1. 为什么天气能预报

       天气预报是预测几天内的天气情况。传统天气预报建立在半经验、半理论的基础上，所以误差也比较大。现在，因为有卫星云图的帮助，3天之内的天气预报已经相当准确，许多人已经习惯了每天听天气预报，以便根据天气状况决定各种活动的安排。

       为什么天气能预报？

       天气与人们生活密切相关，积极了解天气已成为人们生活的一部分。常言道“天有不测风云”，刮风下雨很难预料的，那为什么天气还能预报呢？

       事实上，天气变化是有规律的。天气预报就是利用气象资料，应用气象学的原理和方法，根据天气形势，对未来一定时期内的天气做出预测。

       天气预报古来有之。古代劳动人民通过对天气的长期观察和经验积累，总结出许多有关天气的谚语。典型的“朝霞不出门，晚霞行千里”就是一种天气预报。不过，谚语都是建立在经验基础之上的，所以还是有局限性的，甚至有些是错误的。

       现在的天气预报由气象台制作并向社会公布。目前，发布天气预报的途径主要有电视、互联网、报纸、手机短信、微信等。

       预报天气的重要工具是天气图。天气图上有天气系统的运动规律，气象工作者据此对未来天气状况做出预测。除此之外，气象工作者还要研究卫星云图，并结合当地特点以及经验等来修正预测结果。

       就时效的长短，天气预报通常分三种：短期天气预报3天内；中期天气预报9天；长期天气预报15天或以上。中央电视台每天播放的主要是短期天气预报。

天气预报

       为什么长期天气预报准确率不高？

       如果注意天气预报时效的话，我们会发现通常听到的大多是12小时预报和24小时预报。除此之外，还会听到48小时预报和72小时预报，但很少听到更长时效的天气预报。

       其实，气象台也制作中期和长期天气预报。对于公众而言，短期天气预报已够用了，但更主要的原因是中期和长期天气预报的准确率要比短期天气预报差很多。国际上，10天以内的天气预报目前已具有一定程度的准确率，但两星期以上的预测，即长期天气预报，具有很大的不确定性。这是因为，混沌现象是天气系统中的普遍现象，它表现为确定性系统中的一种内在随机性。它的外在表现与纯粹的随机运动很相似，即不可预测。混沌系统对很小的初值变动或扰动具有很强的敏感性，无论多小的扰动，长时间以后都会使系统彻底偏离原来的演化方向。天气系统所具有的这种特征最早是由美国麻省理工学院气象学教授洛伦兹发现的。洛伦兹一直用计算机模拟天气过程，以此来进行天气数值预报试验。1961年的一天，为了省事，他把原来小数点后保留了6位的初始数据，仅用了3位数据来代替进行计算。当他喝了杯咖啡回来看结果时大吃了一惊，刚开始的计算结果与前一次计算结果相差不大，但越往后计算结果相差越大，以至到后来已相差十万八千里。检查了计算中的每个细节后发现，初始数据上的微小差异在计算中会不断累积，并以极快的速度增长，最后造成巨大的差异。

       1963年，洛伦兹把这一结论表述为蝴蝶效应，即“南美洲亚马孙热带雨林中的一只蝴蝶偶尔扇动几下翅膀，很可能两周后在美国得克萨斯州引起一场龙卷风。”由此可知，对长期天气过程是难以做出准确预报的。

天气预报时的图形符号

       人类不能完全操纵天气

       也许你曾经做过这样的梦：人类可以操纵天气，天气操控师只需要根据各地的实际情况轻轻按一下按钮，就可以决定一个城市是晴还是雨。干旱了，就制造一场及时雨；雨水太多，就把乌云驱赶到别处。

       这个场景确实有科幻作家设想过。按目前的技术条件，人类的确已能影响天气。但在人工影响天气的各项措施中，目前人类能做的并不是对天气系统的控制，而是对天气过程的因势利导。也就是说，人工影响天气必须具备一定的条件。例如，我们不能在晴空中造出雷雨云来；即使阴天，如果云很薄，我们也不能让它下雨。

       过去，我们从事人工影响天气，主要以抗旱为主，现已逐渐拓展到森林灭火、净化空气等，上海还曾通过人工降水来缓解城市高温。现在，还有科学家在进行人工消雷和人工削弱台风的设想和试验。但是，它们的作用毕竟是有限的，影响的范围也是局部的。

       人类恐怕永远不能随心所欲地操纵天气，所以，我们最好的策略是顺应自然、善待自然。

2. 天气预报的制作

3. 常见天气预报词汇

      酷热指数/体感温度

      由于持续酷热及潮湿会对人带来危险，美国 National Weather Service 介定了一个酷热指数 (Heat Index)。此指数能量度在高温及潮湿的环境下人感觉到的真正温度。 

      人体中有不同的机制以维持摄氏37度的体温。当外界温度上升时，人体会改变血液循环的速率，增加汗腺分泌，甚至以喘气的方式排出多余的热量。但当外界温度太高及潮湿以致人体未能及时将多余的热量排出时，人将出现抽筋，热衰竭甚至中暑。 

      使用下表查出酷热指数时可先从左方找出温度，再横向找出相对湿度，两个数值交汇处便是当时的酷热指数。留意在日照下的酷热指数会较表中之数值高出8度。

      注:

      >30℃加倍小心 - 有机会出现抽筋及热衰竭。

      >40℃危险 - 可能出现热衰竭。

      >55℃非常危险 - 随时出现中暑。

4. 数值天气预报

    如果说把天气预报与数学、物理联系在一起，恐怕一般人都很难想到，而事实上，我们目前的天气预报，就是用数学物理模式对大气状况进行分析，用高速计算机求解而得到的。这样方法叫数值天气预报，亦称“天气预报的流体力学方法”。它是目前全世界都在用的一种天气预报方法尤其对3~7天内的预报，比较准确。它是根据描述大气运动规律的流动力学和热力学原理，构成闭合方程组，也就是大气的数值模型，只要知道某个时刻大气的初始状态，就可通过数学方法求解，计算出来某个时间大气的状态，亦就是通常所说的天气形势及有关的气象要素如温度、风、降水等。 

千百年来，人们在生活实践中积累了丰富的看天经验，从云、光象、物象中寻找未来天气发展的趋势。 

       自从十五世纪初，特别是十七世纪后，多种探测手段相继问世，尤其是靠空探测技术的发展，人们可以定量的探测大气三度空间状况，并可将各地的气象资料迅速地集中起来，并将同一时刻全球各地的气象观测填在一张纸上，这就是人们常说的天气图。天气图的出现，比单凭眼观风云现象预测天气要进步得多，它主要是靠人们对大气现象的认识和长期积累的经验来推未来的天气，这种方法直到今天，仍不失为一种预报手段，但其准确率及便捷程度不够高。 

       为了天气预报准确，人们希望把天气的变化规律摸索、总结出来，用一种客观定量的办法进行预报。人们设想用象计算天体的运动轨迹那样，预先把未来的“天气”较精确地计算出来，这就是数值天气预报的基本思想，是20世纪初，挪威学者皮叶克尼斯提出来的。 

       我们所居住的地球，表面上空被一厚度十几公里到二十多公里的大气层所环绕。我们每天所看见到的所感受到的阴晴雨霜，冷暖风雪“天气”就发生在这十几到二十几公里厚的大气层里。大气环绕着地球每天都在运动变化，它遵循牛顿运动定理、质量守衡定理、大气状态方程、热力学定理、水汽守衡定理。数值天气预报，就是将描述大气的流体动力学、热力学规律学成数学方程组、根据某一时刻观测到的大气状态，用数学方法求解，得到未来某一个时间的大气状态，这就是天气预报。 

       而要把这众多的数学方程组合求解出来，是十分费事的事情。 

       英国数学家里查逊写了一本《用数学电计算的方法做天气预报》一书，为了求得准确的数据，里查逊还在1916年~1918年组织了大量人力进行了第一次数值预报尝试。他的这一次预报计算是许多人用手摇计算机进行了12个 月才完成的。要得到未来24小时的预报，如果一个人日夜不停地进行计算，需要算64000天，也就是175年。也就是说要跟上变化多端的天气，要有一个64000人一块工作的计算工厂，才能把24小时的天气预报计算出来，实际上就是计算要与天气赛跑。这次实验虽然失败了，但他给了人们有意义的启示。 

       在里查逊这一实验后的20年，世界上第一台取名为“狂人”的电子计算机问世。计算机的问世。使数值天气预报得到实施。1950年，美国科学家第一次成功地做出了500百帕的天气形势的36小时预报。 

       从那以后，一些国家相继将先进的天气预报——数值预报引入到实际业务中。 

5. 网格气象预报

       夏天过去了。你是否还记得今夏那几场说好的暴雨？有时,说雨来，雨迟迟不来。其实雨已经在路上；有时，说雨大，却只是掉了小雨点。其实雨只是没下到你身边。

智能网格气象预报将会把这些变成历史。未来，你头上会不会有雨，什么时候有雨，天气预报会精细地告诉你。

       按照中国气象局的计划，今年12月底前，我国气象预报服务统一数据源的“一张网”网格预报业务将正式运行。这张网空间分辨率达5公里×5公里，时间上可实现逐3小时发布未来10天的天气预报，使公众可随时随地获得基于位置的精细化气象服务。

       今年7月开始，北京、天津、上海、福建、广东、海南、陕西等7省市已经率先发布智能网格预报。

       （1）不用问北京的天气

       细化到公里 直接查家门口

       天气预报是不断从定性预报、描述性预报向数字化、格点化预报发展的。比如，原先气象部门发布的城镇天气预报，内容只包括2400多个城镇的天气现象、高低温和风速风向预报，频次也只是一天三次，预报的时间精度和空间精度不够高。2012年，国家气象中心推出了一个新的预报产品，即大城市精细化预报，该产品把全国省会城市、计划单列市24小时内的天气预报进行细化，每6小时开展一次预报，降水量报到毫米，但即便这样也不够精细，不能满足各行业及公众的需求。

2010年左右，“网格预报”这一概念被引进到我国的精细化预报业务中。如何理解它呢？可以这样比喻，就像地球上的经纬网一样，我们可以把中国以及每个城市所在的区域分解成许多个5公里×5公里，甚至1公里×1公里的网格，而公众就是生活在这样一个个的网格中，每个网格中的天气情况也会有所差异。

       网格化预报就是针对这样的每一个网格开展的。与原来的定点预报相比，它在空间上更加精细，也更具针对性。就拿北京的预报来说，原来的预报只是以南郊观象台这一个点的气温、降水等来代表整个城市天气情况，但通过开展网格化预报，北京的天气不再由一个定点来反映，针对北京的气象服务和天气预报可以精细地反映在整座城市每个不同的网格之中。在北京，目前这些网格的大小是1公里×1公里，在全国气象部门中精细化程度最高。其他十几个省份也已经可以实现3公里分辨率、2.5公里分辨率乃至更精细化的预报，都超过中国气象局要求的5公里水平。

       网格化预报的精细不仅体现在空间上，还反映在可以每天更高频次地更新和发布上。原来，一天的天气预报中只会涉及一种天气现象，现在网格化预报可以做到全国范围内逐3小时10天预报。随时随地，公众都能了解到自己当前所处的网格是什么样的天气，能够清楚地了解气温、降水、风等多个基本气象要素。

       除了对陆地上的网格进行预报外，气象部门还将我国的责任海区划分为多个10公里×10公里的网格，并进行海上能见度、海上大风等要素的精细化预报。

       网格化预报不仅让模式更加细化，还提供了更为细致和丰富的预报内容。

       也许，以后我们再查天气预报的时候，不用查北京明天的天气怎么样，直接查我们家那里的天气怎么样就行了。

       （2） 如何做到网格化

       人工智能是核心 同时靠预报员经验

       全国陆地加上海洋，这么多网格如何预报？对瞬息万变的天气来说，要让预报员一个个格子做预报，那就太“过时”了，效率也太低。

       今年5月，“阿尔法”围棋（AlphaGo）三盘连胜击败长期排名世界第一的棋手柯洁，让人类对人工智能的未来充满期待。智能网格气象预报的核心特征之一便是智能化。

       但气象与围棋不同，围棋虽然变化复杂但规则相对简单，气象是个更为复杂的系统，受影响的因素太多。比如降雨，水汽、湿度条件都满足了，但空气中没有“凝结核”，雨也下不来；比如沙尘暴，风速太大只会让风在平流层“奔跑”，无法形成沙尘。

       气象工作者一方面需要面临人工智能给天气预报带来的挑战，另一方面又期待借助人工智能力量不断提升气象预报的质量和水平。

       目前，智能网格预报依赖的智能化气象科技成果中最重要的是数值预报和集合预报。高分辨率智能网格需要高分辨率区域数值预报模式支撑。我国四套已业务化运行的高分辨率模式已通过建在上海的数值预报云（目前正在升级为智能网格预报云）实现全国共享。

       按照设想，未来，结合物理机理与数值预报大数据挖掘应用的智能预报技术应该是关键。一方面，基于数值预报机理的数理统计形成复杂预报模型、预报方法；另一方面，基于大数据技术的数据挖掘、机器学习等方法，研究深度学习预报模型或预报机器人。

       有了人工智能，还需要天气预报员吗？至少在过渡阶段，预报员很重要。他们的优势在于丰富的经验和对关键天气形势的把握。理想的状态是，初级阶段，预报员多年经验可以用来“喂养”机器和模式；当模型和智能化水平越来越高、人工订正的空间越来越小时，一部分预报员将会投入技术研发，另一部分预报员将主要转向对关键转折性天气过程等的气象服务工作。

       （3）划这么细 准确率靠谱吗

       科学在前进 需求是导向

       6月21日到24日，北京全市平均降雨量达92毫米。但差不多同时收到预警的人，身边的暴雨却并未同一时间抵达。21日晚上，河北、天津、北京南部率先有雨，一时谣言四起，有人说天气预报搞错了。22日，又是一天漫长的等待，当天深夜，暴雨终于如约而至。

在这过程中，我们不难发现，天气预报是准确的，但天气预报与公众的需求和感受并没有完全契合，有的地方下雨了，有的地方还没下。如何与公众需求和感觉相契合就是智能网格预报业务要解决的问题。智能网格预报的初步目标是把全国分成5公里×5公里的网格，在这个基础上每隔1小时更新一次预报，如果遇到重大天气过程，更新的频率还会加快。

       也就是说，如果还是同样一场雨，无论你身在北京哪一个角落，你得到的天气预报将是你所处的5公里网格范围内的天气预报。假如你在南边的某个“网格”里，那你和北边，甚至距离你不远的西南边、东南边某个“网格”里收到的天气预报是不一样的，你只需要在你所在地下雨前做好准备即可。从另外一个角度看，这也避免了无谓的恐慌，限制了谣言的传播。

       有人会问，划这么细，准确率能保证吗？从气象科学的角度看，在同样的技术水平下，当时间和空间分辨率变大，气象预报的准确率一般来说是会降低的。但气象部门在智能网格前期试点和试       运行的过程中，首先要保证的就是使智能网格预报的准确率较以前的站点预报不降反升。

其实，甘愿冒着降低预报准确率的风险，气象部门也要改变传统预报、制作高时空分辨率的网格预报，就是基于气象服务的需求。

       随着气象科技的发展，网格预报的精细化程度会越来越高。气象部门从去年开始也在研制全球网格预报。这样一来，即便你走出国门，也能享受到我国气象部门提供的贴心气象服务了。