雖然技術(shù)在不斷進步，但幾千年以來農(nóng)業(yè)看天吃飯的格局依然沒有發(fā)生太多變化，誰能想到大明王朝的覆滅背后竟是小冰河期帶來的糧食減產(chǎn)？而你家炒菜的油、餐桌上的肉，價格會和橫跨半個地球的巴西下不下雨息息相關(guān)？大宗農(nóng)產(chǎn)品的價格分析離不開對氣象的研究，如何看懂各種紛繁復(fù)雜的天氣預(yù)測模型則是第一步。

一、天氣模型究竟是什么？

簡單來說，天氣模型是通過計算機運行的有關(guān)天氣預(yù)測的模型。天氣模型與其他模型一致，主要由三個部分組成：①初始條件。初始條件即原始數(shù)據(jù)，需要一組準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完美天氣模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是了解地球大氣中每個分子結(jié)構(gòu)、速度和方向。然而現(xiàn)實中無法實現(xiàn)對每個分子的了解。②控制方程?？刂品匠套钊菀椎睦斫夥绞筋愃浦袑W(xué)的數(shù)學(xué)函數(shù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)函數(shù)計算過程，可以得到輸出結(jié)果。③輸出結(jié)果。經(jīng)過系統(tǒng)計算得到天氣模型的輸出結(jié)果，通過對輸出結(jié)果的加工得到我們?nèi)粘？吹降慕涤?、溫度等天氣預(yù)報結(jié)果。

比較完美的天氣模型結(jié)果需要準確的初始條件和控制方程。天氣模型輸出結(jié)果不準確通常由這2個原因造成。

第一個原因是初始條件。由于不可能得到地球大氣中每個分子的結(jié)構(gòu)、速度和方向等數(shù)據(jù)，只能多搜集更多分子信息。而且不同觀測點的測量頻率也不相同，如衛(wèi)星可以30秒測量一次，傳統(tǒng)的地面觀測通常1小時一次，而傳統(tǒng)的高空觀測每天只進行兩次。全世界不同地區(qū)觀測點分布也不一致，如撒哈拉沙漠和西伯利亞等地幾乎完全缺乏觀測數(shù)據(jù)。觀測點數(shù)量、頻率不一致、人們的觀測差距以及我們用來填補這些差距的近似值帶來的固有誤差是預(yù)測不準確的重要原因之一。

另外一個原因是控制方程。即使初始條件接近完美，得出的結(jié)論也不一定完美，因為還需要完全準確的控制方程。但是有些情況下，我們知道分子如何相互作用，卻無法在數(shù)學(xué)上完美表達，只能尋找用目前最好的相似可行計算方法，繼續(xù)進行模型計算，從而得出預(yù)測。

在過去的幾十年中，天氣模型的數(shù)據(jù)同化和控制方程步驟中使用的近似值所引入的誤差已顯著縮小，從而提高了預(yù)報的準確性。

二、區(qū)域和全球天氣模型區(qū)別？

天氣模型分為全球模型和區(qū)域模型，兩種模型各有優(yōu)缺點。一個假設(shè)“完美”的模型不僅需要在地球表面的每個點上運行這些計算，它還需要運行計算表面以上大氣中的每個點。這些點需要花費太長時間才能得到輸出結(jié)果，無法及時完成預(yù)測，所以計算所有點對模型來說并不有效。為解決這個問題，模型只求解大氣中某些點的控制方程，忽略點之間的空間，這使得預(yù)測能在實際發(fā)生之前完成。然而，在這個過程中需權(quán)衡重要性。較少的點可以較快完成預(yù)測，但準確度低，較多的點預(yù)測更準，但需要花費較長時間。

全球模型使用的點在水平方向上相隔大約10公里或6.2英里，各層點之間的垂直距離各不相同，網(wǎng)格間距（點之間的距離）非常適合確定颶風(fēng)、東北風(fēng)和暖/冷鋒等特征的去向。區(qū)域模型以高分辨率運行，適用于較小地理區(qū)域，比如可以較準確預(yù)測某地區(qū)雷暴天氣。區(qū)域模型僅預(yù)測未來1-3天，可以忽略大部分地球大氣層，而傾向于對更小區(qū)域進行更詳細的分析。以下左圖為全球模型，右圖為區(qū)域模型。

全球模型雖然缺乏特異性，但最適合預(yù)測大尺度特征，例如中緯度風(fēng)暴系統(tǒng)和主要熱浪/寒流。區(qū)域模型最適合用于局部預(yù)測，例如某城鎮(zhèn)高溫天氣或單個風(fēng)暴單元的大致位置。區(qū)域模型分辨率要比全球模型高得多。

盡管區(qū)域模型和全球模型模型各自存在利弊，但都是寶貴的天氣預(yù)報工具。與所有天氣模型一樣，它們只是具有特定用途的工具。若嘗試使用全球模型輸出預(yù)測單個雷暴單元可能會偏差太大，而區(qū)域模型無法預(yù)測五天后是否會出現(xiàn)明顯寒流。

三、EC和GFS是什么，為什么他們有差異？

當(dāng)前兩個最著名的天氣模型，GFS和ECMWF都是全球模型，它們都服務(wù)于相同的目的，提前3-10天提供大規(guī)模天氣預(yù)測，但它們有何不同以及為何不同呢？

GFS是美國政府在美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 及其附屬機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)下運行的全球模型。由美國納稅人資助，這意味著任何需要的人都可以免費獲得其輸出預(yù)測。如果想要原始輸出數(shù)據(jù)，可以從NOAA的網(wǎng)站免費下載。

ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）歐洲中期天氣預(yù)報中心是由一個獨立的政府間實體管理，并得到 34 個歐洲國家的支持。前身為歐洲的一個科學(xué)與技術(shù)合作項目。ECMWF組織的建立方式意味著他們可以并且確實對他們的預(yù)測數(shù)據(jù)收費，如果想獲取ECMWF原始預(yù)測輸出，必須付費。

以下圖片中左邊為ECMWF對天氣模型的輸出結(jié)果，右邊為GFS。從中可以看出GFS比ECMWF降水字段像素化程度更高。這是因為GFS以低于ECMWF模型的分辨率運行，這意味著它的網(wǎng)格點位于更遠的位置（在GFS模型中每13公里放置一個，而在ECMWF模型中每9公里放置一個）。較低的分辨率通常意味著預(yù)測的準確度較低，因為模型不知道更多的大氣和地形特征。

一般來說哪個模型更準確呢？

從統(tǒng)計學(xué)上講，ECMWF 始終比 GFS 表現(xiàn)更好，以下為2個模型得分圖。但在許多情況下，GFS對于特定風(fēng)暴預(yù)測好于ECMWF，比如GFS早于ECMWF預(yù)測熱帶風(fēng)暴多利安的形成。2015年1月27日紐約暴風(fēng)雪，ECMWF預(yù)測降雪量將超過2英尺，GFS預(yù)測不到1英尺，最終紐約中央公園降雪9.8英寸，GFS預(yù)測更為準確。

為什么GFS表現(xiàn)要比ECMWF稍不足呢？主要是由于是ECMWF該組織的職責(zé)范圍比NOAA的范圍要窄得多，天氣預(yù)報是NOAA使命中關(guān)鍵的一部分，但它只是其總體職責(zé)中相對較小的一部分，其中包括更廣泛的環(huán)境問題，如氣候、海洋和海岸的變化、保護和管理其沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)等。

兩個機構(gòu)的兩種天氣模型都為社會提供了價值，承認這一點非常重要。

四、為什么我們同時需要GFS和EC模型？

ECMWF預(yù)測結(jié)果往往比GFS相對準確，為什么我們還需要GFS呢？

在上述內(nèi)容中舉例了GFS在預(yù)測颶風(fēng)多利安和15年1月紐約大雪比ECMWF更為準確。在許多情況下，GFS對特定風(fēng)暴系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果證明優(yōu)于ECMWF的預(yù)測。雖然GFS的預(yù)測結(jié)果整體不如ECMWF準確，但它仍為預(yù)測過程增加價值。強風(fēng)暴（無論颶風(fēng)還是溫帶氣旋）的預(yù)測對不同干擾處理方式的微小變化極為敏感，兩種模型同時運行產(chǎn)生不同結(jié)果，對任何干擾可能對風(fēng)暴產(chǎn)生的最終影響非常重要。

以下為2018年3月的一個例子。左圖是GFS在美國東海岸潛在風(fēng)暴前約12小時對50mb旋渦預(yù)測，右圖為ECMWF，中間為同一時間的WV衛(wèi)星圖像。用兩種模型與現(xiàn)實衛(wèi)星圖進行比較，可以分清當(dāng)前哪個模型能更好處理正在發(fā)生的情況。無論哪種模型對現(xiàn)在發(fā)生的事情有更好的處理，通常都會在預(yù)測方面做得更好。通過兩種模型與WV圖對比，這次ECMWF在處理五大湖和美國東南部相關(guān)擾動優(yōu)于GFS，增加了其對大風(fēng)暴預(yù)測的信心，最終風(fēng)暴成為美國東北部地區(qū)的重磅炸彈，緬因州的山區(qū)測量到兩英尺多的降水。

除了實際的預(yù)測應(yīng)用外，GFS還因其開放訪問和支持許多其他專業(yè)模型而具有價值。任何人都可以利用GFS生成的數(shù)據(jù)流進行自己的預(yù)測，或支持自己的區(qū)域模型。比如在運行佛羅里達州的區(qū)域模型來預(yù)測雷暴，那么需要一些信息來告訴模型如果在大西洋數(shù)百英里外形成的颶風(fēng)會影響該州的預(yù)測結(jié)果。

由于獲取ECMWF數(shù)據(jù)的成本如此之高，大多數(shù)區(qū)域模型和幾乎所有大學(xué)團體或其他組織嘗試測試的實驗性區(qū)域模型都是在GFS提供的邊界條件下運行的。

兩個模型都很重要，不僅因為它們提供了預(yù)測，還因為它們有助于暴露彼此的弱點，使預(yù)測者能夠做出更明智和準確的預(yù)測。

五、天氣模型的局限性？

天氣模型預(yù)測的錯誤之所以出現(xiàn)，是因為我們不知道大氣中的每個空氣分子在做什么。即使我們知道了，我們對這些分子如何在不同尺度上相互作用也并不完全了解。即使我們確實了解，我們也沒有足夠強大的計算機來計算所有這些分子在一段時間后可能達到的程度?？紤]到天氣預(yù)報任務(wù)的復(fù)雜性，即使天氣模型非常好，但它們永遠不會完美。

民眾大多時候感覺不到天氣模型預(yù)測的錯誤結(jié)果，比如明天出門是否需要多穿衣物，出門游泳會不會過熱等，這是天氣模型擅長的事情，因為預(yù)報37度而實際只有35度人們并不會注意到明顯變化。

下圖為兩個模型對颶風(fēng)的預(yù)測，左圖為ECMWF，右圖為GFS。颶風(fēng)路徑預(yù)測中的微小差異（<100英里）對路徑上的人來說非常重要，因為如果在颶風(fēng)路徑上的人會做相當(dāng)充分的準備，而如果預(yù)計離路徑超100英里的人準備可能會相對較少。當(dāng)預(yù)測大型風(fēng)暴、雷暴、龍卷風(fēng)等重要災(zāi)害時，小的預(yù)測錯誤也會相當(dāng)明顯。模型錯誤總是在發(fā)生，當(dāng)這些錯誤變得嚴重時，重要的是求助于具有相關(guān)專業(yè)知識的人類預(yù)報員以解決問題。

如果需要根據(jù)天氣信息做出影響重大的決策，請確保求助于具有專業(yè)知識的合格氣象學(xué)家，以產(chǎn)生最準確的預(yù)報。

參考文獻：

Model Mania: What Are Weather Models?

Model Mania: What’s The Difference Between Global and Regional Weather Models?

Model Mania: What Are The ECMWF and GFS Models, and Why Are They Different?

Model Mania: Why Do We Need Both The GFS and ECMWF Models?

Model Mania: The Limitations of Weather Models