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科普|天氣預(yù)報(bào):求解風(fēng)云變幻的方程式

【字體:   2023-02-14 17:42:34   來(lái)源: 學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)  

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的“前世今生”

中國(guó)古典名著《三國(guó)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(guò)觀測(cè),結(jié)合史書對(duì)長(zhǎng)江流域天氣變化的記載,預(yù)測(cè)出東風(fēng)的到來(lái)。

雖然歷史上諸葛亮并沒(méi)有參與赤壁之戰(zhàn),也沒(méi)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(gè)故事中,我們可以了解到,古人有通過(guò)生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(bào)開(kāi)始變?yōu)閼?yīng)用科學(xué)。而后,氣象觀測(cè)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(duì)比、分類、聚類和規(guī)律,這使得基于天氣圖的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率逐步提升。

后來(lái),伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,美國(guó)科學(xué)家首次使用計(jì)算機(jī)制作出以大氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。從此,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)逐步成為天氣預(yù)報(bào)的主要方法,并在全球天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和龐大的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和預(yù)報(bào)時(shí)效大幅提升。

什么是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

那么,什么是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它是一種用高性能計(jì)算機(jī)把未來(lái)天氣“算”出來(lái)的科學(xué)。天氣預(yù)報(bào)員們預(yù)報(bào)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(bào)與數(shù)學(xué)密不可分。

因?yàn)榇髿膺\(yùn)動(dòng)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(dòng)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(lái)天氣發(fā)展變化狀況,就是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

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(bào)中,要對(duì)所有這些因素進(jìn)行精確的模擬。

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

天氣預(yù)報(bào)是怎么做出來(lái)的

第一步:進(jìn)行氣象觀測(cè),即利用氣象衛(wèi)星、探空氣球、自動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)方程組中,通過(guò)大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算,得到各種預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

第三步:天氣預(yù)報(bào)員通過(guò)對(duì)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(bào)學(xué)經(jīng)驗(yàn),做出具體的天氣預(yù)報(bào)。

世界第一張?zhí)鞖鈭D的誕生

天氣圖是指填有各地同一時(shí)間氣象要素的特制地圖,是預(yù)報(bào)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(tái)臺(tái)長(zhǎng)勒維烈制作。

當(dāng)時(shí),英法聯(lián)軍與沙皇俄國(guó)激戰(zhàn)正酣(即歷史上的克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)),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(guó)氣象學(xué)家征集風(fēng)暴發(fā)生前后的氣象報(bào)告,把同一時(shí)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(shí)間、不同高度的天氣情況“影像”。天氣預(yù)報(bào)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。(文/王婉 中國(guó)氣象局氣象宣傳與科普中心)

編輯:鄭琳


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