天氣預(yù)報：求解風(fēng)云變幻的方程式

王婉

數(shù)值天氣預(yù)報的“前世今生”

中國古典名著《三國演義》中赤壁之戰(zhàn)“借東風(fēng)”的情節(jié)被人們所熟知：蜀漢丞相諸葛亮通過觀測，結(jié)合史書對長江流域天氣變化的記載，預(yù)測出東風(fēng)的到來。

雖然歷史上諸葛亮并沒有參與赤壁之戰(zhàn)，也沒有呼風(fēng)喚雨之能，指揮赤壁之戰(zhàn)的人是東吳名將周瑜。但從這個故事中，我們可以了解到，古人有通過生活經(jīng)驗(yàn)來判斷天氣的經(jīng)歷。

隨著世界第一張?zhí)鞖鈭D的誕生，天氣預(yù)報開始變?yōu)閼?yīng)用科學(xué)。而后，氣象觀測站點(diǎn)數(shù)量以及天氣圖覆蓋面的增加、衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用，形成了各種類型資料之間的對比、分類、聚類和規(guī)律，這使得基于天氣圖的預(yù)報準(zhǔn)確率逐步提升。

后來，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，美國科學(xué)家首次使用計(jì)算機(jī)制作出以大氣動力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值天氣預(yù)報。從此，數(shù)值天氣預(yù)報逐步成為天氣預(yù)報的主要方法，并在全球天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和龐大的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下，預(yù)報準(zhǔn)確率和預(yù)報時效大幅提升。

什么是數(shù)值天氣預(yù)報

那么，什么是數(shù)值天氣預(yù)報呢？簡單來說，它是一種用高性能計(jì)算機(jī)把未來天氣“算”出來的科學(xué)。天氣預(yù)報員們預(yù)報天氣就像在用計(jì)算機(jī)解一道非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)題。因此，天氣預(yù)報與數(shù)學(xué)密不可分。

因?yàn)榇髿膺\(yùn)動總是遵循一定的規(guī)律，將這些規(guī)律編寫成一系列數(shù)學(xué)方程組，其中包括運(yùn)動方程、熱力學(xué)方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程及水汽方程等，再利用高性能計(jì)算機(jī)求取這些方程組的近似數(shù)值解，得到未來天氣發(fā)展變化狀況，就是數(shù)值天氣預(yù)報。

實(shí)踐中使用的數(shù)學(xué)方程組非常復(fù)雜，因?yàn)榇髿庾兓瘡?fù)雜多樣，除了大氣層，還受海洋、陸地表面狀況等多重因素的影響，數(shù)值天氣預(yù)報中，要對所有這些因素進(jìn)行精確的模擬。

中國數(shù)值天氣預(yù)報研究始于1954年，是國際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報的國家之一。2021 年9月30日，中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心成立，求解風(fēng)云變幻的方程式（數(shù)值天氣預(yù)報）將在天氣氣候預(yù)報預(yù)測、氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面發(fā)揮更加重要的作用！

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）

知識鏈接 天氣預(yù)報是怎么做出來的

第一步：進(jìn)行氣象觀測，即利用氣象衛(wèi)星、探空氣球、自動氣象站，得到降雨、氣溫、氣象、風(fēng)向、風(fēng)速等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第二步：將觀測數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)方程組中，通過大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，得到各種預(yù)報數(shù)據(jù)。

第三步：天氣預(yù)報員通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，繪制天氣圖，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報學(xué)經(jīng)驗(yàn)，做出具體的天氣預(yù)報。

知識拓展 世界第一張?zhí)鞖鈭D的誕生

天氣圖是指填有各地同一時間氣象要素的特制地圖，是預(yù)報天氣的重要依據(jù)。

世界上第一張?zhí)鞖鈭D誕生于1854年11月14日，由巴黎天文臺臺長勒維烈制作。

當(dāng)時，英法聯(lián)軍與沙皇俄國激戰(zhàn)正酣（即歷史上的克里米亞戰(zhàn)爭），打算在黑海地區(qū)登陸的英法聯(lián)軍卻突遇海上風(fēng)暴，幾乎全軍覆滅。勒維烈為研究這次風(fēng)暴的原因，向各國氣象學(xué)家征集風(fēng)暴發(fā)生前后的氣象報告，把同一時間各地的氣象情況填在一張圖上。世界上第一張?zhí)鞖鈭D就此誕生。

天氣圖如同特制的照片，保留著各地不同時間、不同高度的天氣情況“影像”。天氣預(yù)報員能夠由此判明當(dāng)前天氣系統(tǒng)的分布及其結(jié)構(gòu)，判明天氣系統(tǒng)與具體天氣的聯(lián)系，以及最近的演變情況。