氣象預(yù)報(bào)的方法與不確定性

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1、氣象預(yù)報(bào)的方法與不確定性 氣象預(yù)報(bào)的方法與不確定性 摘要：氣象預(yù)報(bào)是社會(huì)開(kāi)展、經(jīng)濟(jì)及氣象科學(xué)技術(shù)開(kāi)展的共同產(chǎn)物。從氣象預(yù)報(bào)的誕生至今，人類(lèi)經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)而艱苦的探索歷程。那么之前或者更早以前是如何進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)的。隨著科技的迅猛開(kāi)展和長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，人們不僅僅要完善大氣科學(xué)理論的體系，更面臨著氣象預(yù)報(bào)的更大挑戰(zhàn)和更多新問(wèn)題?，F(xiàn)如今，氣象預(yù)報(bào)節(jié)目已經(jīng)成為很多人的生活需求，廣闊人民已經(jīng)習(xí)慣于每天通過(guò)各種渠道獲取氣象信息。不過(guò)從某種程度上來(lái)說(shuō)，氣象預(yù)報(bào)對(duì)于公眾還帶有一定的神秘色彩。 關(guān)鍵詞：天氣預(yù)報(bào)；方法；不確定性 中圖分類(lèi)號(hào)：P45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼： A 引言 結(jié)合大氣的現(xiàn)狀及其開(kāi)展歷程，再按照歷史上關(guān)于氣象方面的記載，以深入淺出的方式回憶了氣象預(yù)報(bào)制作方法的開(kāi)展歷程和變更，概述了現(xiàn)階段業(yè)務(wù)頂報(bào)的水平和相關(guān)研究的主要進(jìn)展。根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)造成氣象預(yù)報(bào)結(jié)果不確定性的主要因素進(jìn)行了分析。 一、什么是氣象預(yù)報(bào) 用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，人們一般所說(shuō)的氣象預(yù)報(bào)就是將大氣作為研究的客體，對(duì)某一區(qū)域?qū)?lái)一定時(shí)間段內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)狀況做出預(yù)報(bào)。通常，氣候預(yù)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)都是氣象預(yù)報(bào)的范圍。按時(shí)效的長(zhǎng)短天氣預(yù)報(bào)主要包括以下三種:中期天氣預(yù)報(bào)(一般在電視和播送里播放的多數(shù)是中期和短期天氣預(yù)報(bào))一般為3~15天左右的為；短期天氣預(yù)報(bào)一般為

3、1~2天左右;短時(shí)預(yù)報(bào)一般為0~12小時(shí)。月以上到1年的曾之前被稱(chēng)為長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)。隨著混沌現(xiàn)象的不斷揭示，天氣預(yù)報(bào)時(shí)效有一定范圍，月以上只能稱(chēng)作氣候預(yù)測(cè)，因此現(xiàn)在改稱(chēng)為短期氣候預(yù)測(cè)。 二、氣象預(yù)報(bào)的方法 單站預(yù)報(bào) 16-18世紀(jì)是科學(xué)革命的時(shí)代。1643年，E.托里拆利創(chuàng)造氣壓表；1597年，空氣溫度表由意大利物理、天文學(xué)家伽利略創(chuàng)造。隨著此類(lèi)儀器及其他觀測(cè)儀器的不斷創(chuàng)造，使氣壓、氣溫、風(fēng)速等氣象要素實(shí)現(xiàn)了定量的觀測(cè)，為進(jìn)一步組建較為完善的近地面層氣象要素和地面氣象觀測(cè)網(wǎng)的日常系統(tǒng)觀測(cè)提供了一定的物質(zhì)根底，是氣象預(yù)報(bào)開(kāi)展史中一次革命性的飛躍。 另一方面，傳統(tǒng)氣象

4、學(xué)理論的建立也使氣象預(yù)報(bào)水平上升到一個(gè)更新的高度。氣象學(xué)是一門(mén)古老的學(xué)科，擁有眾多的分支，以天氣學(xué)、氣候?qū)W、大氣物理學(xué)和動(dòng)力氣象學(xué)為核心研究?jī)?nèi)容。隨著之后各種科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用及在氣象學(xué)的理論根底上，漸漸開(kāi)展成為一門(mén)更廣泛的綜合性學(xué)科―氣象科學(xué)。動(dòng)力氣象學(xué)理論根底在這一時(shí)期的形成和大氣環(huán)流、創(chuàng)立信風(fēng)理論在一定程度上影響著大氣科學(xué)的開(kāi)展。英國(guó)氣象學(xué)家哈德萊1735年在?關(guān)于信風(fēng)之起因?一文中，首次將地球的自轉(zhuǎn)考慮在內(nèi)，對(duì)東南信風(fēng)、東北信風(fēng)和中緯度西風(fēng)帶產(chǎn)生的原因做了定性的解釋?zhuān)⑻岢隽艘环N理論-大氣經(jīng)圈環(huán)流的理論。此外，伴隨著微積分學(xué)的創(chuàng)立和流體力學(xué)在氣象科學(xué)上的廣泛應(yīng)用，初步形成了動(dòng)力氣象學(xué)的理論

5、根底。1755年，在對(duì)質(zhì)量守恒反映的連續(xù)方程被提出之后，瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家歐拉完善了流體動(dòng)力學(xué)方程組，為大氣運(yùn)動(dòng)方程組的形成奠定了一定的科學(xué)根底。 受到通訊條件的局限性，當(dāng)時(shí)人們進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)大多通過(guò)分析(地面風(fēng)地和面氣壓為主，濕度、溫度為輔)等本站氣象要素的時(shí)間演變圖的方式。(由于氣壓升降和天氣變化關(guān)系極其密切，近幾年很多便于攜帶的“晴雨表〞就是案子氣壓計(jì)的原理而進(jìn)行設(shè)計(jì)的)。同單純的用氣象諺語(yǔ)預(yù)報(bào)的相比而言，單站預(yù)報(bào)更為多科學(xué)，而其整個(gè)過(guò)程的集成依據(jù)是單站資料，氣候的真正規(guī)律為重要背景，群眾經(jīng)驗(yàn)為關(guān)鍵線索。 天氣圖預(yù)報(bào) 大氣是不停的在全球范圍內(nèi)開(kāi)展的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，要對(duì)大氣

6、變化的規(guī)律有很好的把握，必須從地面到高空獲取一定量的觀測(cè)信息和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。所以，天氣圖的誕生在大氣開(kāi)展歷程中具有革命性的意義，也是氣象預(yù)報(bào)科學(xué)史上的又一次革命性的飛躍。它把各個(gè)地點(diǎn)的氣象要素有效的結(jié)合起來(lái)，使人們從“坐井觀天〞 的狀態(tài)，逐漸“放眼世界〞 ，并不斷開(kāi)展成為氣象部門(mén)預(yù)報(bào)和分析天氣的主要工具。 一次戰(zhàn)爭(zhēng)推動(dòng)天氣圖預(yù)報(bào)開(kāi)展。19世紀(jì)中期，法國(guó)、英國(guó)和俄國(guó)之間爆發(fā)的克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)被稱(chēng)為世界史上的第一次現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)。在這次戰(zhàn)爭(zhēng)中，火車(chē)第一次用于前線的補(bǔ)給，電報(bào)和鐵甲船第一次在戰(zhàn)爭(zhēng)中被用到。這次戰(zhàn)爭(zhēng)在氣象的開(kāi)展過(guò)程中也特別受關(guān)注。1854年11月14日受風(fēng)暴的突然襲擊，正在黑海激戰(zhàn)的英

7、法聯(lián)軍艦隊(duì)受到了重創(chuàng)。通過(guò)對(duì)1854年11月12-16日5天氣象資料的分析，巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)勒弗里埃認(rèn)為，用電報(bào)及時(shí)收集各氮?dú)獾臍庀笥^測(cè)資料，組建氣象臺(tái)站網(wǎng)，繪制出天氣圖對(duì)天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)，是可以防止損失的。按照勒弗里埃的建議，在歐洲天氣圖預(yù)報(bào)的方法逐漸得到普遍的應(yīng)用，并快速普及到世界各地。 三、氣象預(yù)報(bào)的不確定性 初始誤差 對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)問(wèn)題，模式初值的質(zhì)量無(wú)疑顯得極其重要。因?yàn)榭陀^存在的因素，模式的初始條件只是大氣真實(shí)狀態(tài)下的一種近似，因此初始誤差是持久存在的，主要是觀測(cè)過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差，即觀測(cè)誤差，這種誤差幾乎是完全可以防止的。它主要取決于觀測(cè)方法的正確性、觀測(cè)的技術(shù)水

8、平，及所使用儀器的客觀環(huán)境和精密程度的影響等，比方自動(dòng)氣象站的觀測(cè)誤差。同理，利用氣象衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)，大氣對(duì)可見(jiàn)光的散射使得探測(cè)出的地面反照率和云頂資料存在一定的偏差，由直接觀測(cè)的紅外輻射資料反演云頂和地面溫度的過(guò)程中也存在一定的誤差。此外，通過(guò)氣象雷達(dá)觀測(cè)時(shí)，按照降水量和雷達(dá)回波強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推測(cè)降水量會(huì)存在誤差，尤其是遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)產(chǎn)生的誤差更大。 模式誤差 模式對(duì)動(dòng)力、物理過(guò)程描述不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的誤差。比方，大氣運(yùn)動(dòng)中的湍流過(guò)程，在模式中小尺度系統(tǒng)的生消機(jī)制是難以準(zhǔn)確進(jìn)行描述的。因?yàn)榇髿馐且环N具有連續(xù)運(yùn)動(dòng)尺度譜的連續(xù)介質(zhì)，無(wú)論模式的分辨率有多高，始終有一些小于網(wǎng)格距尺度的運(yùn)動(dòng)

9、很難在模式中真實(shí)的反映出來(lái)，這種運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為次網(wǎng)格過(guò)程(凝結(jié)過(guò)程、對(duì)流過(guò)程及輻射過(guò)程都包含有次網(wǎng)格過(guò)程)。在模式中通常采用了“參數(shù)化〞的方法來(lái)考慮這些過(guò)程的影響，即用一種平均過(guò)程將次網(wǎng)格的物理過(guò)程和動(dòng)力過(guò)程表示出網(wǎng)格以上尺度的平均影響。這種描述和真實(shí)次網(wǎng)格過(guò)程之間的誤差就成為模式誤差的主要來(lái)源之一。 四、科學(xué)對(duì)待不確定性 既然水文氣象預(yù)測(cè)本來(lái)就存在一定的不確定性，同時(shí)這種不確定性的信息能夠在一定程度上協(xié)助用戶(hù)作出決策，因此提供不確定性信息就漸漸成為發(fā)布完整預(yù)報(bào)的一個(gè)重要組成局部。 提供不確定性信息的意義從客觀上講，除了科學(xué)的有效性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值外，還在于對(duì)用戶(hù)信任度的保

10、持。因?yàn)橛捎陬A(yù)報(bào)期間總會(huì)出現(xiàn)重大或者無(wú)法防止的誤差，因此當(dāng)預(yù)測(cè)單一確定的水文演或變大氣時(shí)，如果沒(méi)科學(xué)的發(fā)布不確定性，很可能會(huì)對(duì)用戶(hù)的信任感產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。如果用戶(hù)知道可能發(fā)生的事件范圍，就可以保持住預(yù)報(bào)部門(mén)的可信度，何況概率預(yù)測(cè)系統(tǒng)可以為實(shí)際發(fā)生的事件提供重要概率。 此外，在多數(shù)水文氣象預(yù)測(cè)中不確定性信息的欠缺也牽涉到一個(gè)倫理范疇。整個(gè)行業(yè)在為大量用戶(hù)提供一周甚至以上確實(shí)定性預(yù)報(bào)時(shí)，本來(lái)是應(yīng)該暗示技術(shù)還沒(méi)到達(dá)相應(yīng)水準(zhǔn)和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的。即在所有時(shí)間范圍內(nèi)提供這種確定的單一值的預(yù)報(bào)都可能引起某種迷惑性，并且和科學(xué)的狀態(tài)(成認(rèn)預(yù)測(cè)中固有的不確定性)不相容。相對(duì)而言，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為表示多種療法治

11、愈幾率的概率預(yù)測(cè)是很常見(jiàn)的，正如?晴天?報(bào)告建議8中所提到的，NWS作為負(fù)責(zé)當(dāng)前氣象界制定科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)“在這些方法被認(rèn)為更具科學(xué)實(shí)效性的數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)中改良發(fā)布不確定性的概率方法。〞 結(jié)束語(yǔ) 現(xiàn)階段，氣象預(yù)報(bào)已逐漸成為一項(xiàng)以數(shù)值預(yù)報(bào)為核心的系統(tǒng)工程，而現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)是在經(jīng)過(guò)資料同化、氣象資料采集、輸出產(chǎn)品的檢驗(yàn)和數(shù)值模式等主要環(huán)節(jié)后，形成從形勢(shì)預(yù)報(bào)到特殊工程預(yù)報(bào)和氣象要素的過(guò)程。目前，大氣探測(cè)不斷向著綜合觀測(cè)系統(tǒng)的方向開(kāi)展，地面觀測(cè)正在采用成熟、先進(jìn)的遙測(cè)遙感技術(shù)，而常規(guī)地面觀測(cè)已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和高度自動(dòng)化，高空觀測(cè)正逐步應(yīng)用各種更為先進(jìn)的遙感探測(cè)系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： 【1】穆穆,陳博宇,周菲凡,余堰山. 氣象預(yù)報(bào)的方法與不確定性[J]. 氣象,2021,01:1-13. 【2】王東海,杜鈞,柳崇健. 正確認(rèn)識(shí)和對(duì)待天氣氣候預(yù)報(bào)的不確定性[J]. 氣象,2021,04:385-391.