|
古人是如何預測天氣的？ 距今3600年前，當中華大地的先人們還在用甲骨文傳遞信息的時候，他們已經開始制作最早的天氣預報。 最早的天氣預報是這樣的： 這段文字預報的是降雨，意思是，壬寅日占卜，癸日下雨，后來的天氣是起了暴風。可以看出來，當時的預報方法靠的是占卜。 在夏商時代，人們已經開始從事農業生產，靠天吃飯的需求，讓天氣預報成為剛需。不過，當時沒有氣象科學，人們光靠抬頭看天和占卜來觀測和預報天氣。當然，預報準確率就不得而知了。 在我國最早的詩歌總集《詩經》中，記錄了古人們的看天經驗。 《詩經》中《邶風·北風》：“北風其涼，雨雪其雱。……北風其喈，雨雪其霏。……”雱，雨雪盛大；喈，風疾。霏，雨雪紛飛。意思是說寒冷北風吹到、風大，帶來的雨雪也大。這不是歷史上對冷空氣的最早描述么？ 經驗是古人進行天氣預報的主要依據。遠在漢代，就已經有利用琴弦感應的濕度原理預測晴雨的事例了。元末明初婁元禮在《田家五行》一書中也說：如果質量很好的干潔弦線忽然自動變松寬了，那是因為琴床潮濕的緣故；出現這種現象，預示著天將陰雨。他還談到，琴瑟的弦線所產生的音調如果調不好，也預兆有陰雨天氣，這也是合乎科學道理的。 時光悠悠過了幾千年，天氣預報并沒有成為一門系統性的實證科學，但是人們對天氣現象的認識在深入。其間，宋朝科學家沈括在《夢溪筆談》中，記錄了公元1076年某一縣城發生龍卷風的情況，是東亞關于龍卷風方面的最早記錄，他闡述了彩虹形成的原因，記載了“球形閃電”。《夢溪筆談》也記錄了沈括成功預報降雨的個例。 明朝鄭和下西洋反映了古人對天氣認識的加深，他在航行中開始主動利用風能。他的航線涉及三大洋，比達伽馬繞過好望角到達印度、麥哲倫完成環球航行要早83年和107年，在當時靠木船、僅憑借自然的風力航行，克服海上種種困難是非常了不起的。據資料記載，鄭和船隊遇逆風側風，只要將帆面傾斜到一定角度，風力吹到帆面上形成垂直于帆面的力，就能推動船舶前進。 時光回溯到三百多年前，我國才出現了連續的氣象記錄和專門從事氣象工作的部門——“欽天監”。 欽天監設立于清康熙十六年，即1677年，類似現在的政府氣象部門。他們統一制作了測雨器，并且令直隸地區（相當于今天的省），逐日記錄晴雨，觀測雨、雪、風、雷等天氣現象。這是中國歷史上第一個地面氣象觀測網。 靠這個觀測網，京都（即北京）積累了從清雍正二年（1724年）至清光緒二十九年（1903年），連續180年的觀測記錄——《晴雨錄》。這成為中國現存檔案中，年代連續最長的雨量觀測資料，可以說是中國氣象走向定量化的一個標志。 依靠連續科學的觀測記錄，天氣預報終于有希望走出蒙昧的舊時代，向現代化邁出了一小步。 當中國人在黑暗中對氣象科學進行了摸索時，西方的氣象科學也在不斷進步。氣象，是典型的西學東漸的一門科學。 現代天氣預報是如何誕生的 如果沒有泰勒斯在2500年前將天文和氣象聯系在一起，沒有亞里士多德2300多年前就撰寫了《氣象通典》一書，沒有全球通航和商務帶動東西方交流，沒有文藝復興及工業革命帶來的包括氣象觀測儀器在內的各種發明，沒有牛頓經典動力學理論，就不可能在20世紀初誕生具有古老根基的現代氣象科學。 公元前340年的《氣象通典》一書是世界上最早的氣象學專著，使關于天氣現象的知識終于成為一門系統的學科。 這本書的作者是鼎鼎有名的科學家——亞里士多德。他試圖以自然哲學觀點解釋各種天氣現象。 公元16~19世紀，多種氣象儀器被發明。伽利略發明溫度計，這位科學偉人在創造了物理學的同時，改良氣象學。達芬奇，這位跨領域的學者和藝術家，涉足了近代濕度計的發明。 尤其是在18世紀，這100年是科學認知飛速發展，很多氣象經典的起源時期。流體力學和微分方程橫空出世，首創的天氣符號為天氣圖的成熟準備，天文學、流體力學等學科進展啟發氣象學，氣象動力學開始出現。 在大氣科學領域的先驅者是法國著名哲學家、數學家勒內·笛卡兒讓其之后的氣象學完全擺脫了《氣象通典》的束縛，使氣象學成為了完全具有科學性質的學科。 在《氣象學》一書中，笛卡兒用新的方法解釋了各種天氣現象。他詳細討論了地面上的物質以及上升的水汽性質、云層以及風的成因，并解釋了云層演化成雨、雹、雪的過程和暴風雨、雷、閃電等的成因以及虹和大氣光現象。 哈雷彗星的發現者英國天文學家哈雷1686年在遠洋航行中，系統研究了信風和季風，首倡信風和季風的環流理論，被后世的氣象學家尊稱為動力氣象學之父。 環流理論的另一位杰出科學家是英國天文學家哈德萊。我們熟知的環流模型，就是以他的名字命名——哈德萊環流。 美國人莫爾斯，發明了“莫爾斯電碼”，莫爾斯電碼很快用到氣象上，1851年，英國的氣象學家格萊舍在倫敦水晶宮舉辦的萬國博覽會上展出第一張利用電報收集各地氣象資料而繪制的地面天氣圖。最初的地面觀測資料都是通過莫爾斯電碼上報、匯總的，當時的觀測員都需要把觀測到的天氣現象編成報文，通過電話發出去。
有了天文、物理、數學等構建的基礎理論和各種氣象儀器、觀測記錄，在17世紀以后，在文藝復興浪潮的推動下，氣象學完全轉入新的階段，以實驗和驗證的方法來研究氣象學，真正的天氣預報誕生了。 最早的現代氣象學預報出現在法國，最早開展的天氣預報是——臺風路徑預報。 1854年11月，英法聯合艦隊在黑海上和俄軍決戰，可是還未開戰，就遭到了一場強風暴的襲擊，一下子沉沒了30多艘艦船。事后，巴黎天文臺臺長勒弗里埃受命調查這次風暴的來龍去脈。他發信給各國氣象臺站，收集到許多氣象情報，繪制了一張天氣圖，發現這種風暴的移動有一定規律。 1855年3月，勒弗里埃提出，如果組織觀測網，迅速將觀測資料集中一地，分析繪制天氣圖，則可推斷出未來風暴的運行路徑。在各方贊助下，法國終于在1856年建立了正規的氣象站網，開始了天氣預報的業務工作，這是世界的首創。 數值天氣預報引領天氣預報現代化 真正引領天氣預報技術走向現代化的是數值天氣預報的誕生。 在20世紀初，Abbe和Bjerknes提出物理定律可以用來預報天氣。他們認為，預測大氣的狀態可以視為數學物理的初始值問題，其中未來天氣通過積分控制偏微分方程來確定：積分從觀測的當前天氣開始。這一命題，即使用牛頓決定論做最樂觀的解釋，也是很大膽的，因為在那個時候，很少有對大氣狀態的日常觀測，沒有計算機，并且對天氣過程是否具有重要意義的可預報性知之甚少。 1940年代中期-1950年，伴隨第一臺電子計算機，數值預報首先在美國實行。1950年代，數值預報業務在歐洲廣泛開展，各國氣象服務隨著數值預報技術的成熟獲得巨大進步。 1950年，查尼等人計算出了歷史上第一張數值預報天氣圖，成為數值預報發展的第二個里程碑。 在英、法、德、美等各國科學家各自提出天氣預報上一些最基礎的理論時，時間到了20世紀初，出現了氣象學上重要的兩個學派：挪威學派和芝加哥學派。 挪威學派的創始人V. Bjerknes和他的學生們在幾乎白手起家的條件下，在短短十幾年時間內，先后發表了包括環流理論、氣旋模式、氣旋生命史、氣旋結構、氣團和三維分析、降水的冰晶學說這一系列重要成果，使6～12小時的天氣預報有了堅實的科學依據，成為世界公認的主流氣象學派。 “芝加哥學派”（Chicago School）在20世紀30年代開始醞釀，40年代形成并達到高峰，50~70年代持續繁榮。 “芝加哥學派”的核心人物C.-G.羅斯貝，在高空天氣圖上發現了長波，創立了長波理論。 “芝加哥學派”的工作，增強了天氣學與熱力學和動力學的聯系，充實了天氣分析和預報的物理基礎，也為研究大尺度大氣運動提供了理論依據，并推進數值天氣預報的發展和應用。 羅斯貝首先提出在天氣圖上紅色標注暖鋒，藍色標注冷鋒沿用至今。
到了20世紀代, 由于數值天氣預報模式的分辨率的提高以及氣象衛星遙感資料的大量應用, 使得數值天氣預報時效達到10 天左右, 并開始試驗月和季的數值氣候預報。因此, 天氣預報從主觀估計變成客觀、定量的數值天氣預報, 可以說, 這是20 世紀大氣科學的一個重要應用研究成就。 西學東漸：我國天氣預報的發展歷程 四百多年前,一群西方傳教士肩負“為上帝開疆拓土”的使命，不遠數萬里來華，在異域文明的知識和話語背景下傳播天主教義。在與地方官僚和士人階層打交道的過程中，他們探索創造出以宣揚西方科學技術知識為手段，為自己獲得身份認同，進而在中土立足、傳教的策略，從而開啟了明末清初西學東漸的歷程。 在清代的欽天監中，出現了洋人。從順治元年至道光六年，一百八十多年間，西洋教士曾長期在欽天監擔任主要職務，西方科學由此傳入我國。 1743年，也就是清乾隆八年，法國傳教士哥比開始在北京建立測候所。到了1830年至1895年，俄國人富士及俄國教會先后在北京建立測候所和地磁氣象臺，系統地開展氣溫、濕度、風向、風速、云量、雨量、蒸發、低溫等項觀測。 他們先后將西方近代氣象儀器帶入中國，客觀上推動了北京地區地面觀測技術的發展。 中國人制作的第一張天氣圖誕生于1915 年。當時的中華民國政府成立了中央觀象臺，蔣丙然任氣象科科長，于1915 年親自繪制了第一張中國人發布的天氣圖。1916 年正式以天氣圖的方法試做預報，每日天氣預報分兩次對外公布。預報內容分風向和天氣兩項。這張圖的到來與西方相比，已經整整晚了一百年。 1945年8月，在條件極其艱苦的戰爭年代，中國共產黨領導下的第一個氣象臺在延安創建。新中國的成立，為氣象事業的發展帶來了契機，也讓中國的天氣預報逐步走上現代化的道路。 1949年10月1日，新中國成立，全國有101個氣象臺。1950年，提出了“建立各級氣象組織，整編和設置臺站，制定基本制度和技術規范，收拾爛攤子，建立新業務”的工作方針。1950年3月1日，中央氣象臺成立。 機構有了，科學和技術人才在哪里？答案是向西方取經。 舉個例子，中國現代氣象事業的奠基人，就有幾位出自芝加哥學派，他們中的許多人都是羅斯貝的學生。所以說，中國的天氣預報，雖然一直未能形成系統的科學，但現代氣象預報業務從它誕生之初就站在了巨人的肩膀上。 葉篤正，1948年獲美國芝加哥大學博士學位，1946-1950年在芝加哥大學從事研究工作，1950年10月回國。 謝義炳，1945~1949年在美國學習。以“北美冷渦的選例分析”論文獲芝加哥大學博士學位。 顧震潮，1947年留學瑞典斯德哥爾摩大學氣象系讀研究生，師從羅斯貝，1950年放棄博士學位回國。 他們把所學的理論引入到中國，帶領中國的科學家，結合中國的實際問題開展工作，對中國現代氣象科學與業務發展做出了開創性的貢獻。 50 年代，我國在大氣環流變化方面作出了許多國際領先的研究。我國學者分析了大量東亞大氣環流演變的事實，提出了東亞大氣環流季節轉換是突變,。這個看法比80年代國際上許多學者提出大氣環流的非線性突變要早20 年之多。我國學者還發展了半地轉適應、球面大氣適應和有源的地轉適應等理論。同時，我國學者較早設計出原始方程模式對大氣環流進行數值模擬,臺風預報水平名列世界前列,我國24小時臺風路徑預報誤差小于70公里。 時至今日，我們擁有了與美國、歐洲類似的現代化的氣象衛星系統；建立了與美國類似的現代天氣雷達網；中國的自動氣象站從數量上看應屬世界第一；中國的業務數值預報系統已運行多年；具有中國特色的決策、公眾氣象服務和防災減災體系在世界范圍有一定的影響；在天氣與氣候、農業氣象、環境氣象、交通氣象、能源氣象等領域也取得很大成績。 現代天氣預報的制作流程 現代天氣預報包括5個環節：氣象觀測、數據收集、綜合分析、預報會商、預報產品發布。 氣象觀測：氣象要素觀測可分為地基觀測、空基觀測和天基觀測三大類。 地基觀測主要：地面氣象站、自動氣象站（無人）、雷達、海洋站、船泊 空基探測主要有：探空氣象、探空火箭、探空氣球 天基探測主要有：靜止衛星、極軌衛星 氣象觀測數據通過氣象專用網絡通道傳輸到中國氣象局。 數據收集：主要分為資料同化和數值預報兩大過程。 氣象資料同化就是將收集的全球數據（國外共享數據，國內的部分數據也向國外共享）統一為數值模式可以識別和使用的數據。 數值預報就是使用大氣運動方程建立的數值模式，按時間順序計算不同高度全球球各處氣象要素的值。數值模式涉及到大量微分方程，計算量巨大，一般使用超級計算機完成。 綜合分析：計算機完成數值預報的結果輸出以后，天氣預報員通過分析天氣圖和國內外數值預報產品，研究各類型天氣圖表，結合氣象衛星、雷達探測資料，進行綜合分析、判斷后，作出未來不同時間段的具體天氣預報。 預報會商：作出天氣預報的最后一個關鍵步驟。由于影響天氣的原因很多，很復雜，預報員需要集思廣益，進行討論，像醫生給病人會診一樣，在天氣會商時，所有預報員充分發表自己的意見，主班預報員對預報意見進行匯總后，經過綜合分析，然后對未來天氣的發展變化作出最終的預報結論。 預報產品發布:天氣預報結論作出后，制作成不同形式的預報產品，通過廣播、電視、報紙、網站和微博、微信、客戶端等新媒體發布。這就是大家收看收聽到的天氣預報了。 未來的天氣預報會如何發展？ 從世界范圍來看，在提升天氣預報能力、時效和精度及公眾服務性上仍大有可為。 科學和技術的挑戰在許多領域是相互依存的。計算和數據處理的效率對于天氣和氣候模式的復雜性有所限制。全球模式在1公里的對流可分辨尺度下運行，這將非常具有挑戰性。 美國目前最明確的下一代模式開發計劃，是要在2018年完成的下一代全球降水系統（NGGPS）模式的研發，定位為“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天的全球最先進預報系統。這將突破現有數值預報系統的有效預報的時效7~10天，在空間上的精度也將大大提高。 預報圖的累積，特別是數值天氣分析可視化圖的長時間累積，也讓氣象學家思考：盡管天氣千變萬化，但是從一個長時間段看，一些重要的天氣過程常常會在不同時間里出現相似的演變過程，這樣的規律性如果能夠提煉出來，可以成為預報員的重要參考工具。英國氣象局開發的“決策者”預報工具，就是瞄準最難的中期到月預報，借助1850-2003年數值天氣分析圖，開發的預報工具。 另一個著名的理念是今年由美國國家強風暴實驗室（NSSL）專家提出的天氣預報“全程呵護”理念。這一理念的主要核心是：氣象預報在提升防災減災效果方面，需要依靠技術創新并綜合社會科學、行為科學以及經濟學的理念，而這些部分對氣象的介入，使天氣預報和氣象服務成為跨學科的一項技術，并融入了人文的因素。借助自然科學、人文科學和社會科學（包括經濟學、國際政策學等）的研究，未來人類活動及其影響的程度和范圍將“可框定和預測”，將會給氣候變化和地球環境預測等帶來益處。 據有關資料表明，全球每年發生 10 萬個風暴，一萬多次洪水，數千次颶風等；如果將全球的力量有效地集中起來，那么全世界對氣象災害活動規律的認識將會深化，對災害的監測預報能力也會增強。 未來的地球觀測系統也將會出現許多技術機會和挑戰。 高端技術方面，衛星儀器技術將越來越向高光譜輻射計的光譜通道方面發展。它將攜帶數以萬計的光譜通道來探測大氣熱力狀態和成分，并配以主動儀器（如高分辨率雷達和激光器）用以探測地面特性、氣溶膠、風、水汽、云和降水。兩類儀器每天產生100G的下行數據，在幾小時內完成下行鏈路、預處理、數據分發，以及向預報系統注入數據。對這些數據的傳輸和歸檔需要以和模式輸出一樣的并行管理方式。只有使用壓縮技術才有可能實現數據傳輸，其中潛在出現“數據損失”。 通用技術方面，使用手機等日常用品來搜集采樣好，但是精確度差的氣象數據是一種新趨勢，這在特定區域進行高密度觀測方面很有潛力。 我們相信未來有一天，全球所有的大氣及相關的探測數據、數據處理系統和預報模式編碼，以及預報產品（包括來自政府、研究機構和私企等相關組織的產品）等實現全球完全共享，這將為智能氣象觀測時代的來臨，以及預報能力的提升做好準備。 看到此的，都是真愛呀！ （來源：中國氣象網）
|
|
|
）
