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天气预报是如何制作的,以及它们的实际准确性如何
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要点
预报是通过将数十亿日常观察结果输入超级计算机模型来构建的,这些模型求解大气物理方程,然后在略有不同的初始条件下运行模型数十次以评估不确定性。根据美国国家气象局的数据,5天预报的准确率约为90%,7天预报约为80%,而10天以上的预报准确率接近掷硬币。
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天气预报始于数据,而非猜测。根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的信息,超级计算机每天从气象气球、卫星、海洋浮标、雷达、飞机传感器和地面站收集数十亿次观测数据,将每次读数转换为温度、气压、湿度和风速的数值。
从观测到模型运行
这些数据成为数值天气预测模型的起点,或称为'初始条件':一套描述空气如何运动、加热和保持湿度的数学方程。NOAA表示,其超级计算机从弗吉尼亚州和佛罗里达州的数据中心每秒进行2.8万亿次计算,以短时间增量推进模型,反复重新计算大气状态,直到预报周期结束,目前NOAA全球模型的预报周期为16天。
预报员不依赖单一模型。NOAA指出,对于每种情况都会比较多个全球和区域模型;当它们一致时,预报的信度提高,当它们不同时,预报员会向公众传达这种不确定性。
为什么预报员同时运行数十个版本
由于大气是混沌的,起始数据中的微小误差可能在数天后增长为大误差,正如欧洲中期天气预报中心(ECMWF)下面所解释的那样。为了管理这一点,ECMWF运行集合预报:从略有不同的起点多次启动相同的模型。其首个业务集合预报在1992年12月有33个成员;到2023年,扩展范围集合预报已增长到101个成员,中程集合预报的分辨率约为9公里。集合成员之间的差异显示预报的置信度应该有多高。
模型方程中的小不确定性以及用于确定初始条件的观测中的小不确定性,当大气处于不可预测状态时,可能会迅速增长。
今天的预报有多准确
NOAA的卫星和信息服务NESDIS指出,5天预报的准确率约为90%,7天预报的准确率约为80%,而10天或更长时间的预报准确率仅约为50%,因为模型无法访问未来数据,必须从当前条件推断。
近几十年来,预报也有了显著改进。英国国家气象局Met Office表示,其今天的4天预报与30年前的1天预报一样准确。Met Office还表示,其模型根据世界气象组织标准进行了验证,并且在全球前两名预报提供商中排名一致。另外,据Our World in Data报道,引用ECMWF的数据,3天预报自1980年代以来一直准确,现在达到约97%。
| 预报类型 | 报告的数字 | 来源 |
|---|---|---|
| 5天通用预报 | 准确率约90% | NOAA/NESDIS |
| 7天通用预报 | 准确率约80% | NOAA/NESDIS |
| 10天或更长预报 | 准确率约50% | NOAA/NESDIS |
| 3天预报(ECMWF系统) | 准确率约97% | Our World in Data,引用ECMWF |
| 48小时飓风路径,1970年代对比现在 | 200–400海里误差,现在约50海里 | Our World in Data,引用美国国家飓风中心 |
| 72小时飓风路径,1960年代–70年代对比现在 | 超过400海里误差,现在不足80海里 | Our World in Data,引用美国国家飓风中心 |
分辨率、计算能力和最新变化:人工智能模型
部分改进来自于更精细的模型网格。ECMWF表示,其水平分辨率在30年内从约210公里提高到18公里,其有效集合预报的提前时间平均每十年增加约一天半。Our World in Data补充说,Met Office自身的预报网格已从约90公里间距移动到1.5公里间距,缩小了观测点之间的间隙。
最新的转变是机器学习。在其2025年性能评估中,ECMWF报告称,其基于人工智能的预报系统AIFS在15天的中期预报中产生的误差比其传统物理模型低5–15%,并且AIFS在预测热带气旋路径方面大幅优于旧系统,尽管它低估了风暴强度。ECMWF还表示,2025年带来了其十多年来最大的单年技能改进,由2024年底引入的系统升级驱动,包括其集合预报中近地面温度和风速误差约减少10%。
并非每个预报都同样可靠
准确性在世界各地分布不均。Our World in Data报告称,低收入国家在气象服务上的人均支出比高收入国家少15到20倍,这一差距影响了本地预报的质量和极端天气预警系统的覆盖范围。
常见问题
- 天气预报提前多少天可以信任?
- 根据NOAA/NESDIS,5天预报的准确率约为90%,7天预报约为80%,但10天或更长时间的预报准确率仅约为50%。
- 为什么预报有时会从一天变到第二天?
- 正如ECMWF解释的那样,观测起始条件中的小错误可以在大气的混沌系统中快速增长,因此当新数据进入和重新处理时,模型的预测可能会发生变化。
- 什么是集合预报?
- 这意味着从略有不同的起点多次运行相同的天气模型;ECMWF的扩展范围集合预报在2023年有101个成员,结果的差异显示预报员应该有多少信心。
- 天气预报真的变得更好了吗?
- 是的:Met Office表示其四天预报现在与其30年前的一天预报一样准确,Our World in Data报告称,引用美国国家飓风中心的数据,飓风路径误差已从1970年代的数百海里下降到今天的100海里以下。
- 世界各地的预报同样好吗?
- 不是。Our World in Data报告称,低收入国家在气象服务上的人均支出比高收入国家少15到20倍,这影响了预报质量和预警覆盖范围。
来源
- NOAA — Weather prediction: It's math!
- NOAA/NESDIS — How Reliable Are Weather Forecasts?
- Met Office — How accurate are our public forecasts?
- Our World in Data — Weather forecasts have become much more accurate; we now need to make them available to everyone
- ECMWF — 30 years of ensemble forecasting at ECMWF
- ECMWF — 2025 forecast evaluation met with positive feedback
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