浅论气象预报的方法与不确定性

刘二影 黄玲霞 安明 叶梓杰

摘 要：气象预报是气象科学技术发展与社会经济发展的联合产物。从产生到现在，人类对这项技术进行了漫長而艰苦的探索，获得了一定的显著成就。像是气象谚语、天气图预报、数值预报等方法的出现，大大提升了气象预报的准确性。在气象科学技术迅猛发展的同时，人类对气象预报经验有了一定的积累，大气科学理论也在不断完善，但是面临的问题和挑战仍然存在。本文通过对气象预报的发展现状进行了简要阐述，分析了气象预报现存的不确定性，最后对应对该现象的措施进行了讨论，以便让气象预报在更有效地为政府部门和广大民众服务的同时，提高大家对气象预报不确定性的认知。

关键词：气象；预报；不确定性

中图分类号：P456.7 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0331-02

1 引 言

气象科学技术的进步是气象行业发展的必要基础，气象科技技术的发展程度更是一个国家生产水平和科学水平的重要体现，气象预报是气象科学技术发展和经济社会发展需要的共同产物。气象预报，旨在分析大气变化的基础上掌握变化规律，根据过去一段时间的气候形势，对未来一段时间内的天气、气候状况进行预测。自古至今，尽管随着科学技术的迅猛发展以及气象预报经验的长期积累，大气科学理论正在不断地完善，但是气象预测仍然面很多的困难和挑战。

诸如数值预报、天气图分析、气象谚语等，气象预报的方法有很多，然而不可置否的是，大气是一个复杂的系统，天气又是大气运动的结果，存在多种因素对其产生影响。长期以来，气象预报存在不确定性，文章就此进行阐述和讨论。

2 气象预报概述

大气是不断变化的，它在短时间内可以表现出各种状态和过程，在长时期内又可以呈现出这些状态和过程出现的规律，人们将这种短时间内的大气状况称为天气，把长时期气象要素的统计状况和天气过程的综合表现定义为气候。一般地，天气预报和气候预测都属于气象预报的范畴。

天气预报依照其预报时效的长短划分为三类，分别是短时、短期和中期。12h以内为短时，1～2d为短期，3～15d为中期，通常而言，大部分在电视上与广播里播出的都是短期和中期天气预报。月以上的只能做气候预测，称为短期气候预测。气候预测是对未来某时段（如季节、年际或更长时段）气候发展的可能趋势进行描述，它也会根据时间尺度的变化，分为月、季、年际、年代际的类别。

3 气象预报的方法

3.1 气象谚语

几千年来，人们通过目力的方式观测天象、物象的变化，编成气象谚语，用以预测未来的天气、气候。关于气象知识的研究记载，国内外都可追溯到公元前。我国最早在公元前14世纪的殷商时期发现了相关记录，如在发掘甲骨文的过程中，就发现了气象预报的记载。而在国外的远古时期也有关于气象谚语的出现，考古发现兴盛时期巴比伦的黏土片上就有关于气候变化的文字记载。古希腊著名学者亚里士多德在对已经出现的各种气象知识进行了系统的总结归纳，完成了历史上第一部气象专著《气象汇论》。总之，气象谚语的产生，不仅是人类智慧的结晶，更是生活实践中自然规律的积累，可以用来预测气象变化，具有一定的科学意义。再者，气象谚语朗朗上口、简单简洁、代代相传，备受民众追捧，现在仍然有大部分老百姓相信气象谚语的准确性。然而，不能否认的是，由于先人对大气运动的状态绝大多数仅是根据目力判断，具有很大的片面性甚至是误导性，气象谚语的适用有着自身的地域性和局限性。

3.2 天气图预报

大气是一个动态变化发展的系统，想要掌握其变化发展规律，需要从地面到高空获得大量的实时观测数据。天气图作为气象部门分析和预报天气的重要工具，是一种在不同地点把同一时间气象要素显示出来的特制地图。

天气图预报法最早是19世纪中叶在欧洲开始得到推广，并迅速普及到世界各地。随着研究的深入，前人通过天气图将分析天气系统变为分析一些具有一定空间结构和大气运动特征的系统。天气图法这种预报方法是以天气图为基本工具，现在仍旧是大部分气象台采用的预报天气的方法之一。它从各层天气图上分析出同一时刻的天气状况和天气系统及其结构，又从几个前后连贯的时刻天气图上，对这些天气系统的消亡、发展、移动、生成等等变化做出判断，弄清不同天气系统间的关系。之后，根据这些分析，应用天气动力学原理对不同天气系统的未来演变做出预测，作出天气形势预报。最后，再依照可能的天气形势演变趋势作出风、云、气压、温度、降水等等天气现象和气象要素的预报。

从形势预报到具体的天气现象和气象要素预报，主要依靠预报员的主观研判。预报员在长期预报积累中，可以结合预报经验和相似历史个例做出预报。这种方法有一定的劣势，在天气形势发生突然变化时，预报员往往会反应不及。影响天气变化的因素太多，即使是形势判断正确，做出某地具体的天气预报也是十分困难的。

3.3 数值预报

大气运动虽然是错综复杂的，但其仍旧还是有一定的规律可循。正是因为这些规律的存在，大气规律计算才可能实现。国外一些学者表示，在一定的“边值和初值”条件下，对大气运动规律的数值模式进行描述可以很好地对一定范围内的大气的状态进行计算。经半个世纪的发展，这种气象预报的方式，很受各国追捧，已经获取了了充分的发展，成为了业务预报的核心。目前，数值预报法一般用于天气形势预报。它应用热力学和动力学的基本原理对大气的运动状态进行描述，把影响大气变化的主要过程以及各种物理过程列出一组控制方程，然后把各层次和地区上的分析结果和初始观测数据输入计算机，按时间步长对方程组进行反复求解，进而得出未来时刻各个层次上，各个地点的风速矢量、湿度、温度、和等压面高度的三个分量的预报值，并在图上自动填绘，成为一张对未来48h、24h甚至更长时效的天气形势预报图。

数值预报与天气图预报相比，去除了人为主观性，让预报结果更为客观和具体，但由于大气运动的复杂性和计算机本身性能的限制性，往往会对预报方程组进行一定的简化，简化后计算出的预报结果不可避免地会带来一定的差距，因此也不可能预报的十分精确。

4 气象预报出现的不确定性及表现

4.1 气象预报出现的误差类型

气象预报是以理论为基础、以观测为前提、以数值为核心，根据预报员的综合研判和订正最后形成的。随着气象科学技术的迅猛发展，数值预报结果已经成为预报员的主要参考，数值预报的不确定性很大程度会造成气象预报不准，本文将从以下三方面讨论数值预报的不确定性。

4.1.1 初始误差

模式初值的质量对于数值预报来说，具有十分重要的作用。由于存在诸多的客观影响因素，模式的基础条件只是模拟气象真实状况的值，因此误差是不可避免存在的。重点决定于所运用的设备的精密度以及外部环境的影响和观测技术的技术水准、准确性等，例如气象站的观测误差。一方面，在对大气现象运用气象卫星来进行观测分析时，由于大气散射对云顶高度和地面反照率的影响，卫星反演也存在误差。另一方面，观测资料也存在片面性。在一些偏远地区和洋面，观测站分布较少，观测数据的质量也是有待考究的。此外，在利用气象雷达对大气进行观测时，由于电磁波在大气中的衰减和折射等原因，通过雷达探测的回波强度推测降水量的多少也会存在误差。

4.1.2 模式误差

模式误差指模式在模拟不精准而引起的偏差，也指在模拟过程中忽略了某些物理、动力过程引起的偏差，也包括模式计算不准确的误差。例如，在模拟中小尺度体系的生消变化，气象变化中的湍流现象是无法做到精准预测的。不管模式精准度多高，因为大气是不断变化的介质，一定会存在一些低于网格距尺度的变化无法准确体现在系统内。再者，由于大气运动复杂多变，总有一些客观存在的物理、动力过程没有被人们发掘，不可避免在数值模拟中会忽略。尽管近些年，人们对大气运动的各种机制认知有很大程度的提高，数值模拟的参数化方案也有进一步的改善，计算机性能也是不断提高，但是大气运动的复杂性是难以想象的，数值模式的模拟总是难以对各种物理、动力过程进行完美呈现，数值模拟仍然需要不断的探索和研究。

4.2 气象预报不确定性的表现

归根到底，大气运动复杂多变，天气的发生和发展受初始条件的影响很大。气象预报工作的精确度，一样也由于当前现有数值模式技术水平的限制，而导致存在很大的误差性。所以，预报员在进行气象预报时，不可避免地会在预测大气运动时，引入不确定的因素，由此势必引发气象预报不准确的问题。针对这个作为固有存在现象的问题，我们首先要客观正视，其次政府部门和广大民众也要接受这种不确定性的事实。总之，天气预报的不确定性是大气运动复杂性影响的必然，是由很多因素而引起。

4.3 应对气象预报的不确定性的措施

针对气象预报的不确定性，首先要做的就是对自己的预报树立信心，一定要认识到，任何事物都具有两面性，在多数情况下气象预报是准确的，同样也存在不准确性的可能。想要做到正确应对气象预报的不确定性，要做到以下几点：①应注意通过各种宣传方式，加大对气象知识的普及，让民众认知天气预报的准确性一直在提升。②作为气象部门，应不断完善数值预报模式，对新的观测技术进行积极的研发。③要对气象工作人员开展科学合理的业务培训，不断推动其进行多元化的发展。④我们应更加客观有效的利用多渠道进行气象预报滚动更新，在最大程度上服务民众，同时减少气候灾害给居民生命安全造成的损失。

5 结束语

目前气象预报已经朝着多角度多层次的趋势发展，高空观测正逐渐引入更发达的通感技术，有关地面观测的相关技术也获得了进一步的发展和完善，逐渐达成了高广度覆益和自动一体化。总的来说，不确定信息获取的手段变得更加多样，政府部门和广大民众对气象预报的不确定性有了一定的认知，同时气象部门对新的预报产品形式的研究和理解也在不断深入。在面对这种气象预报固有的不确定性时，我们有理由坚信人们会变得愈发的从容。放眼未来，随着气象科学技术的不断发展和成熟，多学科、多国家的交叉融合，气象预报将会得到更大的发展和改善。

參考文献

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收稿日期：2018-6-23