天气预报如何工作：从数据收集到你的预报应用

每个在手机应用或电视广播上显示的预报都可以追溯到同一基本流程：观测数据输入，超级计算机求解大气方程，预报员或算法将输出转变为预报。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）简单地将这个过程描述为基于数学的天气预报——代表大气物理行为的方程，随着时间推进反复求解。

预报背后的六个步骤

1. 观测数据从全球收集——来自气象气球、卫星、浮标、雷达、商用飞机和船舶上的传感器、河流和沿海测量计以及地面站——并根据NOAA的说法，被转换为温度、气压、湿度和风速的数值。
2. 数据同化将这些新观测与大气最近的短期预报混合。欧洲中期天气预报中心（ECMWF）表示，每天有数亿次观测通过这一统计过程被过滤并与最近的短期预报结合，产生对当前大气状态的最佳估计。
3. 数值模型将全球（或一个区域）分为三维网格点。NOAA指出，更精细的网格提供更多本地细节，但需要更多计算能力——在每个方向上加倍分辨率大致使同一区域所需的计算量增加四倍。
4. 超级计算机在每个网格点为短时间步长求解物理方程，然后将结果作为下一步的起始点。位于弗吉尼亚州和佛罗里达州的NOAA计算机每秒执行约2.8千万亿次计算；ECMWF的系统使用超过一百万个处理器，提供大约30拍字节的性能。
5. 该模型多次运行，每次的起始条件或物理设置略有不同，称为集合。NOAA表示，当多次运行结果一致时，预报员信心更高；当它们分散时，这种分散本身可以向公众传达不确定性。
6. 人类预报员和自动化系统解释原始模型输出——根据本地地形、已知的模型偏差或最近的观测进行调整——然后发布公众预报、观察或警告。

全球模型与区域模型

NOAA区分全球模型和区域模型，前者覆盖整个地球但分辨率较粗糙，后者覆盖较小区域但细节更丰富。ECMWF每天运行两次全球模型，在午夜和正午，还有两个额外的中间运行为成员国自己的区域模型提供边界条件。该机构指出，全球模型是必要的，因为世界一侧的天气扰动可以在几天后影响其他地方的条件。

为什么预报准确性随时间下降

大气是一个混沌系统：起始条件的微小差异会随着时间增长，直到预报与现实相偏离。这个原则由麻省理工学院气象学家爱德华·洛伦兹首次识别，这就是为什么没有模型——无论多强大——都无法无限期地预报未来。

由宾州大学研究人员傅琪·张领导的研究测试了两个领先的全球预报系统——ECMWF的模型和美国下一代全球预报系统——与真实事件相对照，包括欧洲寒流和中国洪水，使用近乎完美的初始数据。该团队得出结论，对于中纬度地区（世界大部分人口居住的地方），可靠的逐日预报可以提前约9到10天实现，随着数据收集、算法和计算能力的改进，这可能扩展到大约14到15天。

NOAA对模型输出的技术指导给出了更保守的原始未处理网格预报数字，指出模型在约四天内保持通常准确，之后运行间的变异大幅增加——这是集合和人类预报员在中期预报管道中仍然存在的原因之一。

预报技术的下一步

ECMWF表示，未来的进展取决于更精细分辨率的集合预报、对地球系统过程（大气、陆地和海洋的结合）的更好表示，以及改进气象观测同化——所有这些都需要更多计算能力。该中心的可扩展性计划为百亿亿次浮点运算（每秒十亿亿次计算）做准备，并且根据其自己的事实表，还在探索机器学习技术作为其预报系统的一部分。