天气预报：从玄学到科学
气象是一门科学，监测精密是基础，预报精准是核心，服务精细是目标。今天就和大家聊聊天气预报的前世今生！（对气象监测有兴趣的同志，请移步：气象监测，有多精密！）
天气预报一直深受人们的关注，深刻影响着人类的生产生活。天气预报从最初的玄学，纯粹依靠生活经验判断，到后来传统天气图的诞生，天气预报开始变为应用科学，再到现在的数值天气预报，预报准确率大幅提升，天气预报经历了从玄学到科学的演变历程：
早期天气预报的发展
三千年前，我国甲骨文中，就有了关于天气实况的记录，包括风、云、虹、雨、雪、霜、霞、龙卷、雷暴等。古代人受变幻莫测的天气影响很大，气象往往与占卜、求雨等迷行活动有关，属于玄学。
图1 甲骨文中记录的天气相关内容
几千年来，水手、渔民、农民和猎人们通过看云、辨风、识天象来预测天气，探索天气预报。我国早在2000多年前就总结出了二十四节气，主要指导农事生产、祭祀活动等。流传至今的天气谚语也能反映早期人们对天气预报的关注，例如“朝霞不出门，晚霞行千里”，“天上钩钩云，地上雨淋淋”。《三国演义》中诸葛亮借东风火烧曹军战船和大雾天草船借箭的故事，就是短期天气预报在军事中的应用。
图2 二十四节气
天气预报的发展离不开定量的观测，随着古代科技的发展，各类天气监测仪器不断涌现，其中包括伽利略及其弟子发明的温度计和雨量器、托里拆利发明的气压计，考特发明的湿度计等。
图3 托里拆利和气压计
随着气象仪器的发明和气象观测网的建立，以及流体动力学理论的发展，天气预报逐渐向应用科学的方向转变。
现代天气预报的诞生
电报的发明，为各地气象观测资料的迅速传递和信息集中提供了条件，使绘制实时的天气图成为可能。天气图的诞生，则是现代天气预报诞生的标志。
图4 中国人制作的第一张天气图
这就是中国人1915 年制作的第一张天气图。这张图的到来与西方相比，已经整整晚了一百年。
关于战争驱动天气预报发展的故事已经耳熟能详了，第一次世界大战时，当时处在气象绝对领军地位的英国政府停止向挪威政府提供气象资料，挪威政府从仅有的8处观测站开始，从气象监测、气象人才、理论研究等方向发力，成就了随后鼎鼎大名的挪威学派。翻开现在的任何一本《天气学原理》书籍，环流理论、气旋结构、气旋生命史、冷暖锋、气团等等均出自挪威学派，而皮叶克尼斯则是挪威学派的核心人物。他们为天气预报做出了卓越的贡献。看看今天的中国，技术封锁也可以变成发展自我的最好机会。
图5 《天气学原理和方法》
依靠天气学理论和预报员经验，手工绘制、分析天气图，再制作天气预报的时代伴随着广播、电视、报纸等媒体的传播迎来了大发展。目前大多数的预报员都经历过这一阶段，他们分析、会商、预报，短期天气还有预报成功的可能，面对中长期天气预报则束手无策。而随后数值天气预报的降临则为预报员们配备了最最黑科技的武器，他们开始在天气预报中笑傲四方。依靠数值天气预报，目前气象业务能做到无缝隙天气预报：短时（0-几小时）、短期（1-3天）、中期（4-9天）和延伸期（10-30天）。
数值天气预报的降临
数值天气预报就是给定初始和边界条件，通过数值方法求解大气运动方程组，从而由已知初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态。
图6 数值天气预报示意图
1904年皮叶克尼斯提出数值预报的思想，1916年至1918年理查森进行数值预报尝试，要知道当时还没有计算机，理查森设计了计算机工厂，要求六万四千人在工厂里同时计算，当然以失败告终。
图7 理查森设计的天气预测计算工厂
之后又经过了像罗斯贝、查理、冯诺依曼等一众气象大佬惊世骇俗的操作，1954年第一次数值天气预报（NWP）在瑞典斯德哥尔摩出现，实际业务中仍然不可用。期间又经历了气象卫星的迅猛发展，80年代欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开始每天制作全球预报，之后的几十年EC将带领全世界数值天气预报中心不断前进。
图8 欧洲中期天气预报中心ECMWF数值天气预报模式制作的天气图
EC首创四维变分（4D-Var）资料同化方法的业务运行是全球业务数值天气预报中的里程碑。之后的几十年，得益于四维变分资料同化的不断优化，以及气象卫星观测、超算设备等的发展，天气预报的有效预报天数平均每十年提高大约一天。1999年之后北半球和南半球曲线的收敛是由于使用变分方法处理卫星资料带来的突破。
图9 天气预报技巧趋势变化。预报技巧是在500百帕高度层上的预报和验证分析场之间的相关性。
集合预报的业务运行也是数值天气预报发展史上浓墨重彩的一笔。大家都知道“蝴蝶效应”，即一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。气象学家洛伦兹1963年便指出了天气系统属于混沌系统，一个微小的误差随着时间的推移会造成巨大的差别，即初始条件的误差使得天气预报越往后越不准。
图10 洛伦兹蝴蝶效应轨迹模型
集合预报则很好的弥补了天气系统的混沌特性。既然无法得到真实的初始值，那就用很多个扰动初始值进行模拟，得到很多个不同的预报，有些成员可能还会出现南辕北辙的预报结果。但集合预报得到的概率预报恰恰给天气预报使用者提供了重要且科学的信息。
图11 集合预报示意图
目前全球数值天气预报处在一超多强的态势，EC则是当之无愧的老大。
世界数值天气预报水平大致可分为三大阵营
未来天气预报的趋势
随着高性能计算、观测系统和气象理论科学的持续发展，未来的天气预报发展路径包括但不限于：
1、发展耦合大气-陆地-海洋-海冰的地球系统模式；时间空间分辨率不断提高，全球公里级数值天气预报将成为可能；天气-气候一体化模式也将逐渐成为主流。当然这些看似路径明确的发展方向，仍然面临着极大的挑战，包括物理过程参数化、云辐射过程、集合方法以及各种气象理论的突破。
图12 地球系统模式示意图
2、人工智能在天气预报中的应用。
天气预报和人工智能有着天然耦合的关系。人工智能出色的大数据处理能力成为助力天气进一步精准预报的重要工具。
国外已实现基于深度神经网络和气象卫星观测资料的数据同化算法研发，在一定的准确率容忍范围内，与传统方法相比，人工智能方法的计算效率可大幅提高。近年来，欧洲中期天气预报中心较为全面地评估了人工智能技术在天气预报数值模式中各个技术环节的应用潜力，对人工智能的应用给出乐观的预期，并已在部分环节如物理过程参数化中开展技术试验。
图13 人工智能在天气预报中有极大的应用前景
参考文献：
1、北京大学 钱维宏教授 《天气预报发展历程》
2、欧洲中期天气预报中心 www.ecmwf.int
3、【预报天气，人工智能比人类更擅长？】，科技日报
http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/202007/t20200730_559576.html
4、【The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction】数值天气预报的寂静革命
http://www.nature.com/nature/journal/v525/n7567/full/nature14956.html
