当气象遇上大数据

《孙子兵法》写道，算则胜，不算则不胜；多算胜，少算则不胜。“算”，就是如何利用数据，来估计各种因素。数据，自古有之，人口普查、农业统计、兵力计算、政治权衡……，数据虽小，却有助于治国安邦。随着信息爆炸、互联互通、智慧城市时代的到来，大数据以排山倒海之势席卷全球，成为当前信息技术最受关注的概念之一，并跃升为国家战略的前沿，以及产业竞争力和商业模式创新的源泉。数据之“大”，蕴含全新的能量，怎样来“算”，挑战人类的智慧。

气象学科的出现与发展始终伴随着数据理念和算法研究，气象业务的运行始终伴随着数据获取处理和分析决策。大数据产生之后，众多行业受到不同程度的冲击，有的甚至是颠覆性的。气象与数据相因相生、相辅相成，这股由信息技术掀起的新浪潮将对气象行业产生何种影响？在科学严谨体系下产生的气象数据是大数据吗？大数据强调的预测能力跟气象行业百年来所追求的对天气的精准预报预测有什么区别与联系？争论的声音从一开始就存在，但气象行业从来没有停下行动的步伐。技术的发展给我们带来了难题，同时又给我们开出了处方，大数据给气象带来了挑战，也带来了新时代的曙光。当我们拨开浮云察看本质时就能够发现，大数据并非点石成金的神秘炼术，而是工程师和科学家手头的新工具。我们既不能因为不熟悉新工具的使用方法就把它束之高阁，也不能因为手里拿着榔头就看什么都像钉子。正确理解并掌握大数据理念、技术、方法，合理运用在从观测数据采集到专业化气象预报预测和服务保障的各个环节，提升气象行业的数据管理能力和价值挖掘能力，才是正确的气象大数据观。

气象数据采集和处理的目的，是在对资料数据整理、分析和挖掘的过程中，得到对数据变化规律的认识，并将规律性的结论以数据模型的方式来加以描述，通过数据计算，实现对人类生存环境未来状态的预报和预估。气象学在多年的发展历程中，先后形成了三种主要的数据分析与计算方法，即天气学分析与诊断方法(天气学方法)、气象统计分析与计算方法(统计学方法)、动力气象学分析与数值计算方法(动力数值方法)。

本期，小编为读者选取了天气学分析与诊断方法。

天气学方法主要描述和刻画气象数据的分布特征，统计学方法是深入挖掘各气象数据之间的关联性，动力数值方法则在前两者成果集成基础上开发出准确描述大气运动规律的复杂数值模型，依托高性能计算技术预报大气运动状态。三种方法在互相结合、互相渗透和相互促进中不断向前发展。

　　 天气学方法

天气学是研究天气系统和天气现象发生、发展及变化的基本规律，并利用这些规律预测未来天气的一门科学。天气学方法是最早出现的气象数据分析计算方法，其以天气图的出现为主要标志，以至于目前的气象数据分析在业务领域有一个专门的名称—天气分析。在天气分析基础上，归纳总结出相应的天气学概念模型，利用模型工具开展具体的气象要素预报。

　　 天气分析

天气分析是根据天气学和动力气象学原理，对天气图和其他大气探测资料所做的用于揭示天气性状的分析，是一种对气象观测记录进行描述、操作、推断和建模的过程，是利用天气学方法开展气象预报预测的基本立足点和主要依据。天气分析内容主要包括：天气图分析、气象诊断分析、数值预报产品分析、气象数据再分析等。随着大气探测和计算机等技术的发展，天气分析的内容和方法日益丰富，并逐步实现客观化、定量化和自动化。

　　 1 ．天气图分析

天气图分析是对天气图上各种气象要素的分布状况及其演变进行分析研究的过程。主要内容包括：气压场分析、温度场分析、湿度场分析和风场分析。气压场分析主要指利用地面天气图的等压线、变压线、锋线、天气区等，高空天气图的等位势高度线、槽线、脊线等内容，获取地面和空中气压场的水平分布及其空间结构，了解各种重要天气系统的位置、强度、移动、变化及其相互关系。温度场分析主要指用等温线、变温线等，分析大气温度场的分布和变化，与气压场的相互配置和各种天气系统的热力结构。湿度场分析主要指用等露点线、等温度-露点差线等，分析大气中水汽的分布和变化情况。风场分析主要指用流线、等风速线和大风区等，分析大气的运动状态和变化，以及天气系统的强度、移动速度和各种物理量的输送情况等。根据天气分析和预报的需要，有时还绘制和分析温度-对数压力图、雨量图、时间演变图、空间剖面图、时间变化值图和物理量场分布图等辅助图。图1 给出的是天气图分析中常规的地面天气图和高空天气图。

客观分析正逐步取代手工分析，成为天气图的主要分析方法。依托计算机，客观分析首先对观测资料进行校正，将呈不规则分布的气象站点的观测资料，内插到规则分布的网格点上，然后按技术规范自动进行天气分析。常用的客观分析方法有逐步订正法、多项式法和有限元法等。在进行天气图分析时，首先需正确判断和运用观测记录，参考有关分析预报判据和经验总结，推断各种天气现象和天气形势的演变过程，考虑其前后历史连贯性，重视各有关图表的有机结合，从实际出发，抓住关键，为天气预报提供科学依据。

　　 2 ．气象诊断分析

气象诊断分析技术是利用大气探测资料或者经过加工整理的资料，计算各种大气物理量，并通过大气动力方程和物理方程对大气环流和天气系统进行定量的物理分析。通过诊断分析可以进一步了解天气系统发生和发展的物理机制，为天气预报提供客观定量的物理依据，该分析方法比天气图的定性分析方法更具优势。诊断分析包括气象要素场诊断分析、卫星云图分析和天气雷达回波图分析等。

气象要素场诊断分析是用不含有时间变量的大气动力学和热力学方程，对某一时刻的非直接观测的各种大气物理量作出定量计算，以寻求这些物理量的空间分布特征及其与天气系统发生、发展的关系，从而客观定量地分析、解释天气过程，其结果也可为天气预报提供依据。常用的诊断分析物理量有能量、垂直速度、涡度、散度、水汽输送等。例如，能量诊断分析，就是从能量方程出发，计算引起能量变化的各种因子，分析它们的维持、平衡和转换等问题。一般说来，动能的增加意味着天气系统的发展，动能的减少常使天气系统趋于衰亡。对成熟气旋系统的计算结果表明，动能主要在对流层上部和下部产生。由于下部气流明显地由高压穿越等压线流向低压，这表明气压场对空气块做功而产生动能。当这个动能大于能量向系统外的输出和摩擦消耗时，气旋就得以维持和加强。高速计算机的应用，使诊断分析从历史资料的分析研究手段发展成为日常天气分析业务的一种重要技术。

卫星云图分析，是应用卫星云图、卫星测风、卫星探空等资料，分析全球大气中的云、风、气温、湿度等分布情况。主要技术途径是通过对气象卫星云图上的各种云系的形状、分布和某些特征云型的分析，识别各类天气系统，判断其位置、强度，推断其发展趋势，估计降水和风，进而预报未来天气。

天气雷达回波图分析是使用常规天气雷达、气象多普勒雷达、激光雷达、声雷达、风廓线雷达等探测资料，分析一定范围内的大气物理状态和大气运动情况。主要通过对雷达回波形态、强度、结构、分布和变化特征等的分析，了解云体和降水的性质、演变，测定降水强度和云中含水量，推断天气系统特别是中小尺度天气系统的未来变化，为监测和预报天气提供依据。

　　 3 ．数值预报产品分析

数值预报是现代天气预报的重要方法，其原理和技术将在“动力气象学分析与数值计算方法”一节中介绍。这里主要介绍数值预报产品分析及其相关应用，也是天气分析的组成部分。数值预报产品多以网格点资料的形式给出，产品要素内容与天气图分析的站点观测资料类似，故其分析方法与天气图分析基本相同。如果把数值预报产品视为未来某时刻的实况，则两者的分析方法完全一致。但是，由于数值预报模式对大气物理过程描述的局限性，以及分辨率、模式初始场误差等原因，数值预报产品只能是对未来大气状态的一种近似，不可避免地存在预报误差。对数值预报产品的分析首先是识别其误差情况，并开展针对性的人工或者客观订正，然后运用该产品进行定性和定量分析，最终得出需要的预报结论。

数值预报产品的误差主要表现为：对天气系统移动速度描述的偏快或者偏慢、强度偏强或者偏弱；对气象要素如降水量预报偏大、偏小以及落区位置偏移等；时效方面，如5 天以上的中期天气预报结果明显不及3 天以内的短期预报结果可靠。误差分析主要通过将数值预报产品与实况来做比对，运用统计方法进行整体判断，得出相应的误差分布。有时也着眼于数值模式的整体性能，针对天气系统或者具体天气进行。主要统计指标包括：偏差、平均误差、均方根误差、标准差、相关系数、预报评分等。

根据天气学原理，在数值预报产品的基础上，进行人工订正，从而对天气形势作出诊断和预报，进而作出具体的天气预报，是数值预报产品定性化应用的一个思路，实际上是把天气学理论和天气图分析预报方法进行移植和拓展。不同于天气图分析方法的是，其将对前期和当前实况天气图的时间、空间分析延伸到了未来，并把传统天气图方法中对气压场、高度场、风场、温度场、湿度场的分析和预报扩展到对物理量场的分析和预报，有的文献中称为“纵横分析”。横向分析是指，对数值预报产品的多物理量场的各类分布图作时间演变分析，着重分析影响天气系统的移动和强度变化的物理量。纵向分析是对同一时刻的各类分布图作垂直对比分析，了解主要天气系统的垂直结构和有关物理量的配置关系。具体的气象要素预报则是在纵横分析的基础上，开展相似预报和落区预报。

目前，某些短期要素的客观预报水平已经接近甚至超过预报员的主观预报水平，但由于受到大气探测技术的应用和对某些天气现象机理认识的限制，不少天气要素如降水、风等的预报结果与实况有一定差距。随着自动气象站、雷达、卫星遥感、风廓线、GPS 等大气探测技术的发展以及对天气变化机理认识的加深，数值预报模式的不断改进，常规与非常规观测资料的充分使用，为数值预报产品解释应用技术的不断进步创造了更为有利的条件。在对数值预报产品检验评估和订正的基础上，作出精细化气象预报，已成为气象业务主流趋势。

　　 4 ．气象数据再分析

观探测技术的发展和领域的拓展使气象数据量快速增长，已经进入了大数据时代。如何利用这些种类繁多的海量数据资源，用于天气气候研究，是气象领域的前沿课题之一。大气资料再分析，是20 世纪80 年代以来，科学家提出的一种利用数值预报的资料同化技术来恢复历史气象记录的新方法。所谓再分析，就是利用完善的数据同化系统，把各种类型和来源的观测资料与数值预报产品进行重新融合与最优集成的过程。目前，以观探测资料为基础，通过多源资料的融合分析以及利用数值模式进行资料同化分析和再分析，获得质量可靠、空间覆盖完整、高分辨率的气象数据产品，成为世界各国气象界大气资料再分析的普遍做法。基于各种观探测资料研制的再分析气象数据产品，已经成为全球气象科研和业务的基础数据，为人们深入了解大气运动的方式、认识不同时空尺度内气候变化和变率提供了强有力的研究工具，在气象数据中占有很高的比例，其使用率和应用效益甚至远远超过了观测资料本身。

美国、欧盟和日本等国家先后组织和实施了一系列全球大气再分析计划。目前，已经完成的全球大气再分析主要有：NCEP/NCAR 全球大气再分析资料计划，以及NCEP 与美国能源部(Department of Energy, DOE)的NCEP/ DOE 全球大气再分析资料计划；ECMWF 的15 年(1979～1993 年)和45 年(1957～2002 年)全球大气再分析资料计划，以及新一代再分析(ERA-Interim)；日本气厅和电力中央研究所联合组织实施的25 年(1979～2004 年)全球大气再分析资料计划(JRA-25)等。2015 年，我国在加强重大核心关键技术的攻关以及全球基础资料的收集整合、质量控制、偏差订正和同化应用研究的基础上，“全球大气再分析技术研究与数据集研制”进入立项实施阶段，相关研究成果有望填补我国在大气再分析领域的空白。

Cressman 客观分析是最早的气象数据再分析技术，主要是将常规气象站点观测资料融合到数值预报产品中。随着气象领域大量非常规气象探测资料的出现，一些新的客观分析方法如最优(统计)插值、天气分析与预报模式相结合的“四维同化”分析方案等再分析技术得以开发利用。随着卫星资料、雷达资料等大量非常规探测资料的不断积累和使用，客观分析逐步从分析一个时间多层次的资料发展到分析多个时间多层次的资料，从静态分析发展到动态分析，从单纯的拟合发展到四维资料的同化分析，基于整个场协调一致的变分同化技术在再分析中得以广泛应用。目前，三维变分和四维变分等先进资料同化技术已逐步进入业务化阶段。国际先进业务数值预报中心未来在全球资料同化技术的发展方向，也把变分和集合及其两种方法互相混合的新同化技术作为主要的发展方向。某种程度上，现在的再分析技术所提出的大气整体系统的分解、协调和优化的理论模型，把资料分析和天气预报紧密相连，为天气分析预报的系统化、工程化和自动化奠定了基础，并开辟了新的道路。

　　 天气学概念模型

锋面理论是气象领域气团学说的重要成果，锋面分析是运用锋面空间结构及其发生、发展的理论，在天气图上确定锋的类型和位置的工作过程，是天气分析综合应用的典型实例，锋面分析的天气学概念模型是天气学方法制作天气预报的关键依据。

锋面是指分隔冷、暖两种不同性质气团之间的狭窄的过渡带，通俗地讲，就是冷暖气团的交界面。由于两侧气团性质上的差异，存在着较大的温度和气压梯度，空气垂直对流活跃，水平气流也极不稳定，多伴随着大片云系、大风和降水现象，常造成剧烈的天气变化。锋面的长度与气团的水平距离大致相当，由几百千米到几千千米，宽度比气团小得多，只有几十千米，最宽的也不过几百千米，垂直高度与气团相当，为几千米到十几千米。锋面分析的基本方法主要有四步。

第一步，由历史演变外推框定锋面范围。由于地形影响、记录代表性差及锋面结构复杂等原因，锋面分析有一定的困难性。确定锋面位置首先按照历史连续性的原则，将前6 小时或12 小时锋面的位置(过去位置)标在待分析的天气图上，运用历史演变外推法，大致划定锋面位置。

第二步，应用卫星云图分析锋面。由于锋面伴随着大片云系，从卫星云图上能较为直观地确定锋面的区域范围。锋面在云图上往往表现为带状云系，一般长达数千千米，宽度差异较大，平均为4～5 个纬距(400～500km)。锋面云带常常为多层云系，最上面是卷云，下面是中低云。当锋面的暖气团主动沿锋面上升，此时锋面的云带较宽，具有完整的云带，锋面的位置要定在云带的前边界上。而当冷气团主动下沉，迫使前面的暖气团抬升，云图上表现为云带窄，甚至断裂，也可能不能形成云带，如果云带后边界很清楚，则锋面要定在其后边界上。如果存在冷暖锋共同作用的气旋，云区在暖区顶端向冷区一侧凸起，冷锋定在云带中间部分，暖锋定在云区凸起部分的某个区域。当气旋发展成熟，锋面锢囚以后，锋面要定在云带后边界附近，静止锋则定在云带的前边界附近。在高纬度地区，还可以利用云区中的纹线来确定锋面，此时锋面与纹线互相平行。

第三步，结合高空天气图判断锋的位置和类型。除了垂直伸展高度很低(1.5km以下)的地面锋，所有对流层区域的锋都在高空等压面图上有所反应。平原地区分析850hPa、700hPa 等压面，高原地区分析500hPa 等压面。根据锋面向冷区倾斜原理，地面的锋线应位于高空等压面图上等温线相对密集区的偏暖空气一侧，而且地面锋线要与等温线大致平行，高度越高锋区向冷区方向偏离越远。高空锋区有冷平流时，它所对应的是冷锋。高空锋区有暖平流时，所对应的是暖锋。根据锋的连续演变，如果有冷锋赶上暖锋高空又有暖舌，则所对应的是锢囚锋，高空锋区中冷暖平流均不明显时，所对应的是静止锋。

最后，根据地面天气图上的气象要素分布特征具体确定锋的类型和位置。地面天气图上填绘的是一种综合天气图，是分析地面锋线位置的主要依据。根据锋附近具有气温、湿度、风场、气压场、云以及天气现象的剧烈变化这一特征，综合考虑并作出判断。锋线两侧应该有较大的气温、湿度差异，锋两侧的风都呈气旋性切变，锋线大多处于明显的低压槽中。云和降水多数是和锋面活动有直接联系的，一般在地面锋线冷气团一侧的上空都有较厚的云层及降水，地面锋线暖气团一侧的上空多为少云天气。当然，有些时候由于受到其他因素的影响，锋附近的气象要素差异变得不明显，或者没有锋的地区可以有比较大的差异，要注意结合实际具体分析。如在高原和平原之间，大陆和海洋之间，总是存在着温差，同时风也存在差异，甚至还有云雨天气，这时分析出的锋线，实际上是不存在的，通常称为“虚锋”。

(本文摘编自黄瑞芳 周园春 鞠永茂 沈 坚 张春华等 编著《气象与大数据》前言、第五章，内容有删减。)

责任编辑：陈近梅