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天氣預報概述
天氣預報是科學技術在一定時間和地點預測大氣狀況的應用。自19世紀以來,人們一直試圖非正式地、正式地預測天氣。天氣預報是透過收集有關某一地點大氣現狀的定量資料,並利用氣象學來預測大氣將如何變化而做出的。過去,天氣預報主要是根據氣壓變化、當前天氣狀況以及天空狀況或雲層的變化來手工計算的,現在,天氣預報依賴於計算機模型,這些模型考慮了許多大氣因素。然而,在計算機模型高度發達的今天,要想實現更加精準的預測,仍然需要人工輸入來選擇可能的最佳預測模型作為預測基礎,這就要求多學科知識交叉融合,具體包括模式識別技能、遙相關、模型效能知識和模型偏差知識等。
儘管如此,天氣預測仍然存在很強的不準確性和不確定性。預測的不準確性是由於大氣的混沌性質、求解描述大氣方程所需的巨大計算能力、測量初始條件所涉及的誤差以及對大氣過程的不完全瞭解造成的。因此,隨著當前時間與預測時間之間的差值(現在主流的天氣預測軟體可以預測未來15天的天氣)的增加,預測變得不那麼準確。
圖 天氣預測中北太平洋、北美和北大西洋的表面壓力預測結果
天氣預報是如何進行預測的呢?資料採集方法數值天氣預報的基本思想是對某一時刻的流體狀態進行取樣,利用流體動力學和熱力學方程估計未來某一時刻的流體狀態。
為了得到這些取樣資料,國家氣象服務投入了一批地面自動氣象站和海上氣象浮標進行觀測。世界氣象組織也會在全球範圍內對這些觀測的儀器、觀測方法和觀測時間進行標準化:例如電臺在METAR報告中每小時報告一次,或在SYNOP報告中每6小時報告一次。同時,地面上各種發射場發射的無線電探空儀,能穿過對流層的深處,深入平流層進行採集。除此之外,氣象衛星也可以進行觀測。來自氣象衛星的資料往往用於傳統資料來源不可用的地區。衛星資料與類似的無線電探空資料相比,具有全球覆蓋的優勢,但精度和解析度較低。氣象雷達也可以提供氣象資料,提包括降水位置和強度資訊,可用於估算降水隨時間的累積程度。此外,如果使用脈衝多普勒天氣雷達,還可以確定風速和風向。
圖 現代天氣預報的意義:有助於及時疏散,並有可能挽救生命和防止財產損失
資料處理和預測方法使用上述觀察到的資料來初始化模型,不規則間隔的觀測資料透過資料同化和客觀分析方法進行處理,然後在模型中使用這些資料作為預測的起點。通常,用來預測大氣物理和動力學的一組方程稱為原始方程。從分析資料初始化這些方程,並確定變化率。變化率可以預測未來很短一段時間內大氣的狀態。然後,將這些方程應用於這種新的大氣狀態,以發現新的變化率,而這些新的變化率可以預測未來更長的一段時間內的大氣。這個時間步進過程不斷重複,直到解決方案達到預期的預測時間,例如題主所說的15天。
然而,模型中選取的時間步長決定了天氣預測的穩定性和準確性。全球模型的時間步長在幾十分鐘左右,即可以準確預測未來幾十分鐘的天氣。英國氣象局的統一模型可以執行到未來6天,歐洲的天氣預報中心模型可以執行到未來10天,而環境建模中心的全球預報系統模型可以執行到未來16天。正如愛德華·洛倫茨(Edward Lorenz)在1963年提出的那樣(蝴蝶效應),由於所涉及的流體動力學方程的混沌性質,在兩週或更長時間內進行的長期預測是不可能確切地預測大氣層的狀態的。在數值模型中,對於溫度和風速等變數,初始值中極小的誤差大約每五天翻一番。
天氣預測中計算機起到的角色從本質上講,天氣預測模型就是一個計算機程式。天氣預測模型這一計算計算機程式在給定的位置和高度為未來的時間生成氣象資訊。
理查森(Richardson)將天氣預報設想成了一個巨大的禮堂,裡面有成千上萬的人在進行計算,並把計算結果傳遞給其他人,然而,所需的計算量太大,如果不使用計算機是無法完成的。第一個利用電腦實現天氣預報功能的是美國團隊,其團隊成員包括著名的應用數學家約翰·馮·諾依曼,現今天氣預報的發展受到可程式設計電子計算機的推動,正在向著更加精準、更大計算量的方向發展。
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現在的天氣預報都是有超級計算機做後盾的。
全球數以千計的氣象站負責收集溫溼度、氣壓和風速、風向等資料,每天提供100多萬條觀察資料,根據這些資料資料,超級計算機透過用資料模型來計算大氣運動規律,然後預測出未來短時(1~6個小時),短期預報(0-72小時)和中期預報(3~15天)的天氣動向。
當然了,大自然中,一隻亞馬遜熱帶雨林中的蝴蝶扇個翅膀,都可能引起美國德州一場龍捲風,所以預報未來天氣情況的時間越長,精度就會減少。
所以不要老吐槽天氣預報不靠譜了,現在天氣預報準確率有85%呢