气图资料编入机器;第四步由机器对这组议程进行求解,便算出未来各个时刻、各个地点和各高度上的高压面高度、温度、湿度和风速矢量的三个分量u,v,w的预报值。

  电子计算机在作压、温、湿、风的预报时,是一小段一小段时间往前预报的。例如,根据起始时刻的天气图,先算出10分钟以后的预报图,然后将这张预报图作为起始时刻的天气图,算出10分钟以后的预报图。这样一步一步连续作下去,便能算出未来24小时或48小时的预报图。如果得到一张24小时预报图,先后要作一百次左右的预报。假如我们要计算的站点(在数值预报中称作网格点)为50×50=2500点,高度取10层,对各个站各个高度预报六个气象要素(压、温、湿和三个风速分量),作一次24小时预报就需要进行一千五百万次运算。目前各国探空站的密度大约相隔400~500公里有一个站,所以由数值预报作出的各种形势预报图,只能抓住大尺度天气系统的活动,小于400公里的中小天气系统便预报不出来。

  由电子计算机作出的天气形势预报图,比用手工方法制作预报图要客观。根据检验结果,高空天气形势图,用电子计算机制作的比手工制作的要好。对地面天气图来讲,两种方法制作的效果差不多。目前开展数值预报业务的国家发布的各种天气形势预报图,大多是由机器作出并经过气象员修改后才发出的。

  天气形势预报图作出后,根据天气形势再作出各地区的天气(阴、晴、雨、雪和灾害性天气等)预报。天气预报困难较大,即使天气形势预报正确,天气预报不一定就报对,因为天气形势和天气并不是一一对应的。所以,从天气形势预报过渡到具体的天气预报,主要依靠气象员的判断,这样,气象员的经验就很重要。气象员在长期预报实践中,将本地区的重要天气编成档案或分成类型,天气形势预报确定后,从档案中找出最类似的过去个例或天气型,根据它们作出天气预报。在过去30年中,天气形势预报进展很快,但从天气形势过渡到具体天气预报,却没有很大进展,这是目前天气图预报方法中的问题之一。

统计预报方法

  有些单站气象要素(如最高、最低气温、云量、能见度以及某种危险天气等)的预报,不容易用天气图预报方法作出,往往采用统计预报方法。统计预报方法的种类很多,这里不能一一介绍,只讲一讲统计预报方法的基本思路和步骤。

  设P是我们要预报的量(例如雨量),将预报量P同其他一些气象要素(X1,X2,X3,…,X)进行统计分析,求出一个一元多次复相关回归方程关系式。得到了上式以后便可求出预报量。

  要得到有效的统计预报方法,怎样选择预报因子是个关键。预报因子的选择,要以气象员的经验和有关预报量的天气学知识作基础,从大量气象资料中选取最有效的预报因子。我国气象台站在选预报因子时,不但根据气象员自己的经验,而且还运用群众的经验,或以它为线索选取,在选取有效的预报因子时,将预报量P同许多预报因子进行单相关分析,同时从天气学角度分析这种相关有没有意义。只有将这两者结合起来,才能选出有效的预报因子。过去有一些统计预报方法,由于单凭机械地求统计相关,不考虑其物理意义,预报效果就不好。如果有电子计算机,可以选择许多观测站的气象要素或各个高空站各高度上的气象要素来作预报因子。这时必须作出某个预报因子与预报量P的相关系数水平分布图或垂直分布图,然后从天气意义上分析这种相关性分布的特征,由此再选定某一站的或某一高度上的气象要素作预报因子。

  有效预报因子决定后,根据数理统计学中的判别法和相关分析法,作出预报量(P)出现不出现的判别式,以及预报量(P)数量大小的预报方程。如果有电子计算机,很容易求得这两个方程。最后要对这两个预报方程的精确度作检查。图给出统计预报的程序。

动力学预报与统计预报的结合

  数值预报是根据动力学中的议程计算出来的,所以也称动力学预报。只要给出起始时刻的各层天气图资料,就可以确定未来任何时刻压、温、湿、风等分布的情况。这种预报在数学上也称作确定论预报。统计预报是以概率论作基础,预报量与预报因子的回归方程所示关系,在概率论上已达到某种置信的程度,因此,在大多数情况下,如果预报因子出现,预报量也就出现。但并不能保证在任何时候都这样。从预报上讲,确定论最理想,但目前还达不到这一步,不过统计预报方法仍是很有用处的。气象员应该将这两类预报方法结合起来作用,预报效果就会好些。

  预报是根据现在推论未来,所以在统计预报方法中,预报因子的选择都是取起始时刻或过去时刻的气象参数。但有一些预报量同它出现时刻的气象条件关系最密切,例如,就降水来说,它与降水出现时刻的上升运动强弱和空气中水汽含量大小的关系最密切,所以选择雨量的预报因子,最好取在预报时刻的因子,这时预报因子本身也是个预报量。有了动力学预报以后,从动力学预报得出各地各高度上压、温、湿和u,v,w三个风速分量预报值,并且从这些基本物理量还可算出其他许多物理量(如温度平流、涡度平流、水汽输送通量、稳定度指数等等)。将这些由机器给出的、预报时刻的物理参量与要求预报的量求出统计关系式。求法与图所讲的程序相同。这种由动力学预报方法和统计预报方法相结合的方法,称作由动力学预报模式得出的统计预报,简称MOS。近二、三年好几个国家已采用这种预报方法,由这个方法可以作出各地的24小时最高、最低气温预报,12~36小时各地降水量预报,各地能见度、云量和低云高度的预报,以及某种灾害性天气(如大风、暴雨、强雷暴)出现与不出现的判别预报。这类预报都是直接从电子计算机作出的。所以电子计算机在作出各种天气形势预报图的同时,也给出全国选定台站的前述诸气象要素的预报。国家气象中心将天气形势预报图和MOS预报传给各级气象台站。台站气象员将MOS预报和当地所作的预报结合起来,作出较准确的预报。天气形势预报和MOS预报的结合可能是今后国家气象中心预报业务一个有希望的方向。

气象站预报

  在西方国家,天气预报完全由气象台发布,气象站不作天气预报。近几年来,这些国家的分析和预报工作已集中在国家气象中心来做,通过传真或电传将分析和预报发送给各地气象台,气象台只起着转发预报的作用。这种形式有很大的缺点。因为各地的具体天气情况大台是很难全部掌握的,而且目前大台的预报也并不很准确,单靠大台的预报往往不能解决当地的预报服务。在1958年大跃进时期,我国开创了县气象站制作天气预报。早期气象站预报只起着对气象台发布的天气预报进行补充订正的作用,后来气象站针对本地的具体需要,用多种方法作天气预报,这是遵循毛主席的革命路线,学习毛泽东思想取得的成就,现已成为我国天气预报业务中一个组成部分,这是国外所没有的。

  气象台作预报的思路是,抓住各种天气系统的活动,作出天气形势预报,得出各高度的气压场(或温度场)预报,然后根据预报的各高度气压场对未来各地天气情况作出估计。如果要求作10天以上的预报,气象台预报就困难了,因为目前天气形势预报的时效并不长(一般不到一星期)。

  气象站作预报的思路与气象台的思路不同。气象站预报是从本地区的气象要素变化出发,以群众经验为线索,从历史资料中寻找规律,运用简易的数理统计手段,归纳成预报规则或公式。气象站的预报规则或公式大多是针对中期或长期天气预报,而中期和长期天气形势预报是目前气象台没有解决的问题,这是气象站预报方法的一个重要特点。在实际预报时,气象站预报也结合天气形势系统地了解,并考虑天、物象的征兆,所以它是一种很好的综合方法。此外,气象站还对本地的灾害性天气也概括出预报指标。目前,我国气象站预报的工具很多,这里就不一一列举了。

  气象站预报方法是我国近十多年来在预报业务中的新生事物,它有蓬勃的生命力,如果能将气象台的预报和气象站预报有效地结合起来,更可以提高天气预报的准确率。我们应该对气象站预报的工作予以支持和帮助。

长期天气预报

  在天气预报中长期天气预报是气象工作者最关心的问题,如长时间旱涝或长时期酷寒和酷热等现象的预报。在天气图上表现为在较长时期中不断重复出现的同类天气过程,就是造成持久性的异常天气现象。是什么因子使得同类天气过程不断重复出现呢?一般认为,这个问题主要不在大气内部,而是由于在大气外界的某个因子在起作用。这是当前许多国家长期预报研究工作中的一个基本观念。这些外界因子是什么呢?目前意见还很不一致。有人认为太阳的变化是长期天气过程的主要外界因子,有不少长期预报方法是根据这种观点作出的。但也有认为下垫面热力特征的异常,如海水温度、地温分布、地球表面积雪和南北极区结冰等情况的异常,是引起在某个月中或某个季节中不断重复出现同类天气过程的主要外界因子。这些下垫面热力特征的异常是由前期和同时期大气环流所造成,但反过来又影响长期天气过程。以上两种看法都有一定道理,但都还不能对长期天气过程的物理原因说得很清楚,其间的关系错综复杂,连一些观测事实也还不清楚,更谈不上理论方面的研究。所以,目前在长期天气预报中所使用的方法基本上是一些预报经验和统计方法。近年来有人开始在进行长期天气过程的数值试验,想用动力学方法作长期天气预报,但离实现还有很长一段距离。

  近10多年来,很多人注意到海洋对长期天气过程的作用。人们发现,海洋表层(几百米厚)的温度,在月与月之间或年与年之间有很大变化。海温的变化,主要是由大气环流条件造成的,反过来又能引起大范围大气环流的异常。如海洋对异常的热量贮蓄很深厚(可达500米左右),这使海温的异常能持续得比较久。所以通过海温这个大气外界因子的作用,可以造成大范围的异常天气。不少气象台站采用海水温度作为长期天气预报的因子,这是有道理的。近年来用卫星预测,收集陆地积雪、极区结冰等情况的资料,人们可以研究其异常与大范围天气反常的关系,并由此可得到有效的长期天气预报因子。

  在长期天气预报中预报因子的选择,不能同短期天气预报中指标的选法一样,它应选择表征的尺度要大而变化又比较慢的要素作预报因子,例如海水温度的变化比气温的变化慢很多,据估计只有气温变化速度的1/10,因此作为长期天气预报因子是很合适的。

  目前许多国家的长期预报只预报未来一个月或一个季度的平均天气情况,即只预报该月或该季的温度或降水量对气候平均值的偏差,如能从历史资料中找到一个相似月份或相似季节,则可以预报在该月中各旬或该季中各月的平均天气情况,要预报未来一个月中每一天的天气,就不容易了。

天气预报的水平和前景

  天气预报的技术是不断在进展着的,这与全世界气象观测网调度的加强、电子计算机用于天气预报、气象卫星的出现以及天气学和动力气象学的发展都有关系。目前国外预报中心所发布的72小时数值预报天气形势图并不很可靠,尤其当形势有突然变化时,72小时的形势预报图就不能用了。就长期天气预报的水平来说,根据对美国100个站5天温度距平预报、1个月温度距平预报、1个季的温度距平预报的检验,其准确率分别为75%,61%,58%。降水距平预报的准确率较低,只有59%、52%、51%。这里规定随机预报的准确率为50%。从这个检验结果看,长期天气预报的水平确实不高,但比随机预报要高一些,因此它还有一定的用处。

  根据大气运动可预报性的研究,对于大尺度运动,从理论讲,预报时效可以达到2周左右,而目前只能达到5-7天。可见报预的潜力还远没有发挥出来。因而近年来世界气象组织开展的全球大气观测计划,主要目的之一也在于提高天气预报的水平,尤其是中期预报的水平。在这方面,通过广泛的观测试验、综合分析、理论研究和数值模拟试验等工作,可望在不久的将来会有较大提高。天气预报逐渐走向客观定量的物理化时期。但是也应该指出,对于一些剧烈天气或局地预报,尤其是台风和气旋的发展,强雷暴和暴雨的爆发等现象,还不能完全依靠机器作出,预报员的经验仍具有相当的地位。并且报预的途径也应是多种方法的综合应用。

  因为大气运动非常复杂,大气中包含有大大小小的各种运动,而人们对大气本身的运动认识还很不足,对大气外界因子的认识就更差一些,对于大气演变的规律性掌握不够,故天气预报水平不高。但是,科学总是不断地向前发展,不会永远停留在一个水平上。气象员在预报实践中,不断总结经验,对大气过程和外界因子的作用作更深入地研究,天气预报的水平会不断提高的。