涨知识｜穿越100年，天气预报竟是这样

在过去一个世纪里，天气预报从一项基于经验、推测，几乎无技巧可言的活动，演化成不断提升自动化水平、展示很好的预报准确性的高技术事业。
这一转变的完成，有赖于我们观测大气和通过应用各种物理原理认识大气现象能力的提升，以及数字计算的发展。
追踪过去100年里天气预报的进步及其背后的科学问题，这种进步被划分为4个长度为20-30年的时代。每个时代里，预报科学和实践都经历了重大改变。
时代1
1919年-1939年

1939年3月29日的一张地面天气图
天气图和图解法
在这个始于1919年直到第二次世界大战开始的第一个时代，社会对预报的需求在增加。这一时期的技术使观测和通信条件得到改进，不过，尽管适用于数值预报（NWP）的运动方程的形式已经提出，但还没有任何数值解。
1939年，美国预报员一天的工作包括通过电传得到观测数据，然后绘图和分析得到地面图、海平面以上一万英尺（1英尺=30.48厘米）图和等熵面图。
高空图被认为是制作降水预报的基础。预报员利用这些图确定气团和边界。
最重要的技术是天气系统过去的运动和变率的简单外推。农业和交通业是主要用户。
1927年，人类航空史上的先驱、美国著名飞行家查尔斯·林白首次独自驾机成功飞越大西洋之后，航空气象服务重要性更加凸显。
这一时期，国际科学交流非常充分，尤其是在欧洲和美国之间。1917年，位于卑尔根的地球物理研究所创办，是这种交流最开始的中心。著名的气象学家罗斯贝就是从这里“毕业”的。
后来，罗斯贝在麻省理工学院（MIT）创办了首个气象系。芝加哥大学和加州大学洛杉矶分校（UCLA）也开展了类似MIT举办的预报员培训，以满足美国陆军空中部队的急迫需求。
时代2
1939年-1956年

1950年前后华盛顿美国中部分析中心的预报员正在工作。
航空时代
在这一时代，技术对气象的影响开始呈现并快速增大，在预报方面尤其如此。
二战及“冷战”的开始，在很大程度上促进了该时代初期的天气预报。
地面观测依然是观测系统的支撑，美国天气局（NWS）的地面分析流程倾向于遵循卑尔根学校提出的地面分析原则：确定冷、暖和锢囚锋。
而通过探空仪提供高空常规观测，也在这一时代初刚刚兴起。
上世纪30年代中后期，MIT开发的等熵分析得到应用，这对于展现天气系统的3D结构非常重要，特别是在垂直运动领域。
30年代还诞生了一个特别方法，将高层气流与地面形势，以500百帕风所表示的24小时地面气压趋势联系起来。这一方法在随后20年里一直在德国应用。
在美国，1942年NWS在华盛顿建立了中部分析中心，该中心可以生成这类地面和高空天气图，并通过传真发布，为民用和军事飞行提供天气信息。
这一时期，飞机也成为实时天气数据的重要来源。最开始，飞行员用语言报告，并通过无线电设备传到地面。后来，可携带仪器的飞机成了关键研究工具之一。
携带探空仪系统的无线电传输气球的出现，给天气预报带来了革命，而这场革命通过二战得以加速。
1938年到1946年，全球开展了14.7万次探空，而1948年到1957年的探空次数比这一数据的10倍还多，主要目的是满足二战后大量增加的商业航空需求。
船载高空观测始于二战期间，高峰时在大西洋有22条专业船只，在太平洋为24条。
为了支持跨大洋商业飞行，大西洋上13条船组成的网络在战后保留下来；太平洋船只网络也一直持续至上世纪70年代，才随着卫星和自动浮标站出现而淘汰。
二战后，无线电探测和测距作为探测水汽关键工具的作用才被发现。
战后，多余的雷达设备转为民用成为可能。50年代中期，雷达已经在一些机构用于研究中尺度和对流尺度天气系统。
著名数学家、电子计算机之父冯·诺依曼与包括NWS局长赖克尔德弗在内的决策者接触。1947年，他们决定在普林斯顿大学先进研究所组成一个小规模的科学家小组，来探讨雷达气象探测相关业务。
时代3
1956年-1985年

瑞典学者BertBolin(左)向挪威和英国同行介绍借助正压模式和瑞典BESK计算机系统建立的自动预报系统。
用多种地图、图形和NWP预报
上世纪50年代中期，预报在很大程度是主观的，基于从当时已经建立的全球探空网数据得到的高层环流外推，以及卑尔根学校关于温带高层波演化及其与地面气压分布的联系做出。
第一次NWP预报1956年在瑞典出现，美国则是从1958年开始的，预报信息均可通过传真机获得。
从那时起，经历了长期预报准确性改进的历程。直到80年代，NWP才成为美国天气预报的基础。
在整个时代里，预报员就业务NWP的局限达成广泛的共识，模式对实际预报的影响充其量只是参考。
这一时代，卫星遥感和雷达的日常应用，极大地改变了短期客观预报和大气研究，尤其是对于中尺度天气。
1957年第一颗人造卫星“伴侣号（Sputnik）”的发射带来了国际空间竞赛并由此定义了时代3的开始。
从60年代开始，气象卫星每天监视整个地球。美国1960年发射的TIROS-I卫星得到的图像带来极大惊喜。
到1980年，TIROS-N每12小时提供全球250公里间隔的晴天垂直温度和湿度廓线。
70年代中期，地球静止卫星图像出现，高频率、实时云监测是观测领域的巨大进步。
卫星云图直接展示了大气结构的新视角，反过来，也完善了三维气流分布概念模型这一预报员预报的主要依据。
世界气象组织（WMO）要求每6小时开展地面天气观测，但是航空方面的需求，逐步让很多国家实现每小时观测一次。
逐时观测可以更好地描述与当前预报相关的天气形势是如何演化的。
密集的观测还突出了以前无法得到的中尺度特征，如非锋面风向改变和等变压分布等。
这一时期，政府开始控制大气污染排放，如二氧化硫和氮氧化物。这让私企气象学家获得机会来预报大气污染。
1957年，“空间时代”开始，让很多国家开始重视地球科学。
艾森豪威尔召集成立了总统科学顾问委员会。通过该委员会，来自14所美国大学的科学家成立了大气科学大学联盟（UCAR），之后在国家科学基金（NSF）的支持下，建立了美国国家大气研究中心（NCAR）。通过与UCAR成员大学合作，NCAR主要对天气预报的长期改进作出了贡献。
1975年，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）成立，17个欧洲成员国聚集欧洲资源改进天气预报和气候数据。
从1980年开始，ECMWF每天制作全球预报。
时代4
1985年-2018年

1993年3月13日波士顿当地报纸BostonHerald头版报道的剧烈天气信息
（报纸标题：《全…靠你自己》，编译者注）。来源：Uccellinietal.（1995）
现代化时代
在这个离我们最近的时代，NWP毫无疑问主宰了预报过程。
从NWP演化，到进入21世纪NWP模式稳定改进，预报员花费更少时间订正预报，却更加关注向非气象人员交流和解释NWP指南以支持决策。
从上世纪80年代中期到90年代中期的关键改变事件，包括得到极大改进的数据同化（DA）方法的引入和更有效的全球模式。
尤其是全球模式，90年代引进的替代探空类数据的卫星辐射反演探测数据的直接同化是一个重要跳跃。
更加有效的区域模式出现，借助改进的高频率观测，包括雷达和卫星，创新了利用这些观测的DA技术，发展和细化了具有复杂的云和边界层物理的非静力模式。
预报员目睹了广为使用的纸张预报图的终结和基于计算机的天气分析显示的引入。
NWS在美国的机构于1980年前后建立了它们第一台气象业务和服务自动化系统（AFOS）工作站。直到大约2000年，AFOS成为预报业务的中心。
全球模式准确性上的早期进步是成功地快速加强气旋生成的5天预报。
1993年3月，美国东海岸暴风雪天气在5天之前还未被察觉。
而美国全球模式以及ECMWF和英国气象局的全球模式，均显示了强风暴的可能性。美国全球模式连续5天、4天和3天的预报与这一重要东海岸暴风雪一致。
在1993年，提前3-5天预报如此严重的天气事件得到的正面社会效益非同一般。
该事件中，预报员和媒体紧密协调，在风暴出现前就发布了连续降雪和暴雪天气的预测和预警。他们就临近灾害有效地与公众交流。
此后，这类极端天气事件预测和预警的准确性一直在提高。
这个时代，各国在气象卫星上的投入很高，目的是让全球中期以及短期NWP，以及人为预报从中受益。
关键的里程碑于1998年出现，ATOVS（包括先进微波探测仪/微波湿度探测仪（AMSU/MHS）以及改进的高分辨红外辐射计（HIRS））探测数据开始出现；2002年，高谱红外探测数据出现；2006年，全球导航卫星系统（GNSS，GPS是其中之一）无线电掩星数据出现，还能基于地基GPS时间延迟得到非常准确的可降水水汽估计。
NWP科学在进步，预报员的角色也发生了改变。
在时代3里，预报员依据观测、高层指南和经验发布文字预报。
随着工作站（如美国的AFOS和AWIPS）的引入，预报员得到直接与网格数据对话的工具（如交互预报准备系统IFPS等）。
AWIPS是NWS现代化的首要成果，使得预报员能够从实地观测、模式数据以及卫星和雷达图像多个视角审视一个简单系统，可以分开来或通过叠加手段合并后观看。
IFPS最初仅使用地表观测点数字化数据，但后来改为基于格点的视图，预报员可以通过AWIPS用格点预报编辑器修改。
从格点化预报数据、文字、声音到图形产品可以自动生成。近年来，在花费时间交流和解释预报信息等方面，人-机混合已经给预报员带来了很多改变。
随着数字计算的成熟和互联网的到来，这一时代探索了强化数字环境预报的可能性。
概率预报需要的信息促进了集合预报的进一步改进。
到2018年，至少有14个NWP中心运行全球天气预报模式，水平分辨率一般为20公里或更高。
未来
2020年-2050年
数值环境和天气预报系统
NWP模式过去数十年里预报技巧提高的原因可以归结为：研究和开发之间紧密的联系；可预报性、流体动力学和数值方法的理论进展；次网格尺度物理参数化（云、山区等）；地面和天基各种观测的同化；以及高性能计算（HPC）系统。
对将要到来的2020-2050年时代，HPC能力有望进一步提升，超越千万亿次，实现百亿亿次，从而推进NWP进步和创新应用。
未来的NWP系统的体量较目前系统会大很多，这是因为计算任务需要较目前HPC技术更多的电力。
面对这一挑战，当前技术（如图形处理单元（GPU）和量子计算）和HPC设施（如大型平行计算）必须明显改变，如何解NWP问题的思路也需要转变。
地球系统所有分量的预报和观测都将增加。
即使当前，数值预报不再局限于天气；它包括了所有天气敏感的地球系统分量。
今后30年将集中结合所有地球系统分量，以建立可以称作数值环境和天气预报（NEWP）的系统。
因为所有的NEWP预报本质上都是概率预报，集合预报系统（EPS）技术将用于所有地球系统分量。消费者因此将能估计未来可能的天气和环境。
地球系统模式包括化学、水文和其他分类，可以期待应用于不到1小时更新一次的NEWP系统。
中国气象报社出品
原文：美国气象学会百年述评论文《预报和NWP应用100年进步》，有删减
编译：贾朋群李婧华
图片来源：资料图，由编译者提供
微信编辑：亭喃
（原标题：《穿越100年，天气预报竟是这样滴！》）