天氣預報如何運作：從數據收集到您的預報應用程式

手機應用程式或電視廣播上顯示的每個預報都可以追溯到相同的基本管道：觀測數據進入，超級計算機求解大氣方程式，預報員或算法將輸出轉換為預測。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）簡單地將這個過程描述為建立在數學基礎上的天氣預報——表示大氣物理行為的方程式，隨著時間前進不斷求解。

預報背後的六個步驟

1. 根據NOAA的說法，全球收集觀測數據——來自氣象氣球、衛星、浮標、雷達、商業飛機和船舶上的傳感器、河流和沿海測量站以及地面站——並將其轉換為溫度、壓力、濕度和風的數值。
2. 數據同化將這些新觀測與大氣最近的短期預報相融合。歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）表示，每天通過這個統計過程篩選和組合數億觀測數據與最近的短期預報，得出大氣當前狀態的最佳估計。
3. 數值模型將全球（或某個區域）分為三維網格點。NOAA指出，更精細的網格提供更多本地細節，但需要大幅提高計算能力——在每個方向上將分辨率加倍會大致使相同區域所需的計算四倍增加。
4. 超級計算機在每個網格點上求解短時間步長的物理方程式，隨後將結果反饋作為下一步的起點。位於弗吉尼亞州和佛羅里達州的NOAA機器每秒執行約2.8千兆次計算；ECMWF的系統使用超過一百萬個處理器，提供大約30拍浮點運算。
5. 模型使用略有不同的起始條件或物理設置多次運行，稱為集合。NOAA表示，當各次運行結果一致時，預報員更有把握；當它們分歧時，這種差異本身就向公眾傳達了不確定性。
6. 人類預報員和自動化系統解釋原始模型輸出——根據當地地形、已知的模型偏差或最近的觀測進行調整——然後發布公開預報、預警或警告。

全球模型與區域模型

NOAA區分全球模型（以粗分辨率覆蓋整個地球）和區域模型（以更精細的細節覆蓋較小區域）。ECMWF每天運行其全球模型兩次，在午夜和中午，還有兩次額外的中間運行為成員國的區域模型提供邊界條件。該機構指出，全球模型是必要的，因為世界一側的天氣干擾可以在幾天後影響其他地方的條件。

為什麼預報隨著時間推移失去準確性

大氣是一個混亂系統：起始條件的微小差異隨著時間增長，直到預報與現實分歧。這一原理首先由MIT氣象學家愛德華·洛倫茨發現，這就是為什麼沒有任何模型——無論多麼強大——都無法無限期地預報未來。

由賓州大學研究員傅慶張領導的研究測試了兩個領先的全球預報系統——ECMWF的模型和美國下一代全球預測系統——對照真實事件，包括歐洲冷浪和中國洪水，使用近乎完美的初始數據。該團隊得出結論，對於中緯度地區（世界大部分人口居住的地方），可靠的逐日預報可以提前約9至10天實現，隨著數據收集、算法和計算能力的改進，這可能延伸至大約14至15天。

NOAA自己關於模型輸出的技術指南對原始、未處理的網格預報給出了更保守的數字，指出模型通常保持準確度約四天，之後運行之間的變異顯著增加——這是集合和人類預報員繼續成為中期預報管道一部分的原因之一。

天氣預報技術的下一步

ECMWF表示未來的進展取決於更高分辨率的集合預報、更好的地球系統過程表示（大氣、陸地和海洋一起）以及改進的天氣觀測同化——所有這些都需要更多的計算能力。根據其自身的事實表，該中心的可擴展性計劃正在為百億億次計算（每秒百億億次計算）做準備，並且還正在探索機器學習技術作為其預報系統的一部分。