雖然技術(shù)在不斷進(jìn)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(jià)格會(huì)和橫跨半個(gè)地球的巴西下不下雨息息相關(guān)？大宗農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格分析離不開對(duì)氣象的研究，如何看懂各種紛繁復(fù)雜的天氣預(yù)測(cè)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(jì)算機(jī)運(yùn)行的有關(guān)天氣預(yù)測(cè)的模型。天氣模型與其他模型一致，主要由三個(gè)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(zhǔn)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(gè)分子結(jié)構(gòu)、速度和方向。然而現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)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(jì)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(jì)算得到天氣模型的輸出結(jié)果，通過對(duì)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(bào)結(jié)果。

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

第一個(gè)原因是初始條件。由于不可能得到地球大氣中每個(gè)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(cè)點(diǎn)的測(cè)量頻率也不相同，如衛(wèi)星可以30秒測(cè)量一次，傳統(tǒng)的地面觀測(cè)通常1小時(shí)一次，而傳統(tǒng)的高空觀測(cè)每天只進(jìn)行兩次。全世界不同地區(qū)觀測(cè)點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)。觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量、頻率不一致、人們的觀測(cè)差距以及我們用來填補(bǔ)這些差距的近似值帶來的固有誤差是預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的重要原因之一。

另外一個(gè)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?yàn)檫€需要完全準(zhǔn)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(dá)，只能尋找用目前最好的相似可行計(jì)算方法，繼續(xù)進(jìn)行模型計(jì)算，從而得出預(yù)測(cè)。

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(bào)的準(zhǔn)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(diǎn)。一個(gè)假設(shè)“完美”的模型不僅需要在地球表面的每個(gè)點(diǎn)上運(yùn)行這些計(jì)算，它還需要運(yùn)行計(jì)算表面以上大氣中的每個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)需要花費(fèi)太長時(shí)間才能得到輸出結(jié)果，無法及時(shí)完成預(yù)測(cè)，所以計(jì)算所有點(diǎn)對(duì)模型來說并不有效。為解決這個(gè)問題，模型只求解大氣中某些點(diǎn)的控制方程，忽略點(diǎn)之間的空間，這使得預(yù)測(cè)能在實(shí)際發(fā)生之前完成。然而，在這個(gè)過程中需權(quán)衡重要性。較少的點(diǎn)可以較快完成預(yù)測(cè)，但準(zhǔn)確度低，較多的點(diǎn)預(yù)測(cè)更準(zhǔn)，但需要花費(fèi)較長時(shí)間。

全球模型使用的點(diǎn)在水平方向上相隔大約10公里或6.2英里，各層點(diǎn)之間的垂直距離各不相同，網(wǎng)格間距（點(diǎn)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(yùn)行，適用于較小地理區(qū)域，比如可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)某地區(qū)雷暴天氣。區(qū)域模型僅預(yù)測(cè)未來1-3天，可以忽略大部分地球大氣層，而傾向于對(duì)更小區(qū)域進(jìn)行更詳細(xì)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(cè)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(cè)，例如某城鎮(zhèn)高溫天氣或單個(gè)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(bào)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(cè)單個(gè)雷暴單元可能會(huì)偏差太大，而區(qū)域模型無法預(yù)測(cè)五天后是否會(huì)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(gè)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(cè)，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(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)下運(yùn)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(fèi)獲得其輸出預(yù)測(cè)。如果想要原始輸出數(shù)據(jù)，可以從NOAA的網(wǎng)站免費(fèi)下載。

ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心是由一個(gè)獨(dú)立的政府間實(shí)體管理，并得到 34 個(gè)歐洲國家的支持。前身為歐洲的一個(gè)科學(xué)與技術(shù)合作項(xiàng)目。ECMWF組織的建立方式意味著他們可以并且確實(shí)對(duì)他們的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)收費(fèi)，如果想獲取ECMWF原始預(yù)測(cè)輸出，必須付費(fèi)。

以下圖片中左邊為ECMWF對(duì)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?yàn)镚FS以低于ECMWF模型的分辨率運(yùn)行，這意味著它的網(wǎng)格點(diǎn)位于更遠(yuǎn)的位置（在GFS模型中每13公里放置一個(gè)，而在ECMWF模型中每9公里放置一個(gè)）。較低的分辨率通常意味著預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度較低，因?yàn)槟Ｐ筒恢栏嗟拇髿夂偷匦翁卣鳌?/p>

一般來說哪個(gè)模型更準(zhǔn)確呢？

從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，ECMWF 始終比 GFS 表現(xiàn)更好，以下為2個(gè)模型得分圖。但在許多情況下，GFS對(duì)于特定風(fēng)暴預(yù)測(cè)好于ECMWF，比如GFS早于ECMWF預(yù)測(cè)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(cè)降雪量將超過2英尺，GFS預(yù)測(cè)不到1英尺，最終紐約中央公園降雪9.8英寸，GFS預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)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(bào)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(duì)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(hù)和管理其沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)等。

兩個(gè)機(jī)構(gòu)的兩種天氣模型都為社會(huì)提供了價(jià)值，承認(rèn)這一點(diǎn)非常重要。

四、為什么我們同時(shí)需要GFS和EC模型？

ECMWF預(yù)測(cè)結(jié)果往往比GFS相對(duì)準(zhǔn)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(cè)颶風(fēng)多利安和15年1月紐約大雪比ECMWF更為準(zhǔn)確。在許多情況下，GFS對(duì)特定風(fēng)暴系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果證明優(yōu)于ECMWF的預(yù)測(cè)。雖然GFS的預(yù)測(cè)結(jié)果整體不如ECMWF準(zhǔn)確，但它仍為預(yù)測(cè)過程增加價(jià)值。強(qiáng)風(fēng)暴（無論颶風(fēng)還是溫帶氣旋）的預(yù)測(cè)對(duì)不同干擾處理方式的微小變化極為敏感，兩種模型同時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生不同結(jié)果，對(duì)任何干擾可能對(duì)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(gè)例子。左圖是GFS在美國東海岸潛在風(fēng)暴前約12小時(shí)對(duì)50mb旋渦預(yù)測(cè)，右圖為ECMWF，中間為同一時(shí)間的WV衛(wèi)星圖像。用兩種模型與現(xiàn)實(shí)衛(wèi)星圖進(jìn)行比較，可以分清當(dāng)前哪個(gè)模型能更好處理正在發(fā)生的情況。無論哪種模型對(duì)現(xiàn)在發(fā)生的事情有更好的處理，通常都會(huì)在預(yù)測(cè)方面做得更好。通過兩種模型與WV圖對(duì)比，這次ECMWF在處理五大湖和美國東南部相關(guān)擾動(dòng)優(yōu)于GFS，增加了其對(duì)大風(fēng)暴預(yù)測(cè)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(cè)量到兩英尺多的降水。

除了實(shí)際的預(yù)測(cè)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(jià)值。任何人都可以利用GFS生成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行自己的預(yù)測(cè)，或支持自己的區(qū)域模型。比如在運(yùn)行佛羅里達(dá)州的區(qū)域模型來預(yù)測(cè)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(huì)影響該州的預(yù)測(cè)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(tuán)體或其他組織嘗試測(cè)試的實(shí)驗(yàn)性區(qū)域模型都是在GFS提供的邊界條件下運(yùn)行的。

兩個(gè)模型都很重要，不僅因?yàn)樗鼈兲峁┝祟A(yù)測(cè)，還因?yàn)樗鼈冇兄诒┞侗舜说娜觞c(diǎn)，使預(yù)測(cè)者能夠做出更明智和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

五、天氣模型的局限性？

天氣模型預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤之所以出現(xiàn)，是因?yàn)槲覀儾恢来髿庵械拿總€(gè)空氣分子在做什么。即使我們知道了，我們對(duì)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(shí)了解，我們也沒有足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來計(jì)算所有這些分子在一段時(shí)間后可能達(dá)到的程度。考慮到天氣預(yù)報(bào)任務(wù)的復(fù)雜性，即使天氣模型非常好，但它們永遠(yuǎn)不會(huì)完美。

民眾大多時(shí)候感覺不到天氣模型預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤結(jié)果，比如明天出門是否需要多穿衣物，出門游泳會(huì)不會(huì)過熱等，這是天氣模型擅長的事情，因?yàn)轭A(yù)報(bào)37度而實(shí)際只有35度人們并不會(huì)注意到明顯變化。

下圖為兩個(gè)模型對(duì)颶風(fēng)的預(yù)測(cè)，左圖為ECMWF，右圖為GFS。颶風(fēng)路徑預(yù)測(cè)中的微小差異（<100英里）對(duì)路徑上的人來說非常重要，因?yàn)槿绻陲Z風(fēng)路徑上的人會(huì)做相當(dāng)充分的準(zhǔn)備，而如果預(yù)計(jì)離路徑超100英里的人準(zhǔn)備可能會(huì)相對(duì)較少。當(dāng)預(yù)測(cè)大型風(fēng)暴、雷暴、龍卷風(fēng)等重要災(zāi)害時(shí)，小的預(yù)測(cè)錯(cuò)誤也會(huì)相當(dāng)明顯。模型錯(cuò)誤總是在發(fā)生，當(dāng)這些錯(cuò)誤變得嚴(yán)重時(shí)，重要的是求助于具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)的人類預(yù)報(bào)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(qǐng)確保求助于具有專業(yè)知識(shí)的合格氣象學(xué)家，以產(chǎn)生最準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

參考文獻(xiàn)：

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