天气预报的发展历史

1第三章天气预报发展历程北京大学钱维宏引言天气预报作为一种信息与人们的生产和生活息息相关。天气预报,从定性描述到逐步定量预测,经历了几千年的发展历史。发展的过程也是对自然认识得到提升和预测方法不断完善与建立的过程。第三章从天气预报要回答的基本问题出发，依次综述了古代天气预报、早期天气预报、近代天气预报和现代天气预报的发展历程，最后提出了未来天气预报中思路更新和方法改进的可能。3.1天气预报天气预报要回答两个基本的问题，即什么是天气和天气要预报什么？什么是天气，事关天气的定义。天气要预报什么，事关天气预报的内容。3.1.1天气的定义天气是多气象要素（温度、气压、湿度、风等）随时间的连续变化及其产生的各种现象（如云、雨雪、雷暴、雾霾、沙尘暴等）。对这些气象要素的变化和出现的现象，人们都是可以感知的，如人们可以感知气温有24小时的日变化（午后热，清晨凉）和不同日之间的变化（寒潮降温和高温热浪）。天气和气象要素变化是与中尺度—天气尺度（200～2000km）系统的生消和移动相联系的。因此，天气系统的移动速度和生命期决定了局地天气变化的时间尺度，或天气过程。图1是气旋天气系统的移动与消亡（锢囚）过程[1]，云雨区和冷暖风向变化是随天气系统的移动而变化的。2图1气旋天气系统的移动与消亡（锢囚）过程。上图为地面图，阴影部分为云雨区，箭头为地面风向，红色箭头为暖风，蓝色为冷风，实线为等压线，带三角和半圆的线分别为冷暖锋。下图为沿A-B的垂直剖面。天气的一些要素，特别是气温、降水、能见度和风，在量值变率上不超过一定的限度，对人们的生产和生活不构成威胁，这样的天气属于正常的范围，即正常的天气。它们的变化量值超过了一定的限度（阈值）会给人们的生产和生活造成危害，对应的异常天气称为极端天气。不同的极端天气事件要比较它们的持续时间、强度差异和影响的区域范围。持续时间越长、影响范围越大，和越强的极端天气事件形成的危害会越大。3.1.2天气预报的内容天气预报的内容基本上就是以上的那些气象要素。有这样的一条天气预报：今天上午有雾，下午多云转阴，夜里阴有中到大雨，明天雨止转多云，偏南风2~3级，夜里转西北风4~5级，今天最高温度25度，明晨最低温度12度，后天晴到少云。这是一条3天的天气预报。第1天的天气现象内容最丰富，按时间顺序从雾（能见度）到多云、阴天和降水。第2天的内容只是雨止转多云。第3天的内容更简单，晴到少云。像这样1~3天的逐日天气预报称为短期天气预报。第1天“上午有雾，下午多云转阴”，这种未来几个小时的预报称为短时天气预报。这样的一条天气预报中，天气现象、风和气温随时间的变化是遵循确定的变化顺序的，反映的是一个天气尺度气旋系统经过当地的移动过程。在地面气旋的暖湿空气区中(图1中红箭头风的区域)，出现了偏南风暖平流下的雾。日近正午，太阳辐射增强，雾消，气温升高。下午气旋冷锋来临，云量增多。夜间，冷锋过境形成较大的降水，风向也随之转变为西北，风力增大。后半夜，冷空气下来后，风吹云散，地面长波辐射增加，第2天早晨气温较低，白天为多云天气。到了第3天，气旋系统远去，当地受高压系统控制，天气晴好（晴到少云）。当地从受气旋影响出现降水，到转受高压系统影响天气晴好，是为一个天气过程。下一个天气过程是否重复这一个天气过程，就看未来新的气旋和高压系统的强度和移动速度了，一般不会完全重复。天气预报员的任务就是在预报天气系统生消和移动的基础上，推断出各地可能出现的各种天气现象。如推断未来第4天后至第9天，当地是否再次受到1次或者2次类似的天气过程影响。因此，未来4~9天的逐日天气预报称为中期天气预报。近年来，人们还想知道10天后的逐日天气预报，3但实际上做不到逐日，只能大致预报出天气过程。根据大气变量的过去信息、当前信息和数值模式预报产品中的信息推断10天到30天的天气（如降水或冷空气）过程，把它称为延伸期天气预报。由此看来，天气预报包括了四个时间长度，依次为：短时（0~几小时）、短期（1~3天）、中期（4~9天）和延伸期（10~30天）。对这四个时间长度的预报，目前已经有了一些方法，也具有了一定的预报能力[2]。能够有今天的天气预报水平，已经经历了几代科学家的努力。他们的创新思想和创新理论形成的创新方法才赢得了现代天气预报原理的建立与应用。回顾和客观地评价这些科学家们对天气预报做出的功绩，目的在于激励后来者的奋进与预估未来创新思维和创新方法的涌现。3.2古代天气预报“人无远虑，必有近忧”。自古以来，我们的祖先不断在勘察自然的真相，渴望能预知未来。3.2.1中国古人的天气预报按照“天命论”的观点，日出日落和潮涨潮落是周而复始的自然周期变化现象。人们对这些周期性变化能够做出较准确的预报。然而，人们又常常看不到规则的日出日落和潮涨潮落。这时，人们又指望能预先知道那些不规则的现象。自古以来，中国知识分子关注着对天文、对地震和对气象的预测。古代思想家董仲舒提出了“屈民而伸君，屈君而伸天”的口号。前句是要臣民服从皇帝。后句是要皇帝听信天意。天意给皇帝的行动有了制约。这些天意多来自对天（如日食）和对地（如地震）的不认识，对极端天气和异常气候，如雷电、旱灾、水灾、火灾、蝗虫灾害等的不可预测。对自然灾害的上（皇帝）下（臣民）无知为臣民们发表意见大开了方便之门。早期，天文和气象是不分家的。天文和气象都要观测和预报。三千年前，我国甲骨文中，就有了关于天气实况的记录，包括风、云、虹、雨、雪、霜、霞、龙卷、雷暴等。自从有了文字记载了大量的天气事件后，一些知识分子终于有了对气候的认识。在我国古代，观测天文气象，制定历法，了解和预测气候，最明确的用途是为了安排农事生产、祭祀及其他活动。卜辞中还反映出人们已经有预知天气状况的要求，这些都是和当时农业生产的需要相适应的。如远在春秋时代，古人就定出仲春、仲夏、仲秋和仲冬等四个节气。以后不断地改进与完善，到秦汉年间，二十四节气已完全确立。公元前104年，4由落下闳与邓平等制定的《太初历》，正式把二十四节气订于历法，明确了二十四节气的天文位置。如果大署时节的气温不高，霜降时节无霜，大雪时节没有发生过降雪，大寒时节气温不低，说明天气反常了。可见，古人已经有了气候及其变化与极端天气和异常气候之间相对关系的意识。几千年来，水手、渔民、农民和猎人看云、看风、看天象、看物象来预测天气，探索作天气预报。天气预报成了一套民间技艺。古代人观天象，测风云。前者是肉眼和简单仪器能够观测到的天空状况，不但观测日月星辰的变化，还记录了各种过去和当前发生的自然现象，并把总结的经验与当前观测结合起来，做出天气预报。《三国演义》中描述的借东风火烧曹军战船和大雾天草船借箭的故事，都是因为诸葛亮认识了长江流域的气候和异常天气变化特点做出的短期天气预报在军事上的应用。15世纪的压板风速仪，以及唐玄宗王宫使用的相风旗和清道光年间的相风鸟，它们都是早期的风向或风力观测设备，表明仪器是天气预报走向定量化不可缺少的手段。3.2.2西方古人的天气预报天气预报是一门应用科学。科学的成就发端于思想。大约在公元前340年，古希腊哲学家、科学家和教育家亚里士多德（前384—前322年），写下了世界上最早的气象学专著—《气象通论》(Meteorologica)。书中阐述了飓风、焚风和风的成因与分布，晕、虹、雷电等大气光象，云、雨、雹和霾的形成，以及气候变化等。亚里士多德将先前所有的各种气象学思想和经验进行了系统的整理，提出了自己对各种天气现象的见解和理论，使之成为一门有系统的科学—古代气象学，即古代天气预报的思想基础。当时局地天气观测的描述决定了天气预报也是局地的。亚里士多德把局地天空分成了上下两个部分：一曰天域（Celestialregion）—月球轨道以外的区域，一曰地域—月球轨道以内到地面的范围。前者是天文学的观测和研究范围，后者中发生的大气现象属于气象学的研究对象。他认为，干暖的发散物即构成风，湿冷的发散物构成水汽，即雨水的来源，所以空气是水汽和风的媒介物，云、雨、雪、霜、露都是由于空气温度的变化而形成的。亚里士多德的权威主宰了西方气象学理论长达两千年之久。在17世纪末以前，西方所有有关气象学的著作和论著都没能脱离亚里士多德气象学的影响[3]。3.3早期天气预报5数值是科学的语言。天气预报离不开仪器对大气运动的定量观测。我们可以把气象仪器的发明与应用定为早期天气预报的开始时间。3.3.1定量测量天气西方，15世纪发明了压板风速仪，首次可以对大气运动的速度（能量）进行定量测量了。17~18世纪，科学家相继发明了各种定量测量天气现象的仪器，标志着气象科学研究的探测手段开始进入了一个新的发展时期。英国物理学家虎克（1635-1703）发明了湿度计。1644年，托里拆利发明气压计。1606年，伽利略发明温度计。1639年，伽利略的弟子BenedettoCastelli发明雨量器。1774年，Cotte发明了湿度计。18世纪中叶，人们开始进行高空探测的尝试。1748年，英国的A.威尔逊等人开始用风筝等携带温度表，观测低空温度。1752年，美国科学家B.富兰克林利用风筝等工具探测和研究雷暴云中的电荷性质。1783年，法国的J.A.C.查理第一次用氢气球携带温度、气压等自记气象仪器测量各个高度的温度和气压等要素。这些较早进行的高空探测，为以后研究大气的三维结构开辟了道路。3.3.2确定论思想天气预报走向定量化的思想火花随着自然科学大思想家的出现有了萌发。英国大科学家的牛顿(1642～1727)力学是建立在确定论上的思想体系。拉普拉斯(1749～1827)是一位法国的机械决定论者，他把牛顿的质点运动确定论扩展到了无穷质点系统的确定论。大气或地球流体正是由无穷的质点组成的。他在1814年的《概率论的哲学试验》著作中写道：“如果有一种智慧，它能在某一瞬间知道支配着自然的一切力，知道大自然所有组成部分的相对位置，并能伟大到足以分析所有这些事物；它能用一个单独的公式，从最大的天体到最小的原子，都毫无例外悉数概括出宇宙万物的运动，而且对未来就像对于过去那样，都能一目了然；那么目前的宇宙整体，可以看作是它以前的状态的结果，以及以后发展的原因。”拉普拉斯希望找到一个独立的公式，把宇宙的万物运动描述清楚。他提到，公式中要包含力、位置和原子状态等的描述。这样，宇宙的前因后果都确定了，也都能回溯过去和预测未来了。这一理论体系直接影响到了后来用于天气预报理论与数值天气预报模式的纳维叶－斯托克斯(Navier-Stokes)方程在1821年的建立。到现在，人们还在不断完善公式，发展探测工具，获取高时空分辨率的资料，努力实现拉普拉斯的理想目标。3.3.3第一张天气图6随着气象仪器的发明和观测网的建立，以及流体动力学理论的发展，为天气预报理论体系的建立提供了可能。1820年德国的H.W.布兰德斯利用《巴拉丁气象学会杂志》刊载的气象观测资料，将1783年各地同一时刻的气压和风的记录填在地图上，绘成了世界上第一张天气图。这一开创性工作为后来分析气压、风与天气的关系，以及建立天气系统的概念模型，迈出了坚实的一步。天气图的诞生，是近代气象学理论研究和现代天气预报实践的标志。电报的发明，为各地气象观测资料的迅速传递和信息集中提供了条件，使绘制实时的天气图成为可能。1851年，英国的J.格莱舍利用电报传送资料，绘制了可供实际应用的瞬时天气图。3.3.4军事驱动天气分析驱动实际天气预报业务的建立起因于自一次天气事件：1853～1856年，英、法同俄国发生了瓜分土耳其的克里米亚战争。1854年11月14日黑海出现风暴，法舰亨利四号沉没，英法联军大败。事后，法国政府命巴黎天文台台长U.勒威耶收集了该年11月12～16日的气象资料，查明此风暴於11月12～13日还在西班牙和法国西部，至14日，就东移到了黑海地区。如能及时发现风暴并预告风暴的移动，损失是可能避免的。因此，U.勒威耶提出的组织气象台站网、开展天气图分析和天气预报的建议被法国政府采纳，1856年组织了气象观测网。从此，绘制天气图便成为一项日常业务，并陆续推广到其他国家。观测资料和探测条件