天气预报的现状及发展 [复制链接]

第5版()
专栏：

天气预报的现状及发展
张家诚
天气预报开始形成一门独立的科学和为人类的各种活动服务约在十九世纪中叶。在天气预报的发展史上有过这样一件事实：1854年11月14日，在黑海上突然出现的风暴，使停泊在巴拉克拉瓦港口的英法舰队遭受严重破坏。为了查清这次巨大损失的原因，巴黎天文台长列维叶受命对这次风暴进行调查。列维叶搜集了欧洲各地的气象情报，发现在一天以前这个风暴曾出现在地中海上。因此，他认为只要建立一定数量的气象台站，用电报迅速传递情报，风暴是可以预报的。列维叶的意见得到了法国政府的支持。不久之后，第一张用电报传递情报的天气图①在法国诞生了，天气预报工作也就这样地开始了。
对于天气预报的诞生说来，黑海风暴是一个偶然的事件，值得注意的是它出现的时代。从文艺复兴时代起，物理学、仪器制造学等科学技术有了巨大发展。各种重要的气象仪器——温度表和气压表等在十七世纪前后就已先后出现。经过了几乎两百年对大气进行观测，许多重要的科学原理，如太阳辐射、温度、气压和地球自转等对气流和天气产生的影响等等，都已逐渐被发现了。更有重大意义的是，当时的科学界（如俄国的罗蒙诺索夫等），已经感到在世界各地按统一的时间进行气象观测的必要。1820年左右德国布朗德斯将欧洲一些气象台同时观测的气象记录填在地图上，这就是天气预报最重要的工具——天气图最早的出现。在天气图上，人们发现了对形成天气有巨大影响的大气风暴和其他许多现象。这一切表明气象科学在十九世纪中叶已有一定基础。此外，这时有线电报已普遍使用，又给气象情报的迅速传递创造了必要的条件。当然，主要的推动力还是资本主义经济的发展对天气预报提出了迫切要求。于是，偶然出现的黑海风暴就将经过长时期酝酿的天气预报问题正式提上了日程。
从这时候起，气象台站网逐渐扩大到全世界的各个角落，天气图的技术和预报方法在不断改进提高。特别是在二十世纪初期，挪威学者皮叶克尼斯提出了气旋②生成的锋面③波动学说，第一次给天气预报提供了一个比较完整的理论基础。根据这个学说，气旋是在两种来源不同和性质各异的气流互相激荡的界面（锋面）上形成的。1930年也是一个值得纪念的年份，苏联学者莫尔恰诺夫在这一年发明了无线电高空探空仪。从此高空观测很快普遍建立起来，高空天气图在预报工作中起了越来越大的作用。在第二次世界大战时期及战后的年代里，雷达、火箭、遥远控制等现代技术又先后在气象观测中使用，人造卫星的出现更给气象观测提出了远大的前景。电子计算机也在数值预报中应用了。新的科学技术成就正在把天气预报的理论和技术迅速推向前进。
以天气图为主要工具的现代天气预报在1914年传入我国。这一年，上海徐家汇观象台用无线电与中外各地及轮船通报天气，发布台风警报。显然，这是为帝国主义侵略服务的。辛亥革命后，在北京成立了我国自建的中央观象台。但是，由于经费不足，建站很少，预报事业无法得到发展。帝国主义控制我国天气预报事业及我国气象事业奄奄待毙的局面，直到解放后才根本改变。
在党和政府的领导和关怀下，我国天气预报工作也像其他科学工作一样，得到了很大发展。天气预报的理论、方法和准确率，都有了很大提高。特别是从1958年以来，打破了气象站不能作预报的清规戒律，在全国各地广泛地开展了补充预报，更使预报服务效果大为提高，并使我国预报工作发展到一个新的阶段。
目前，世界各国一般是用天气图和气象观测记录，作为主要的天气预报工具。预报方法大体可以分为经验和半经验性的天气图方法、资料统计方法和流体力学方法三大类。
经验半经验性的天气图方法是目前广泛使用的基本预报方法。它的原理是根据天气图上现有高低气压、锋区、气流和天气区域的分布特点和演变过程，运用经验规则和预报员的个人体会进行分析判断，推测这些现象的未来可能的移动速度和方向、强度和范围的变化，以作出天气预报。这些经验规则一般是不很严格的。例如，在预报中最常考虑的“引导气流”规则，指出高低气压、锋面和天气区的移动，一般是按某一高度上的气流的方向，并大致和它的速度成正比例的。这是一条很有成效的规则。但是，在考虑气流的引导作用时，必须考虑气流的高度、不同的自然地理条件和其他特点，这就需要预报员根据个人的知识和经验进一步在制作具体的预报时加以掌握。由于个人的经验和思考方法的差异，其结果也就往往发生很大的出入。其他的经验规则也有着类似的性质。
由此可见，天气图预报方法固然是掌握大范围主要趋势有用的方法，但是它在许多方面是不客观的。在下面还要谈到，这种方法对于小范围的天气预报也有不够之处。
统计方法也是目前广泛使用的一种预报方法。在早期，由于对天气变化过程了解不够，往往限于对个别台站的某些气象要素④进行形式的统计，缺乏理论依据，所以难于获得成效。例如，当时流行找寻天气或气象要素是否具有以一定时期为间隔反复循环变化的所谓“周期性”，结果找出了各种时间长度的周期，但是能够经受长时间考验并为大家所公认的明显的周期，至今还没有找到。这一事实说明，统计方法必须以经验和理论作根据，才有可能得到很好的结果，不能仅仅进行形式上的统计。于是，就出现了“经验统计”及“物理统计”等概念。
随着天气预报水平的不断提高，人们逐渐认识到，个别地方的天气变化和气象要素对整个大气说来不一定有足够的代表性，有代表性的是大规模气流分布的特点或表征这些特点的“指数”。因此，西风带的强度和气旋的频率等等，在统计中得到日益广泛的采用。环流型对统计学在天气预报中的应用有着很大的意义。环流型就是将大范围气流分布的特点划为几个不同的类型，然后统计各个类型的特点，发生、发展、持续和转变的规律，在各类环流型下的天气分布等等。由于这种统计是从天气图的主要特征出发的，所以可能找出更好的预报规则。这就是“天气气候学”方法，在我国及其他各国都广泛应用。
统计方法目前正在进行许多方面的探索。例如，表示事物变化时间序列统计关系的马尔柯夫过程⑤，以及将环流⑥或要素场⑦进行数学分解求出具有代表性的指数以进行统计分析的方法，也已开始在天气预报中应用。特别是近几年来，气象资料迅速增加，电子计算机日益广泛使用，因此用统计方法整理大量资料以寻找大气过程的规律性不但日益显得重要起来，而且也获得更加充分的技术条件了。由此可见，统计学在天气预报中的应用还有十分宽广的前景。
第二次世界大战以后，许多国家对流体力学方法进行了不少工作，有的国家还试探过将它用于预报业务。流体力学方法把用流体力学和热力学基本公式推导出的关于气压变化的偏微分方程——速度涡度方程，作为计算未来气压变化的依据。但是，由于一方面在推导这个公式时进行过若干简化，另方面目前数学水平尚难于求出这个方程的全解，而为求解和能在电子计算机上进行计算，又不得不进行更多的简化，甚至有些简化是带有原则性的，所以这个方法还有一时无法克服的缺陷，不能代替天气图方法。应用流体力学方法，目前主要还是一个探索的方向。
影响天气变化的因子是很复杂的。目前的各种预报方法都只能从某一个角度考虑其中几个因子，而不是全面的和具有完全成效的。因此，各种方法的综合应用是一条现实的道路。
弄清大气过程的物理性质，对解决天气预报问题有着决定性的意义。天气变化和大气中能量转化过程有着密切的关系，因此能量转化问题也是目前所注意的中心问题之一。在这里，太阳活动⑧、高层大气物理过程和下垫面⑨的影响，早已引起人们普遍的注意。太阳是一切天气现象产生的能源。太阳在活动剧烈的时候所放射的大量紫外线辐射和粒子流，对电离层⑩产生强烈的作用，自然也影响到对流层里的天气变化。但是，大气吸收、传递这份能量及对天气的影响是十分复杂的。近年来放射物理的发展，火箭、人造卫星对高层大气的观测，对了解高层大气的物理过程和太阳活动的影响有着重要的意义。下垫面问题也是与能量问题直接连系的。由于海、陆热性质的不同，所以下层大气的能量分布带有许多特点，山脉对气流也有着明显的作用。下垫面的特性不同，使地球上同纬度地区天气规律性各异，研究这个问题对天气预报有很大的理论意义。因此，加强研究能量转换问题以连系天气演变的物理过程，也是目前值得注意的一项工作。
最后还需要注意的一个问题是：一方面由于高速飞行、火箭及人造卫星的发射，高层大气状态以及洲际甚至全球范围的预报问题也提上了日程，另方面由于许多天气现象，特别是对农业及人类的其它经济活动有重大影响的暴雨霜冻等具有显著的地方性，对小范围预报的要求也随着经济发展而日益迫切了。
解放后，我国地方性天气预报工作取得了一定的成果。目前世界各国所采用的天气图预报方法，只适于用来预报大范围天气变化的主要趋势。在大范围天气图上，每个专区最多只能填上一两个站的气象记录，不能反映较详细的地方性天气特点。因此，这种方法不能用来解决地方性天气预报的问题。为了克服这个缺陷，1958年以后，在我国天气预报的实际工作中，逐步形成了“大中小结合”的预报方法。按照这个原则，省以上的气象台，以大范围天气图作为主要工具，以大范围气流分布和天气变化总的趋势作为主要预报任务。专区气象台以区域天气图和专区天气图及气象资料作主要工具，特别是在专区天气图上本专区及附近地区可以填上较为稠密的气象记录，这就使本专区的地方性天气反映得较为详细了，有可能将大范围天气变化的主要趋势和本地区的特殊条件结合起来。县气象站和公社气象哨收听专区台和大台预报，了解总的变化趋势，观测当时当地的天气发展实况和运用当地历史气象资料统计所得的规律，依据农民的经验和经过验证的天气谚语，结合当地自然地理的影响，作出本地区的天气预报。这样层层补充订正，能使天气预报结合各地具体情况，不致盲目使用大台预报。这就是“大中小结合”的预报方法的主要优点。这个方法开展的结果，使天气预报与生产密切结合起来了，同时也能发掘我国劳动人民几千年来积累的丰富的看天经验，使天气预报的理论有了丰富和提高。
从以上所谈看来，在一百多年的时期内，天气预报已经获得了巨大的发展。但是不可否认，目前天气预报的水平对满足各方面的需要还有相当的距离。天气预报是一门综合性的科学，它的发展不但需要充足的观测资料，而且和物理、数学、仪器制造和计算技术等许多科学和技术的发展有密切联系。当前，我们正处在科学技术飞跃发展的时代，天气预报的理论和技术必将随着科学技术的飞跃发展获得迅速发展，人类正确地预知天气变化的时代也将不会过于遥远了。
①天气图　用特制的地图作底图，将各地在同一时间观 测到的气象记录填写在图中相应的地理位置上，然后将天气现象、气流或气压的分布用不同颜色的线条描绘出来，以便研究大范围天气及气流等分布的特点。
②气旋　即大气中的巨大风暴。
③锋面　是冷热差别较显著的两种空气之间的交界面。
锋面和气旋一般都能引起较大天气变化，产生阴雨和大风等坏天气。
④气象要素　是表示大气中各种物理性质的量，如温度、气压、湿度、风向和风速等。
⑤马尔柯夫过程　在概率论中某事物的各个可能状态出现的概率及互相转化的概率在时间中的变化过程。
⑥环流　即气流的分布。
⑦要素场　即气象要素在空间的分布。
⑧太阳活动　即太阳面上的一切扰动现象（如太阳黑子、太阳爆发等）的总称。
⑨下垫面　即地球表面。海洋及大陆（山脉、沙漠、森林等）都在大气底部，故称下垫面。
⑩电离层　即高度约在80公里至1000公里间的大气层。
在这一层中空气离子化很显著及导电度很大，故叫电离层。