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天气预报的“前世今生” ,你都了解吗?
2017-03-01 09:59

作为气象爱好者或关心天气的你,是否了解天气预报的发展历程呢?最早的天气预报是怎样的?古人是如何预测天气的?现代天气预报又是怎么发展起来的?未来天气预报将如何发展?

古人是如何预测天气的?

距今3600年前,当中华大地的先人们还在用甲骨文传递信息的时候,他们已经开始制作最早的天气预报。

最早的天气预报是这样的:

这段文字预报的是降雨,意思是,壬寅日占卜,癸日下雨,后来的天气是起了暴风。可以看出来,当时的预报方法靠的是占卜。

在夏商时代,人们已经开始从事农业生产,靠天吃饭的需求,让天气预报成为刚需。不过,当时没有气象科学,人们光靠抬头看天和占卜来观测和预报天气。当然,预报准确率就不得而知了。

在我国最早的诗歌总集《诗经》中,记录了古人们的看天经验。

《诗经》中《邶风·北风》:“北风其凉,雨雪其雱。……北风其喈,雨雪其霏。……”雱,雨雪盛大;喈,风疾。霏,雨雪纷飞。意思是说寒冷北风吹到、风大,带来的雨雪也大。

这不是历史上对冷空气的最早描述么?

经验是古人进行天气预报的主要依据。远在汉代,就已经有利用琴弦感应的湿度原理预测晴雨的事例了。元末明初娄元礼在《田家五行》一书中也说:如果质量很好的干洁弦线忽然自动变松宽了,那是因为琴床潮湿的缘故;出现这种现象,预示着天将阴雨。他还谈到,琴瑟的弦线所产生的音调如果调不好,也预兆有阴雨天气,这也是合乎科学道理的。

时光悠悠过了几千年,天气预报并没有成为一门系统性的实证科学,但是人们对天气现象的认识在深入。其间,宋朝科学家沈括在《梦溪笔谈》中,记录了公元1076年某一县城发生龙卷风的情况,是东亚关于龙卷风方面的最早记录,他阐述了彩虹形成的原因,记载了“球形闪电”。《梦溪笔谈》也记录了沈括成功预报降雨的个例。

明朝郑和下西洋反映了古人对天气认识的加深,他在航行中开始主动利用风能。他的航线涉及三大洋,比达伽马绕过好望角到达印度、麦哲伦完成环球航行要早83年和107年,在当时靠木船、仅凭借自然的风力航行,克服海上种种困难是非常了不起的。据资料记载,郑和船队遇逆风侧风,只要将帆面倾斜到一定角度,风力吹到帆面上形成垂直于帆面的力,就能推动船舶前进。

时光回溯到三百多年前,我国才出现了连续的气象记录和专门从事气象工作的部门——“钦天监”。

钦天监设立于清康熙十六年,即1677年,类似现在的政府气象部门。他们统一制作了测雨器,并且令直隶地区(相当于今天的省),逐日记录晴雨,观测雨、雪、风、雷等天气现象。这是中国历史上第一个地面气象观测网。

靠这个观测网,京都(即北京)积累了从清雍正二年(1724年)至清光绪二十九年(1903年),连续180年的观测记录——《晴雨录》。这成为中国现存档案中,年代连续最长的雨量观测资料,可以说是中国气象走向定量化的一个标志。

依靠连续科学的观测记录,天气预报终于有希望走出蒙昧的旧时代,向现代化迈出了一小步。

当中国人在黑暗中对气象科学进行了摸索时,西方的气象科学也在不断进步。气象,是典型的西学东渐的一门科学。

现代天气预报是如何诞生的

如果没有泰勒斯在2500年前将天文和气象联系在一起,没有亚里士多德2300多年前就撰写了《气象通典》一书,没有全球通航和商务带动东西方交流,没有文艺复兴及工业革命带来的包括气象观测仪器在内的各种发明,没有牛顿经典动力学理论,就不可能在20世纪初诞生具有古老根基的现代气象科学。

公元前340年的《气象通典》一书是世界上最早的气象学专著,使关于天气现象的知识终于成为一门系统的学科。

这本书的作者是鼎鼎有名的科学家——亚里士多德。他试图以自然哲学观点解释各种天气现象。

公元16~19世纪,多种气象仪器被发明。伽利略发明温度计,这位科学伟人在创造了物理学的同时,改良气象学。达芬奇,这位跨领域的学者和艺术家,涉足了近代湿度计的发明。

尤其是在18世纪,这100年是科学认知飞速发展,很多气象经典的起源时期。流体力学和微分方程横空出世,首创的天气符号为天气图的成熟准备,天文学、流体力学等学科进展启发气象学,气象动力学开始出现。

在大气科学领域的先驱者是法国著名哲学家、数学家勒内·笛卡儿让其之后的气象学完全摆脱了《气象通典》的束缚,使气象学成为了完全具有科学性质的学科。

在《气象学》一书中,笛卡儿用新的方法解释了各种天气现象。他详细讨论了地面上的物质以及上升的水汽性质、云层以及风的成因,并解释了云层演化成雨、雹、雪的过程和暴风雨、雷、闪电等的成因以及虹和大气光现象。

哈雷彗星的发现者英国天文学家哈雷1686年在远洋航行中,系统研究了信风和季风,首倡信风和季风的环流理论,被后世的气象学家尊称为动力气象学之父。

环流理论的另一位杰出科学家是英国天文学家哈德莱。我们熟知的环流模型,就是以他的名字命名——哈德莱环流。

美国人莫尔斯,发明了“莫尔斯电码”,莫尔斯电码很快用到气象上,1851年,英国的气象学家格莱舍在伦敦水晶宫举办的万国博览会上展出第一张利用电报收集各地气象资料而绘制的地面天气图。最初的地面观测资料都是通过莫尔斯电码上报、汇总的,当时的观测员都需要把观测到的天气现象编成报文,通过电话发出去。


1816年世界上第一张天气图

有了天文、物理、数学等构建的基础理论和各种气象仪器、观测记录,在17世纪以后,在文艺复兴浪潮的推动下,气象学完全转入新的阶段,以实验和验证的方法来研究气象学,真正的天气预报诞生了。

最早的现代气象学预报出现在法国,最早开展的天气预报是——台风路径预报。

1854年11月,英法联合舰队在黑海上和俄军决战,可是还未开战,就遭到了一场强风暴的袭击,一下子沉没了30多艘舰船。事后,巴黎天文台台长勒弗里埃受命调查这次风暴的来龙去脉。他发信给各国气象台站,收集到许多气象情报,绘制了一张天气图,发现这种风暴的移动有一定规律。

1855年3月,勒弗里埃提出,如果组织观测网,迅速将观测资料集中一地,分析绘制天气图,则可推断出未来风暴的运行路径。在各方资助下,法国终于在1856年建立了正规的气象站网,开始了天气预报的业务工作,这是世界的首创。

数值天气预报引领天气预报现代化

真正引领天气预报技术走向现代化的是数值天气预报的诞生。

在20世纪初,Abbe和Bjerknes提出物理定律可以用来预报天气。他们认为,预测大气的状态可以视为数学物理的初始值问题,其中未来天气通过积分控制偏微分方程来确定:积分从观测的当前天气开始。这一命题,即使用牛顿决定论做最乐观的解释,也是很大胆的,因为在那个时候,很少有对大气状态的日常观测,没有计算机,并且对天气过程是否具有重要意义的可预报性知之甚少。

1940年代中期-1950年,伴随第一台电子计算机,数值预报首先在美国实行。1950年代,数值预报业务在欧洲广泛开展,各国气象服务随着数值预报技术的成熟获得巨大进步。

1950年,查尼等人计算出了历史上第一张数值预报天气图,成为数值预报发展的第二个里程碑。

在英、法、德、美等各国科学家各自提出天气预报上一些最基础的理论时,时间到了20世纪初,出现了气象学上重要的两个学派:挪威学派和芝加哥学派。

挪威学派的创始人V. Bjerknes和他的学生们在几乎白手起家的条件下,在短短十几年时间内,先后发表了包括环流理论、气旋模式、气旋生命史、气旋结构、气团和三维分析、降水的冰晶学说这一系列重要成果,使6~12小时的天气预报有了坚实的科学依据,成为世界公认的主流气象学派。

“芝加哥学派”(Chicago School)在20世纪30年代开始酝酿,40年代形成并达到高峰,50~70年代持续繁荣。

“芝加哥学派”的核心人物C.-G.罗斯贝,在高空天气图上发现了长波,创立了长波理论。“芝加哥学派”的工作,增强了天气学与热力学和动力学的联系,充实了天气分析和预报的物理基础,也为研究大尺度大气运动提供了理论依据,并推进数值天气预报的发展和应用。 罗斯贝首先提出在天气图上红色标注暖锋,蓝色标注冷锋沿用至今。

C.-G.罗斯贝登上时代杂志封面

到了20世纪代, 由于数值天气预报模式的分辨率的提高以及气象卫星遥感资料的大量应用,使得数值天气预报时效达到10天左右, 并开始试验月和季的数值气候预报。因此, 天气预报从主观估计变成客观、定量的数值天气预报,可以说,这是20世纪大气科学的一个重要应用研究成就。

西学东渐:我国天气预报的发展历程

四百多年前,一群西方传教士肩负“为上帝开疆拓土”的使命,不远数万里来华,在异域文明的知识和话语背景下传播天主教义。在与地方官僚和士人阶层打交道的过程中,他们探索创造出以宣扬西方科学技术知识为手段,为自己获得身份认同,进而在中土立足、传教的策略,从而开启了明末清初西学东渐的历程。

在清代的钦天监中,出现了洋人。从顺治元年至道光六年,一百八十多年间,西洋教士曾长期在钦天监担任主要职务,西方科学由此传入我国。

1743年,也就是清乾隆八年,法国传教士哥比开始在北京建立测候所。到了1830年至1895年,俄国人富士及俄国教会先后在北京建立测候所和地磁气象台,系统地开展气温、湿度、风向、风速、云量、雨量、蒸发、低温等项观测。

他们先后将西方近代气象仪器带入中国,客观上推动了北京地区地面观测技术的发展。

中国人制作的第一张天气图诞生于1915年。当时的中华民国政府成立了中央观象台,蒋丙然任气象科科长,于1915年亲自绘制了第一张中国人发布的天气图。1916年正式以天气图的方法试做预报,每日天气预报分两次对外公布。预报内容分风向和天气两项。这张图的到来与西方相比,已经整整晚了一百年。

1945年8月,在条件极其艰苦的战争年代,中国共产党领导下的第一个气象台在延安创建。新中国的成立,为气象事业的发展带来了契机,也让中国的天气预报逐步走上现代化的道路。

1949年10月1日,新中国成立,全国有101个气象台。1950年,提出了“建立各级气象组织,整编和设置台站,制定基本制度和技术规范,收拾烂摊子,建立新业务”的工作方针。1950年3月1日,中央气象台成立。

机构有了,科学和技术人才在哪里?答案是向西方取经。

举个例子,中国现代气象事业的奠基人,就有几位出自芝加哥学派,他们中的许多人都是罗斯贝的学生。所以说,中国的天气预报,虽然一直未能形成系统的科学,但现代气象预报业务从它诞生之初就站在了巨人的肩膀上。

叶笃正,1948年获美国芝加哥大学博士学位,1946-1950年在芝加哥大学从事研究工作,1950年10月回国。

谢义炳,1945~1949年在美国学习。以“北美冷涡的选例分析”论文获芝加哥大学博士学位。

顾震潮,1947年留学瑞典斯德哥尔摩大学气象系读研究生,师从罗斯贝,1950年放弃博士学位回国。

他们把所学的理论引入到中国,带领中国的科学家,结合中国的实际问题开展工作,对中国现代气象科学与业务发展做出了开创性的贡献。

50年代,我国在大气环流变化方面作出了许多国际领先的研究。我国学者分析了大量东亚大气环流演变的事实,提出了东亚大气环流季节转换是突变。这个看法比80年代国际上许多学者提出大气环流的非线性突变要早20年之多。我国学者还发展了半地转适应、球面大气适应和有源的地转适应等理论。同时,我国学者较早设计出原始方程模式对大气环流进行数值模拟,台风预报水平名列世界前列,我国24小时台风路径预报误差小于70公里。

时至今日,我们拥有了与美国、欧洲类似的现代化的气象卫星系统;建立了与美国类似的现代天气雷达网;中国的自动气象站从数量上看应属世界第一;中国的业务数值预报系统已运行多年;具有中国特色的决策、公众气象服务和防灾减灾体系在世界范围有一定的影响;在天气与气候、农业气象、环境气象、交通气象、能源气象等领域也取得很大成绩。

现代天气预报的制作流程

现代天气预报包括5个环节:气象观测、数据收集、综合分析、预报会商、预报产品发布。

气象观测:气象要素观测可分为地基观测、空基观测和天基观测三大类。

地基观测主要:地面气象站、自动气象站(无人)、雷达、海洋站、船泊

空基探测主要有:探空气象、探空火箭、探空气球

天基探测主要有:静止卫星、极轨卫星

气象观测数据通过气象专用网络通道传输到中国气象局。

数据收集:主要分为资料同化和数值预报两大过程。

气象资料同化就是将收集的全球数据(国外共享数据,国内的部分数据也向国外共享)统一为数值模式可以识别和使用的数据。

数值预报就是使用大气运动方程建立的数值模式,按时间顺序计算不同高度全球球各处气象要素的值。数值模式涉及到大量微分方程,计算量巨大,一般使用超级计算机完成。

综合分析:计算机完成数值预报的结果输出以后,天气预报员通过分析天气图和国内外数值预报产品,研究各类型天气图表,结合气象卫星、雷达探测资料,进行综合分析、判断后,作出未来不同时间段的具体天气预报。

预报会商:作出天气预报的最后一个关键步骤。由于影响天气的原因很多,很复杂,预报员需要集思广益,进行讨论,像医生给病人会诊一样,在天气会商时,所有预报员充分发表自己的意见,主班预报员对预报意见进行汇总后,经过综合分析,然后对未来天气的发展变化作出最终的预报结论。

预报产品发布:天气预报结论作出后,制作成不同形式的预报产品,通过新媒体发布。这就是大家收看收听到的天气预报了。

未来的天气预报会如何发展?

从世界范围来看,在提升天气预报能力、时效和精度及公众服务性上仍大有可为。

科学和技术的挑战在许多领域是相互依存的。计算和数据处理的效率对于天气和气候模式的复杂性有所限制。全球模式在1公里的对流可分辨尺度下运行,这将非常具有挑战性。

美国目前最明确的下一代模式开发计划,是要在2018年完成的下一代全球降水系统(NGGPS)模式的研发,定位为“全球3千米到10千米、嵌入模式0.5千米到2千米”,有效期30天的全球最先进预报系统。这将突破现有数值预报系统的有效预报的时效7~10天,在空间上的精度也将大大提高。

预报图的累积,特别是数值天气分析可视化图的长时间累积,也让气象学家思考:尽管天气千变万化,但是从一个长时间段看,一些重要的天气过程常常会在不同时间里出现相似的演变过程,这样的规律性如果能够提炼出来,可以成为预报员的重要参考工具。英国气象局开发的“决策者”预报工具,就是瞄准最难的中期到月预报,借助1850-2003年数值天气分析图,开发的预报工具。

另一个著名的理念是今年由美国国家强风暴实验室(NSSL)专家提出的天气预报“全程呵护”理念。这一理念的主要核心是:气象预报在提升防灾减灾效果方面,需要依靠技术创新并综合社会科学、行为科学以及经济学的理念,而这些部分对气象的介入,使天气预报和气象服务成为跨学科的一项技术,并融入了人文的因素。借助自然科学、人文科学和社会科学(包括经济学、国际政策学等)的研究,未来人类活动及其影响的程度和范围将“可框定和预测”,将会给气候变化和地球环境预测等带来益处。

据有关资料表明,全球每年发生10万个风暴,一万多次洪水,数千次飓风等;如果将全球的力量有效地集中起来,那么全世界对气象灾害活动规律的认识将会深化,对灾害的监测预报能力也会增强。

未来的地球观测系统也将会出现许多技术机会和挑战。

高端技术方面,卫星仪器技术将越来越向高光谱辐射计的光谱通道方面发展。它将携带数以万计的光谱通道来探测大气热力状态和成分,并配以主动仪器(如高分辨率雷达和激光器)用以探测地面特性、气溶胶、风、水汽、云和降水。两类仪器每天产生100G的下行数据,在几小时内完成下行链路、预处理、数据分发,以及向预报系统注入数据。对这些数据的传输和归档需要以和模式输出一样的并行管理方式。只有使用压缩技术才有可能实现数据传输,其中潜在出现“数据损失”。

通用技术方面,使用手机等日常用品来搜集采样好,但是精确度差的气象数据是一种新趋势,这在特定区域进行高密度观测方面很有潜力。

我们相信未来有一天,全球所有的大气及相关的探测数据、数据处理系统和预报模式编码,以及预报产品(包括来自政府、研究机构和私企等相关组织的产品)等实现全球完全共享,这将为智能气象观测时代的来临,以及预报能力的提升做好准备。