２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据：气象融入现代科学的纽带 许小峰 2023年5月24日 1 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 数据信息挖掘与科学范式的转变 2 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 早期的气象学，有观察，但没有数据。目前世界公认最早的系统性阐述气象科 学的论著《气象汇论》（Meteorologica）是由古希腊著名学者亚里士多德于公 元前340年前后撰写完成的。书中对地球系统各类现象和变化进行了全面的论述、 分类和解释，体现了逻辑推理的魅力。如黑格尔在评价亚里士多德的物理学时所 言，“亚里士多德的物理学著作主要是哲学的，而不是实验的。” 15世纪欧洲文艺复兴后，哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等重量级 的科学家先后登场，亚里士多德的物理学不断遭遇挑战和纠正，如地心说、自由 落体等。其中特别是“近代科学的奠基人”伽利略，对当时人们认识世界方式产 生了重要影响，提出了该相信谁的问题。伽利略1615年在一封信中对科学研究应 遵循的原则提出了明确观点，“在自然问题的争论中，……应顺应最有价值的经 验和相关的实证，……科学家可以通过实验向自然提出问题，然后用获得的数据 来做出解释。 从中可以看到，数据与实证被认为是进行科学探索的重要途径和检验标准。 伽利略将定量、实测的方法引入到气象领域，改变了仅靠观察、思辨而缺验证、 量化的研究方式，推进气象学走向现代科学。 3 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 伽利略发明制作出了温度计（Galileo Thermoscope），利用空气在顶部圆球内的热胀冷 缩来推动玻璃管中水位高度的变化，达到测量温度高低的目的。而与伽利略同时代的人依据同 样的原理，以这一温度计的设计为雏形，经过多次改进最终达到了可以应用的阶段。随后，不 仅测温仪器不断得到了改进，测风、测湿、测压等设备也先后问世。。 存放在佛罗伦萨伽利略博物馆的伽利略温度计和设计图 4 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 曾给与了伽利略重要支持并深受伽利略影响的塔斯卡尼大公斐迪南二世·德·美的奇除在温 度计、气压计等设备研制中也做出了重要贡献外，还组织建设了世界上第一个观测网：美第奇 气象观测网络(1654-1670)，采用同样的温度计，由11个观测站组成，7个设在意大利境内， 另外4个分别在奥地利的因斯布鲁克(Innsbruck)，波兰的华沙（Warsaw），德国的奥斯纳布 吕克（Osnabrück），法国的巴黎（Paris）。 美的奇气象网络在意大利境内的7个站点和所使用的温度计 5 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 气象观测仪器的进步大大地改进了观测记录，观测资料的逐步丰富和观测网的逐渐建立， 促生了第一张天气图的出现。1820年，德国H.W.布兰德斯将过去各地的气压和风的同时间观测记 录填入地图，绘制了世界上第一张天气图。1851 年，英国J.格莱舍在英国皇家博览会上展出第一 张利用电报收集各地气象资料而绘制的地面天气图。1863 年 9 月 7 日，在法国绘制完成了第一张 实时欧洲区域的等压线图 。 气旋型 次级气旋型 楔型 在法国绘制完成的实时欧洲区域等压线图 V型 直线型 反气旋型 鞍型 英国人根据气压场分布总结出的天气模型 6 6 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 １９０４年，皮叶克尼斯在斯德 哥尔摩物理学会发表了名为《一种 天气预报的理性方法》的演讲。他 把数学方程式应用到原始大气数据 信息中，提出一个开展数值天气预 报的计划，也是对未来天气预报技 术发展的重大推演。 在这篇文献中，V.皮耶克里斯一开始就指出，如果可以根据物理定律推断空气运 动，必须有两个必要并且充分条件：一是必须知道空气准确的初始状态；二是必须知 道空气从一个状态到另一个状态的准确规律。 V.皮耶克里斯指出可以算出这7个相互独立的方程，从而计算出7个未知参数（也 就是：U、V、W、T、P(气压)、p（密度）、q(比湿)），来推断空气运动。 77 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 1950年，美国科学家查尼（Charney）、冯·诺伊曼(John Von Neumann)等人成功计算出了历史上第一张数值预报天气图，对现代气象 业务与科技产生了重大且长远的影响。 8 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 然而，探索与实践的进程并不 总是像最初人们认为的那样乐观， 著名美国气象学家洛伦茨（Lorenz， 1963）发表了一篇堪称经典的论文 “确定性的非周期流”，用一个非 常简单的云对流数值积分预报模型， 通过计算发现大气运动中存在的混 沌现象直接限制了天气的可预报性。 洛伦茨的发现（即著名的“蝴 蝶效应”）在自然科学和社会科学 界产生了广泛影响。 洛伦茨对流方程中的数值 试验 非周期性随时间逐 渐增强 9 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 洛伦茨对数值天气预报的可预报性做了深入 研究后，给出了既不悲观也不乐观的结论。 每个运动尺度都具有内在的有限的可预测范 围。……“积云尺度 ”的运动可以在一小时内预 测，“天气尺度 ”的运动可以在几天内预测，更 大尺度的运动可以提前几周预测。 (洛伦茨，1969） 至少在12天以内，数值模式的可预测性是存在的。 (洛伦茨，1973） 欧洲中期数值天气预报中心ECMWF的模式研发进程表明， 10天的天气预报准确率近年来在50%附近徘徊，目前还没 有超过洛伦茨的判断。 从长期平均而言，风或温度的微小误差大约4 天内会翻了一番。根据目前的观测精度，这意 味着一周的预报应该是可以达到的，而一个月 的预报则不可能。 (洛伦茨，1982） 10 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 数值天气预报的成果令人鼓舞，不确定性的论断又多少令人沮丧，气象学家在不断改进数值模式 本身性能的基础上，在两个环节上做出努力，一是持续改进观测系统，二是通过集合预报改进模式 结果的不确定性。 1955年WMO第二次大会在日内瓦举行，明确提 出要建立一个完整、强大的全球气象观测和数据收 集系统，并为此开展了一系列卓有成效的工作。 11 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 1957至1958年，WMO联合国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）及其上级组织国际科学 联合会（ICSU）共同推进了国际地球物理年（International Geophysical Year，IGY）活动，针 对南半球常规气象信息的空缺开展了联合观测和数据收集，成功绘制了包括热带区域的完整全球天 气图，诸多杰出的科学家共同在联合国框架下参与了该计划。1960年4月1日美国成功发射第一颗 气象卫星TIROS-1后，进一步促进了这一领域的合作快速发展。 1967年第五届世界气象大 会正式通过了《世界天气监 视网计划和实施方案》 （WWW），经过约十年的 努力，在WMO协调下，成 功完成了GOS、GTS和 GDPS建设，从而使全球气 象观测资料可以迅速集中到 世界气象中心，经过加工处 理变成成品后，又再通过这 条环路迅速进行分发。 1960年4 月1日美 国成功发 射第一颗 气象卫星 TIROS-1 国际地球物理年 12 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 随着全球气象探测业务的推进，为了推进对全球大气的研究，WMO和ICSU于 1965年又共同提出组织了全球大气研究计划（GARP）的方案，筹划了10年后，决定 进行一 次大规模全球性试验，即“第一次GARP（全球大气研究计划）全球实验”， 简称FGGE （First GARP Global Experiment），于1978~1979年实施。 70多个国家参与了实 验，以WWW为基础，补 充了大量海洋、卫星等全 球资料。FGGE的实施极 大推动了大气资料的分析 与应用。 第一次GARP全球实验 FGGE 13 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 随着WMO综合观 测系统的完善，积累了 大量不同类型的历史和 实时数据，如何融合大 量不同类型探测资料， 得到完全反映出天气气 候变化动力热力特征和 物理意义的高质量、高 分辨率、长时效、有机 融合的全球观测资料则 成为大气科学研究面临 的严峻挑战。 14 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 随着数值天气预报 （NWP）技术的发展，特别是通过资料同化技术使各类观测资料与数值模式相 融合‚提供具有物理约束的初始条件。这一进步促使科学家于上世纪80年代开始提出要利用 ＮＷＰ 同化技术获取长期、连续、均匀、有约束的所谓 大气“再分析 ”资料。20世纪 80年代开始，美国、 欧洲、日本、中国等先后组织了全球大气资料再分析计划，为研究、认识天气气候变化规律提供了重 要支撑。 再分析资料发展四个阶段 什么是再分析？ 15 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 Epstein （1969） 和Leith （1974） 先后提出了动力 随机预报理论框架和实用的集合预报法，开拓了以不确 定性方法来解决不确定性问题的新途径。集合预报的产 生是针对对大气运动混沌的性质而设计出的解决方案。 已在各国数值预报业务中得到广泛应用。 集合预报在提高预报可靠性、发现模式系统误差、确定 概率预报量化分布等方面体现出优势。 这种方法并不是在追求做出更准确的单一预报，而是一种可以定量估计预报误差分 布的动力学方法。在这种模式设计的构架下，大气模式的初始场、模式的物理过程、模 式本身都不再是唯一，而是依据特定规则设计的一个群，模式的最终预报值也不是唯一 结果，而是概率分布。 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 数据信息与现代气象科学的建立 欧洲数值预报中心提出的2025 年发展目标是要将预报时效提升到 两周，也是以集合预报方法为基础 的。 《自然》杂志2015年9月发表 了介绍数值预报模式发展的文章 “数值天气预报寂静的革命” （The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction），其中以英国气象局 36小时降水集合预报为例介绍了这 种方法降低不确定性的效果。 英国降水36小时集合预报示意图 ２０２３跨界融合创新应用合作发展大会主题报告 小结