（來源：科普中國）

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近期，多地頻繁出現(xiàn)暴雨、大暴雨、雷電大風(fēng)等天氣，極端氣候的頻發(fā)也引發(fā)了公眾的廣泛關(guān)注與好奇：數(shù)天后的天氣情況是怎么預(yù)測出來的？為什么感覺天氣預(yù)報(bào)有時(shí)候準(zhǔn)，有時(shí)候又不準(zhǔn)？我國的天氣預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)水平到底怎么樣啊？

圍繞這些話題，今天我們邀請北京市氣象局高級工程師拉薩進(jìn)行解讀。

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大家每天看的天氣預(yù)報(bào)，

是怎么算出來的？

現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)不再是“看云識(shí)天氣”，而是一場“數(shù)值預(yù)報(bào)模式 + AI 氣象大模型 + 預(yù)報(bào)員綜合研判”的協(xié)同作戰(zhàn)。

在短期和中初期時(shí)效內(nèi)（1-14 天），預(yù)報(bào)員經(jīng)常綜合對比各個(gè)數(shù)值模式的預(yù)報(bào)，給出最終的天氣預(yù)報(bào)結(jié)論。對于短臨預(yù)報(bào)（0–3小時(shí)），則更多依賴?yán)走_(dá)、衛(wèi)星、高密度自動(dòng)站、風(fēng)廓線等分鐘級乃至秒級更新的多源觀測資料，尤其在夏季強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)中作用更為關(guān)鍵。

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數(shù)值模式（NWP）

數(shù)值模式（NWP）是目前短中期預(yù)報(bào)的絕對主力。它的計(jì)算邏輯是把地球大氣切成密集的三維網(wǎng)格點(diǎn)，然后求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的物理方程組（流體力學(xué)+熱力學(xué)），計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的溫度、氣壓、風(fēng)速在未來幾分鐘、幾小時(shí)如何變化，一步步算出未來 10 天的天氣。

現(xiàn)在有 10km 左右的全球數(shù)值模式，也有精細(xì)到 1km 的區(qū)域數(shù)值模式，北京市氣象局最新研發(fā)了“分鐘級，百米級”的高分辨快速更新的數(shù)值模式系統(tǒng)。

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AI 氣象大模型

AI 模型不求解復(fù)雜的物理方程，而是“吃”進(jìn)去海量的歷史氣象數(shù)據(jù)（比如過去 40 年的全球數(shù)據(jù)），學(xué)習(xí)“昨天這樣的天氣，明天通常會(huì)變成什么樣”的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

一旦訓(xùn)練完成，它預(yù)測速度極快（幾分鐘出 10 天預(yù)報(bào)），且在某些指標(biāo)上已媲美傳統(tǒng)模式。但是 AI 模型缺乏物理解釋，且預(yù)報(bào)中存在“平滑效應(yīng)”，可能會(huì)有極值削弱現(xiàn)象。

目前我國已逐步構(gòu)建起基于國產(chǎn)人工智能大模型家族，“風(fēng)雷”（人工智能臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)）、“風(fēng)清”（人工智能全球中短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)）、“風(fēng)順”（人工智能全球次季節(jié)—季節(jié)預(yù)測系統(tǒng)）、“風(fēng)宇”（空間天氣鏈?zhǔn)饺斯ぶ悄茴A(yù)報(bào)模型）等系列氣象預(yù)報(bào)模型相繼問世，部分核心指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

其中，“風(fēng)清”模型原創(chuàng)設(shè)計(jì)了神經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其性能已躋身國際第一梯隊(duì)；“風(fēng)雷”作為國內(nèi)首個(gè)具有大氣物理方程約束的短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn) 3 小時(shí)預(yù)警提前量，雷達(dá)強(qiáng)回波預(yù)報(bào)技巧提升 25%，在多次強(qiáng)對流天氣過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

總的來說，依托“數(shù)值預(yù)報(bào)模式 + AI氣象大模型 + 預(yù)報(bào)員綜合研判”的協(xié)同機(jī)制，當(dāng)前 24 小時(shí)城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá) 85% 左右，氣溫誤差控制在 1-2℃ 以內(nèi)，為公眾出行提供了可靠保障。

為什么會(huì)覺得天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)？

極端天氣預(yù)警預(yù)報(bào)難在哪？

有人可能會(huì)疑惑，既然 24 小時(shí)城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá) 85% ，那為什么一遇到極端暴雨、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、突發(fā)龍卷風(fēng)等災(zāi)害性的極端天氣時(shí)，總感覺預(yù)警似乎是“慢半拍”，甚至“報(bào)不準(zhǔn)”呢？

事實(shí)上，這并非人力可為或不可為的問題，而是極端天氣的發(fā)生機(jī)理、路徑等比常規(guī)天氣要復(fù)雜太多，模擬和觀測更是困難重重。接下來，我們可以從觀測、模式與機(jī)理三個(gè)層面來逐一分析。

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觀測的“盲區(qū)”與“局限性”

許多極端天氣（如龍卷風(fēng)、突發(fā)性強(qiáng)對流）具有空間尺度小（僅數(shù)公里）、生命史短（從生成到消散不足一小時(shí)）的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的全球觀測網(wǎng)絡(luò)在時(shí)空分辨率上存在局限，特別是高空觀測（探空氣球，一天 2 次，站點(diǎn)較為稀疏）難以實(shí)現(xiàn)全天候、無死角覆蓋。尤其在高原、山區(qū)，觀測站點(diǎn)稀疏，致使系統(tǒng)初生階段的捕捉與監(jiān)測存在“盲區(qū)”。

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預(yù)報(bào)模式的“分辨率”與“物理過程”瓶頸

盡管數(shù)值預(yù)報(bào)模式不斷進(jìn)步，但全球模式的網(wǎng)格距通常仍在十公里量級，無法精確解析局地地形（如山谷、城市建筑群）的細(xì)微影響。區(qū)域高分辨率模式（1-3 公里）可部分改善這一問題，但對云微物理、對流觸發(fā)等關(guān)鍵過程的描述仍不夠精確。

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極端天氣機(jī)理復(fù)雜，難以模擬

極端降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，其發(fā)生發(fā)展涉及多尺度環(huán)流配合及復(fù)雜的地形-下墊面相互作用，機(jī)理極為復(fù)雜，模式對其的準(zhǔn)確模擬和預(yù)報(bào)仍是世界性難題。

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躋身國際先進(jìn)！

我國極端天氣預(yù)警還有哪些難關(guān)要過？

“十五五”規(guī)劃綱要將提升極端天氣應(yīng)對能力、加強(qiáng)氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警列為重點(diǎn)任務(wù)，既是對已有成績的肯定，也提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的期待。

當(dāng)前，我國極端天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)已整體達(dá)到“國際先進(jìn)、部分領(lǐng)跑、核心技術(shù)自主可控”的水平，特別是在強(qiáng)對流短臨預(yù)警、臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)和自主數(shù)值模式研發(fā)等關(guān)鍵領(lǐng)域，具備與國際頂尖機(jī)構(gòu)（如ECMWF、NOAA）同臺(tái)競爭的實(shí)力。

在短臨預(yù)報(bào)（0-3 小時(shí)）領(lǐng)域，我國已實(shí)現(xiàn)“分鐘級監(jiān)測、百米級模擬、AI 智能外推”。以 AI 短臨模型“風(fēng)雷”為代表，它利用深度學(xué)習(xí)直接分析雷達(dá)回波序列，3 分鐘內(nèi)能生成未來 3 小時(shí)、逐 6 分鐘的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

相比傳統(tǒng)外推，它對強(qiáng)回波的預(yù)報(bào)技巧提升了約 25%，且能有效捕捉雷暴的新生和消散過程，將有效預(yù)警提前量拉長到了 1-3 小時(shí)。

與此同時(shí)，北京“睿圖-睿思”系統(tǒng)作為短臨預(yù)報(bào)領(lǐng)域的代表，實(shí)現(xiàn)了百米級、分鐘級的精細(xì)化預(yù)報(bào)，可逐 10 分鐘更新 0-6 小時(shí)的短臨降水預(yù)報(bào)，顯著提升了暴雨、強(qiáng)對流等極端天氣的預(yù)警精準(zhǔn)度。

這些模式的協(xié)同發(fā)力，使我國具備了從 2-3 周延伸期預(yù)報(bào)到年尺度氣候預(yù)測的能力——可提前 2-3 周預(yù)測全國性重大天氣過程，提前 6 個(gè)月預(yù)測全球氣候異常事件，并提前一年發(fā)布?xì)夂蚰昃邦A(yù)測產(chǎn)品。下面以幾個(gè)常見的極端氣候?yàn)槔覀儊砜纯淳唧w成效：

暴雨、高溫、寒潮預(yù)報(bào)：智能網(wǎng)格天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)空間分辨率能精細(xì)至全國 5 公里、重點(diǎn)區(qū)域 1 公里，時(shí)間分辨率 1 小時(shí)，實(shí)現(xiàn)提前 3 至 7 天預(yù)報(bào)區(qū)域性暴雨、高溫、寒潮過程。

強(qiáng)對流預(yù)警：強(qiáng)對流天氣也就是我們常說的雷暴、冰雹、短時(shí)大風(fēng)等突發(fā)天氣，現(xiàn)在這類天氣的預(yù)警能提前 48 分鐘發(fā)出，較“十三五”末的 38 分鐘提升 10 分鐘，為群眾避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移贏得寶貴時(shí)間。

臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)：臺(tái)風(fēng) 24 小時(shí)路徑預(yù)報(bào)誤差最少至 58 公里左右，穩(wěn)居全球前列，為沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)防御精準(zhǔn)部署提供了核心支撐。

可以說，現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)不僅能告訴你“要下多大的雨”，更能提前告訴你“危險(xiǎn)什么時(shí)候來”，讓我們有充足的時(shí)間去應(yīng)對。

然而，成績之下也面臨著諸多挑戰(zhàn)和需要度過的難關(guān)。

第一是，基于影響的復(fù)合型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)尚處起步階段，臺(tái)風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等多災(zāi)種疊加的綜合性預(yù)警能力不足，氣象、水利、應(yīng)急、交通等部門之間的數(shù)據(jù)壁壘亟待打通，跨領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)機(jī)制亟需完善。

第二是，氣象服務(wù)融入韌性城市建設(shè)的深度仍有較大空間，社會(huì)公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)和主動(dòng)避險(xiǎn)能力尚需進(jìn)一步強(qiáng)化。

第三是，監(jiān)測預(yù)警服務(wù)全業(yè)務(wù)鏈條的智能化水平還有待進(jìn)一步提高，就是預(yù)警發(fā)布后，如何快速、精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為水庫調(diào)度、交通管制、停工停課等具體指令，這條“最后一公里”的傳導(dǎo)鏈條仍不夠順暢。突破這些難關(guān)，既需要持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)，也呼喚制度創(chuàng)新和多部門協(xié)同的深度發(fā)力。

三個(gè)維度協(xié)同發(fā)力，

提升極端天氣預(yù)報(bào)預(yù)警能力

如果把極端天氣預(yù)警比作一場與“老天爺”的時(shí)間賽跑，那么觀測設(shè)備是“眼睛”，數(shù)值模式是“大腦”，而風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品則是傳遞到手腳的“指令”。

當(dāng)前，我們的“眼睛”還有盲區(qū)，“大腦”的運(yùn)算精度仍需提升，“指令”傳達(dá)到具體行動(dòng)的路徑也還不夠順暢。要破解這些難題，進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，筆者認(rèn)為應(yīng)該從夯實(shí)觀測基礎(chǔ)、突破技術(shù)瓶頸和深化風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知三個(gè)維度協(xié)同發(fā)力，讓整個(gè)鏈條環(huán)環(huán)緊扣。

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補(bǔ)齊觀測短板

在觀測薄弱區(qū)域補(bǔ)充地面與垂直觀測設(shè)備建設(shè)，加密布設(shè)相控陣?yán)走_(dá)、毫米波雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)，形成對強(qiáng)對流三維結(jié)構(gòu)的分鐘級捕捉能力，同步推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)氣象站建設(shè)，加強(qiáng)新型多源稠密觀測產(chǎn)品的應(yīng)用。

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加強(qiáng)核心技術(shù)的關(guān)鍵攻關(guān)

迭代升級北京地區(qū)災(zāi)害性天氣的多時(shí)間尺度數(shù)值預(yù)報(bào)核心技術(shù)和氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)。深化云微物理、對流觸發(fā)機(jī)制、地形效應(yīng)等基礎(chǔ)研究，改進(jìn)模式參數(shù)化方案。加強(qiáng)人工影響天氣的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)研發(fā)，探索“防雹增雨”等減災(zāi)實(shí)踐。

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從“預(yù)報(bào)天氣”到“預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)”

研發(fā)基于影響的預(yù)報(bào)，不僅要報(bào)“雨量 300 毫米”，還要直接輸出“哪些小區(qū)會(huì)積水、水庫需不需要泄洪”的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品。