氣象預報的方法與不確定性

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1、氣象預報的方法與不確定性 氣象預報的方法與不確定性 摘要：氣象預報是社會開展、經(jīng)濟及氣象科學技術(shù)開展的共同產(chǎn)物。從氣象預報的誕生至今，人類經(jīng)過了漫長而艱苦的探索歷程。那么之前或者更早以前是如何進行氣象預報的。隨著科技的迅猛開展和長期的經(jīng)驗積累，人們不僅僅要完善大氣科學理論的體系，更面臨著氣象預報的更大挑戰(zhàn)和更多新問題?，F(xiàn)如今，氣象預報節(jié)目已經(jīng)成為很多人的生活需求，廣闊人民已經(jīng)習慣于每天通過各種渠道獲取氣象信息。不過從某種程度上來說，氣象預報對于公眾還帶有一定的神秘色彩。 關鍵詞：天氣預報；方法；不確定性 中圖分類號：P45文獻標識

2、碼： A 引言 結(jié)合大氣的現(xiàn)狀及其開展歷程，再按照歷史上關于氣象方面的記載，以深入淺出的方式回憶了氣象預報制作方法的開展歷程和變更，概述了現(xiàn)階段業(yè)務頂報的水平和相關研究的主要進展。根據(jù)數(shù)值預報對造成氣象預報結(jié)果不確定性的主要因素進行了分析。 一、什么是氣象預報 用科學的語言來說，人們一般所說的氣象預報就是將大氣作為研究的客體，對某一區(qū)域?qū)硪欢〞r間段內(nèi)的大氣運動狀況做出預報。通常，氣候預測和天氣預報都是氣象預報的范圍。按時效的長短天氣預報主要包括以下三種:中期天氣預報(一般在電視和播送里播放的多數(shù)是中期和短期天氣預報)一般為3~15天左右的為；短期天氣預報一般為

3、1~2天左右;短時預報一般為0~12小時。月以上到1年的曾之前被稱為長期天氣預報。隨著混沌現(xiàn)象的不斷揭示，天氣預報時效有一定范圍，月以上只能稱作氣候預測，因此現(xiàn)在改稱為短期氣候預測。 二、氣象預報的方法 單站預報 16-18世紀是科學革命的時代。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、天文學家伽利略創(chuàng)造。隨著此類儀器及其他觀測儀器的不斷創(chuàng)造，使氣壓、氣溫、風速等氣象要素實現(xiàn)了定量的觀測，為進一步組建較為完善的近地面層氣象要素和地面氣象觀測網(wǎng)的日常系統(tǒng)觀測提供了一定的物質(zhì)根底，是氣象預報開展史中一次革命性的飛躍。 另一方面，傳統(tǒng)氣象

4、學理論的建立也使氣象預報水平上升到一個更新的高度。氣象學是一門古老的學科，擁有眾多的分支，以天氣學、氣候?qū)W、大氣物理學和動力氣象學為核心研究內(nèi)容。隨著之后各種科學技術(shù)的應用及在氣象學的理論根底上，漸漸開展成為一門更廣泛的綜合性學科―氣象科學。動力氣象學理論根底在這一時期的形成和大氣環(huán)流、創(chuàng)立信風理論在一定程度上影響著大氣科學的開展。英國氣象學家哈德萊1735年在?關于信風之起因?一文中，首次將地球的自轉(zhuǎn)考慮在內(nèi)，對東南信風、東北信風和中緯度西風帶產(chǎn)生的原因做了定性的解釋，并提出了一種理論-大氣經(jīng)圈環(huán)流的理論。此外，伴隨著微積分學的創(chuàng)立和流體力學在氣象科學上的廣泛應用，初步形成了動力氣象學的理論

5、根底。1755年，在對質(zhì)量守恒反映的連續(xù)方程被提出之后，瑞士物理學家、數(shù)學家歐拉完善了流體動力學方程組，為大氣運動方程組的形成奠定了一定的科學根底。 受到通訊條件的局限性，當時人們進行預報時大多通過分析(地面風地和面氣壓為主，濕度、溫度為輔)等本站氣象要素的時間演變圖的方式。(由于氣壓升降和天氣變化關系極其密切，近幾年很多便于攜帶的“晴雨表〞就是案子氣壓計的原理而進行設計的)。同單純的用氣象諺語預報的相比而言，單站預報更為多科學，而其整個過程的集成依據(jù)是單站資料，氣候的真正規(guī)律為重要背景，群眾經(jīng)驗為關鍵線索。 天氣圖預報 大氣是不停的在全球范圍內(nèi)開展的動態(tài)系統(tǒng)，要對大氣

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信息和氣象觀測數(shù)據(jù)。所以，天氣圖的誕生在大氣開展歷程中具有革命性的意義，也是氣象預報科學史上的又一次革命性的飛躍。它把各個地點的氣象要素有效的結(jié)合起來，使人們從“坐井觀天〞 的狀態(tài)，逐漸“放眼世界〞 ，并不斷開展成為氣象部門預報和分析天氣的主要工具。 一次戰(zhàn)爭推動天氣圖預報開展。19世紀中期，法國、英國和俄國之間爆發(fā)的克里米亞戰(zhàn)爭被稱為世界史上的第一次現(xiàn)代化戰(zhàn)爭。在這次戰(zhàn)爭中，火車第一次用于前線的補給，電報和鐵甲船第一次在戰(zhàn)爭中被用到。這次戰(zhàn)爭在氣象的開展過程中也特別受關注。1854年11月14日受風暴的突然襲擊，正在黑海激戰(zhàn)的英

7、法聯(lián)軍艦隊受到了重創(chuàng)。通過對1854年11月12-16日5天氣象資料的分析，巴黎天文臺臺長勒弗里埃認為，用電報及時收集各氮氣的氣象觀測資料，組建氣象臺站網(wǎng)，繪制出天氣圖對天氣進行預報，是可以防止損失的。按照勒弗里埃的建議，在歐洲天氣圖預報的方法逐漸得到普遍的應用，并快速普及到世界各地。 三、氣象預報的不確定性 初始誤差 對于數(shù)值預報問題，模式初值的質(zhì)量無疑顯得極其重要。因為客觀存在的因素，模式的初始條件只是大氣真實狀態(tài)下的一種近似，因此初始誤差是持久存在的，主要是觀測過程中所產(chǎn)生的誤差，即觀測誤差，這種誤差幾乎是完全可以防止的。它主要取決于觀測方法的正確性、觀測的技術(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，比方自動氣象站的觀測誤差。同理，利用氣象衛(wèi)星觀測時，大氣對可見光的散射使得探測出的地面反照率和云頂資料存在一定的偏差，由直接觀測的紅外輻射資料反演云頂和地面溫度的過程中也存在一定的誤差。此外，通過氣象雷達觀測時，按照降水量和雷達回波強度之間的經(jīng)驗關系推測降水量會存在誤差，尤其是遠距離探測時產(chǎn)生的誤差更大。 模式誤差 模式對動力、物理過程描述不準確而產(chǎn)生的誤差。比方，大氣運動中的湍流過程，在模式中小尺度系統(tǒng)的生消機制是難以準確進行描述的。因為大氣是一種具有連續(xù)運動尺度譜的連續(xù)介質(zhì)，無論模式的分辨率有多高，始終有一些小于網(wǎng)格距尺度的運動

9、很難在模式中真實的反映出來，這種運動過程稱為次網(wǎng)格過程(凝結(jié)過程、對流過程及輻射過程都包含有次網(wǎng)格過程)。在模式中通常采用了“參數(shù)化〞的方法來考慮這些過程的影響，即用一種平均過程將次網(wǎng)格的物理過程和動力過程表示出網(wǎng)格以上尺度的平均影響。這種描述和真實次網(wǎng)格過程之間的誤差就成為模式誤差的主要來源之一。 四、科學對待不確定性 既然水文氣象預測本來就存在一定的不確定性，同時這種不確定性的信息能夠在一定程度上協(xié)助用戶作出決策，因此提供不確定性信息就漸漸成為發(fā)布完整預報的一個重要組成局部。 提供不確定性信息的意義從客觀上講，除了科學的有效性和社會經(jīng)濟價值外，還在于對用戶信任度的保

10、持。因為由于預報期間總會出現(xiàn)重大或者無法防止的誤差，因此當預測單一確定的水文演或變大氣時，如果沒科學的發(fā)布不確定性，很可能會對用戶的信任感產(chǎn)生嚴重的影響。如果用戶知道可能發(fā)生的事件范圍，就可以保持住預報部門的可信度，何況概率預測系統(tǒng)可以為實際發(fā)生的事件提供重要概率。 此外，在多數(shù)水文氣象預測中不確定性信息的欠缺也牽涉到一個倫理范疇。整個行業(yè)在為大量用戶提供一周甚至以上確實定性預報時，本來是應該暗示技術(shù)還沒到達相應水準和預報準確性的。即在所有時間范圍內(nèi)提供這種確定的單一值的預報都可能引起某種迷惑性，并且和科學的狀態(tài)(成認預測中固有的不確定性)不相容。相對而言，在醫(yī)學領域作為表示多種療法治

11、愈幾率的概率預測是很常見的，正如?晴天?報告建議8中所提到的，NWS作為負責當前氣象界制定科學標準的機構(gòu)，應當“在這些方法被認為更具科學實效性的數(shù)據(jù)和預報中改良發(fā)布不確定性的概率方法。〞 結(jié)束語 現(xiàn)階段，氣象預報已逐漸成為一項以數(shù)值預報為核心的系統(tǒng)工程，而現(xiàn)代數(shù)值預報是在經(jīng)過資料同化、氣象資料采集、輸出產(chǎn)品的檢驗和數(shù)值模式等主要環(huán)節(jié)后，形成從形勢預報到特殊工程預報和氣象要素的過程。目前，大氣探測不斷向著綜合觀測系統(tǒng)的方向開展，地面觀測正在采用成熟、先進的遙測遙感技術(shù)，而常規(guī)地面觀測已實現(xiàn)網(wǎng)絡化和高度自動化，高空觀測正逐步應用各種更為先進的遙感探測系統(tǒng)。 參考文獻： 【1】穆穆,陳博宇,周菲凡,余堰山. 氣象預報的方法與不確定性[J]. 氣象,2021,01:1-13. 【2】王東海,杜鈞,柳崇健. 正確認識和對待天氣氣候預報的不確定性[J]. 氣象,2021,04:385-391.