中國驕傲丨天有可測風(fēng)云 精確到分鐘和百米的天氣預(yù)報(bào)是怎樣煉成的？

【導(dǎo)語】6月中旬以來，北方多地遭遇持續(xù)高溫天氣，37℃以上的高溫影響面積約45萬平方公里，京津冀和山東等地有21個(gè)國家氣象站日最高氣溫突破歷史極值；南方地區(qū)大范圍強(qiáng)降雨持續(xù)，100毫米以上降雨覆蓋面積達(dá)20.57萬平方公里。全國各地頻繁出現(xiàn)的極端天氣讓許多人不禁憂慮：為何暑熱嚴(yán)重？高溫暴雨天氣什么時(shí)候結(jié)束？……這些問題都離不開對天氣的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

隨著我國氣象科技的發(fā)展，從陸面到海洋，從地球上到外太空，氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、自動(dòng)氣象站、微波輻射計(jì)等多樣化的觀測儀器忠實(shí)記錄著全球大氣的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)，全球海洋表面溫度，兩極冰面積等數(shù)據(jù)，繪制地面、高空天氣圖和輔助圖等，這些進(jìn)步讓人們可以越來越準(zhǔn)確地預(yù)測天氣的陰晴冷暖。那么，天氣預(yù)報(bào)到底如何保證精準(zhǔn)？這樣的預(yù)報(bào)又是如何煉成的呢？

天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)至“百米級、分鐘級”

所有對于未來天氣的預(yù)測都要從當(dāng)下的天氣情況出發(fā)，準(zhǔn)確收集當(dāng)下的天氣數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)工作的第一步。收集數(shù)據(jù)需要依賴各類氣象觀測設(shè)施，比如人們在公園、草坪等戶外場所經(jīng)常能看到的百葉箱，就是最常見的地面氣象觀測設(shè)施之一——自動(dòng)氣象站。要想天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，氣象觀測設(shè)施就要布置得足夠密集。

據(jù)國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇介紹，僅北京便大約分布了500個(gè)自動(dòng)氣象站，收集來自城市各個(gè)角落的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度等氣象信息。除了常見的自動(dòng)氣象站，氣象觀測設(shè)施還有放飛的探空氣球、飛翔在我們頭頂上空的氣象衛(wèi)星以及部署在眾多城市的天氣雷達(dá)等。

5月23日，科考登頂隊(duì)員在珠峰海拔約8830米處維護(hù)升級自動(dòng)氣象站。（圖源：新華社）

有了原始的氣象觀測數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)得出預(yù)測結(jié)果，是天氣預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵問題?！昂茉缫郧?，我們用的是外推法，就是根據(jù)氣象演變在短時(shí)間內(nèi)具有一定連續(xù)性的原則，通過把當(dāng)前的天氣趨勢外延一段時(shí)間，進(jìn)而得出預(yù)報(bào)結(jié)果。”曹勇表示，外推法的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度往往較為有限，如今要實(shí)現(xiàn)更加精確的天氣預(yù)報(bào)就要依賴超級計(jì)算機(jī)和預(yù)報(bào)模型。

目前我國能夠?qū)崿F(xiàn)的氣象預(yù)報(bào)精度在部分地區(qū)可以達(dá)到公里級甚至百米級，而在時(shí)間尺度上則可以實(shí)現(xiàn)分鐘級預(yù)測?！氨热?，在2022年北京冬奧會(huì)舉辦期間，我們的氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)可以準(zhǔn)確給出賽場范圍內(nèi)精確到分鐘級的，涵蓋氣溫、濕度、風(fēng)速等關(guān)鍵信息的天氣預(yù)報(bào)?！辈苡卤硎?，要實(shí)現(xiàn)如此高精度的氣象預(yù)報(bào)，首先就要在監(jiān)測上下功夫：要提升監(jiān)測密度、進(jìn)行加密監(jiān)測。這是精細(xì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，2022年北京冬奧會(huì)的三個(gè)賽區(qū)就布置了400多套氣象觀測設(shè)施。

“溫度、風(fēng)速、能見度等天氣要素會(huì)影響冬奧運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的進(jìn)行。氣象團(tuán)隊(duì)利用我國自主研發(fā)的冬奧氣象百米級、分鐘級山地氣象預(yù)報(bào)技術(shù)體系，提前捕捉到了天氣變化情況，為賽事改期進(jìn)行提供了科學(xué)有力的支撐?！北本┒瑠W會(huì)張家口賽區(qū)國家跳臺(tái)滑雪中心場館氣象預(yù)報(bào)組組長段宇輝說。據(jù)悉，這一技術(shù)專項(xiàng)已納入世界氣象組織高影響天氣預(yù)報(bào)示范項(xiàng)目，為國際相關(guān)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用提供中國智慧、中國經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)然，高精度的天氣預(yù)測，絕不是重大賽事活動(dòng)的專屬，它也在逐步走進(jìn)你我的日常生活。智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)，就是這樣的產(chǎn)品。過去的天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要以站點(diǎn)預(yù)報(bào)為主，而智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)是將城市劃分為一個(gè)個(gè)更加細(xì)密的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都有單獨(dú)的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)人們攜帶智能手機(jī)進(jìn)入到不同網(wǎng)格時(shí)，手機(jī)便會(huì)接收到關(guān)于這一網(wǎng)格內(nèi)的天氣情況，其預(yù)測精度相比過去的站點(diǎn)預(yù)報(bào)得到了較大程度的提升。

天氣預(yù)報(bào)越來越準(zhǔn)背后的科技含量

要做天氣預(yù)報(bào)，首先要有觀測神器，如氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、自動(dòng)氣象站等，把觀測的數(shù)據(jù)放到數(shù)值預(yù)報(bào)體系中，就像解數(shù)學(xué)題一樣，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，得出精確的答案，然后再進(jìn)行發(fā)布。在觀測神器中最厲害的當(dāng)屬“風(fēng)云衛(wèi)星家族”。它是我國獨(dú)立自主研制的一套完整氣象衛(wèi)星系統(tǒng)。自1970年開始研制起，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星從零起步、發(fā)展迅速，最終助力我國成為世界上少數(shù)同時(shí)擁有極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家之一。

4月16日9時(shí)36分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征四號乙運(yùn)載火箭成功將風(fēng)云三號07星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。（圖源：新華社）

截至目前，我國已成功發(fā)射兩代四型共20顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星。其中，風(fēng)云一號和風(fēng)云三號屬于極軌氣象衛(wèi)星，可以獲取全球觀測數(shù)據(jù)，是實(shí)施全球監(jiān)測的“巡邏兵”；風(fēng)云二號和風(fēng)云四號屬于地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，相對地球靜止不動(dòng)，可以獲取中國及周邊區(qū)域的連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)，是堅(jiān)守崗位的“哨兵”。

除了綜合實(shí)力居先，“風(fēng)云衛(wèi)星家族”在國際氣象衛(wèi)星“研制賽場”上也是能拿獎(jiǎng)牌的實(shí)力派選手。1988年，中國第一顆極軌氣象衛(wèi)星——風(fēng)云一號A星成功發(fā)射后，中國從太空獲得第一幅衛(wèi)星觀測圖，當(dāng)時(shí)國際上能做氣象衛(wèi)星的國家還很少。到了1997年，中國首顆靜止軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云二號A星發(fā)射時(shí)，中國成為世界上少數(shù)同時(shí)擁有極軌和靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家之一，與美國、歐洲在國際氣象觀測領(lǐng)域呈現(xiàn)“三足鼎立”之勢。

2016年，中國又成功發(fā)射風(fēng)云四號A星，從全球氣象衛(wèi)星發(fā)展史來看，這顆衛(wèi)星具有里程碑意義，在全球首次實(shí)現(xiàn)了靜止軌道的紅外高光譜大氣探測。這顆衛(wèi)星也是中國第一顆三軸穩(wěn)定的靜止軌道定量遙感衛(wèi)星，至今僅有美國等少數(shù)國家發(fā)射了同類衛(wèi)星，它標(biāo)志著中國氣象衛(wèi)星技術(shù)在國際上從“跟跑、并跑”轉(zhuǎn)向“并跑、領(lǐng)跑”。

接著，在2018年，中國發(fā)射風(fēng)云二號H星，應(yīng)世界氣象組織及亞太空間合作組織要求，風(fēng)云二號H星的定點(diǎn)位置由原定的東經(jīng)86.5度更改為東經(jīng)79度，有效覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區(qū)、印度洋和大多數(shù)非洲國家，成為名副其實(shí)的“一帶一路星”，為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)貢獻(xiàn)“中國智慧”。

2021年，中國發(fā)射全球首顆民用黎明軌道氣象衛(wèi)星——風(fēng)云三號E星，填補(bǔ)了全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)6小時(shí)同化窗內(nèi)衛(wèi)星觀測資料的空白，使中國成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)“黎明軌道、上午軌道、下午軌道”三星組網(wǎng)運(yùn)行的國家。

2023年，“風(fēng)云衛(wèi)星家族”中的第20星——風(fēng)云三號G星成功發(fā)射，是繼美國、日本聯(lián)合發(fā)射專用降水測量衛(wèi)星之后國際上第三顆發(fā)射的主動(dòng)降水測量衛(wèi)星，全球降水星家族首添“中國造”。自此，我國成為全球唯一同時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行晨昏、上午、下午和傾斜四條近地軌道氣象衛(wèi)星的國家。

風(fēng)云三號G星綜合探測示意圖。（圖源：中國氣象局）

未來，風(fēng)云衛(wèi)星還將進(jìn)一步提升對地球大氣觀測的探測要素、靈敏度和絕對精度等。據(jù)了解，中國已啟動(dòng)第三代氣象衛(wèi)星的需求論證，預(yù)計(jì)到2035年，中國新一代氣象衛(wèi)星系列將全面替代和擴(kuò)展目前在役在研的風(fēng)云三號、風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星，滿足區(qū)域和全球氣象災(zāi)害的快速、精細(xì)監(jiān)測需求以及多尺度精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)預(yù)測需求。

氣象事業(yè)整體實(shí)力接近世界先進(jìn)水平

2022年11月20日，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十七次締約方大會(huì)（COP27）在埃及海濱城市沙姆沙伊赫閉幕。（圖源：新華社）

我國加快科技創(chuàng)新，努力做到監(jiān)測精密、預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)，不斷推進(jìn)氣象現(xiàn)代化建設(shè)，氣象事業(yè)整體實(shí)力接近世界先進(jìn)水平，部分技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。從防災(zāi)減災(zāi)到應(yīng)對氣候變化，中國氣象局積極參與氣象國際治理，在國際氣象格局中的作用不斷增強(qiáng)。中國氣象工作者的身影活躍在國際氣象舞臺(tái)和全球各地，成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制訂的參與者、全球氣象能力建設(shè)的貢獻(xiàn)者。

——陸?？仗煲惑w化、協(xié)同高效的精密氣象監(jiān)測系統(tǒng)加快建設(shè)。

我國目前有8顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星在軌運(yùn)行，氣象衛(wèi)星體系建設(shè)在全世界名列前茅，為全球126個(gè)國家和地區(qū)提供100余種數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)；236部新一代天氣雷達(dá)，雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模位居世界第一；7萬多個(gè)地面自動(dòng)氣象觀測站，站點(diǎn)數(shù)量是2012年的4.5倍，氣象觀測數(shù)據(jù)量增加5倍以上，助力地面氣象觀測業(yè)務(wù)全面進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代；7個(gè)大氣本底站、25個(gè)氣候觀象臺(tái)、120個(gè)高空氣象觀測站，讓氣象監(jiān)測網(wǎng)越織越密。

——現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系基本建成，天氣預(yù)報(bào)越來越精準(zhǔn)。

高分辨率數(shù)值模式、多源融合實(shí)況分析等關(guān)鍵技術(shù)逐步完善，形成了從區(qū)域到全球、從天氣到氣候的較為完整的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系；自主研發(fā)的全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，北半球可用預(yù)報(bào)時(shí)效從6.1天提高到7.8天；強(qiáng)對流天氣預(yù)警時(shí)間提前到40分鐘，暴雨預(yù)警信號準(zhǔn)確率提高到90%，均創(chuàng)歷史新高。

6月23日，溫度計(jì)顯示北京室外氣溫超過40攝氏度。當(dāng)日7時(shí)，北京市氣象臺(tái)發(fā)布高溫紅色預(yù)警。（圖源：新華社）

——海量氣象數(shù)據(jù)廣泛共享，惠及世界各地、各行各業(yè)。

通過國際通信系統(tǒng)穩(wěn)定收集八大類178種國際數(shù)據(jù)資源，涵蓋大氣、陸地、海洋等多圈層關(guān)鍵氣象要素；持續(xù)推進(jìn)氣象數(shù)據(jù)共享，氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)率先向國內(nèi)外開放，數(shù)據(jù)總量達(dá)67千萬億字節(jié)(PB)，年訪問量約4億人次，受益者遍布106個(gè)國家，涉及29個(gè)行業(yè)。

——積極參與全球氣候治理，貢獻(xiàn)中國智慧。

逾60名中國作者，20多個(gè)部門、科研機(jī)構(gòu)和高?！谥袊鴼庀缶值慕M織和支持下，積極參與編寫聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評估報(bào)告。參與報(bào)告作者人數(shù)居發(fā)展中國家首位。這組數(shù)字的背后，是在氣候變化科學(xué)評估領(lǐng)域前進(jìn)的步伐中，中國對全球氣候與科技治理的深度參與。

30年來，我國共有200余人次科學(xué)家當(dāng)選IPCC作者，近千名科學(xué)家參與IPCC評估報(bào)告編寫和評審。在IPCC第六次評估報(bào)告期間，中國氣象局組織動(dòng)員專家數(shù)百人次進(jìn)行多次政府評審，遵循平衡、科學(xué)、客觀地表述科學(xué)界研究成果的基本原則，從科學(xué)上維護(hù)了我國及發(fā)展中國家的權(quán)益，為氣候變化談判贏得了空間。

(資料來源：人民日報(bào)、央視新聞、中新網(wǎng)、科技日報(bào)、中國氣象報(bào)社)