计算机在天气预报中的应用 天气预报涉及计算机应用中的什么

导语：天气预报一直是人们生活中备受关注的话题，准确的天气信息能够指引我们的生活和工作，而且随着科技的不断发展，计算机在天气预报中的应用愈发重要，并且从大数据分析到人工智能，计算机技术正深刻改变着天气预测的面貌，下面就去看看天气预报涉及计算机应用中的什么吧！

计算机在天气预报中的应用

计算机

直到20世纪50年代末，所有的天气图都是手工绘制的，它们是制作天气预报的基本工具。预报员利用各种技术，从最近的天气图表所显示的天气类型出发，外推出未来的天气情况。有一种预报方法是将现在的天气类型和过去类似的已有天气类型相对比，在对比现在和过去的天气类型过程中，气象专家可以预测出当前的天气系统在几小时或几天后将发生的可能变化。这种方法叫做“经验方法”,有助于预报员预报天气。

利用气象经验诊断当前天气图成为天气预报的基础，在短期预报(24小时预报或少于24小时的预报)中仍起着重要作用。后来，计算机开始用于绘制地面和高空天气图。随着科技的进步，计算机最终取代了天气预报的人工劳动。计算机在提高天气预报的准确性和丰富细节上起到关键作用，同时延长了预报时间，可以对长期天气预报提供有益的帮助。

数值天气预报

数值天气预报是一种用数值方法模拟当前大气过程来预报天气的科学方法(数值这个词可能会给大家带来困扰，因为所有类型的天气预报都基于大量的气象数据，也都可以列在这个标题之下)。数值天气预报的理论基础是：大气中气块的运动遵循一定的物理规律，而这些物理规律可以用数学物理方程表示出来。如果我们能求解这些方程，那么就可以从现在的大气状态推知未来的大气状态，可以通过温度、湿度、云和风来描述天气。这种方法就类似于根据牛顿运动定律，由计算机从已知火星现在的位置来预测出来未来的位置一样。

数值天气预报使用了高度精细的模仿真实大气运动的计算机模型。所有的数值模拟都基于相同的物理方程，但是在方程的运用方式和参数选取上却不尽相同。例如，有些侧重于特定区域的模式具有较高分辨率，而有的模式侧重于全球尺度的大气模拟。在美国，多种不同的数值模拟同时在使用。数值天气预报的第一个步骤是把当前大气的全部要素(温度、风速、湿度和气压)输入到计算机模式中，这些要素值代表了预报大气的初始状态。在逐步进行几十亿次计算后，可以预报出这些基本气象要素的短时间变化(大约仅仅是5～10分钟)。

新的数值计算出来后，模式将继续计算下一个5～10分钟的预报。不断重复这个程序很多次6天或更长时间的天气预报就产生了。美国国家气象局利用数值模式绘制大量的图。这些机器绘制的天气图显示了未来某一时刻的大气状况，称为预报图。大多数的数值模式都可以制作预报高空天气型变化的预报图。有些模式也可以制作其他天气要素的预报，包括最高温度、最低温度、风速和降水概率等。即使是最简单的数值模式，也需要进行大量的计算，因此在超级计算机出现之前这些模式是无法使用的。

天气预报数值结果产生后，需要通过对以前预报结果精度的比较，用统计方法对计算机模型预报结果进行修正。这一过程称为模式统计输出(MOS),用于订正模式可能产生的误差。例如，某些模式可能会多报降水、高报风速或低报和高报温度等，所以美国国家气象局的预报员和私人气象预报公司一直致力于改进MOS,他们通过自己的气象知识来修正已知模式的缺陷，以期最终克服模式的缺点。

气象学家用物理方程来建立数值模式，通过初始大气状态求解预报方程，以预报未来天气。当然，这是一个复杂的过程，因为地球大气是一个非常复杂的动力系统，只能通过数值模式对其做粗略的近似。由于方程组本身的性质所决定，微小的初始数据误差就可能造成输出结果的巨大差异。即使如此，这些模式依然给出了令人惊异的好结果——比没有数值模式的预报结果好得多。

集成预报

天气预报所面临的最大挑战之一就是大气系统的混沌现象，特别是当两种非常类似的大气扰动经过一段时间后可能发展成两种完全不同的天气类型。一种扰动也许会加强而另一种扰动可能会耗散掉。为了证明这一点，麻省理工学院的爱德华·洛伦兹教授使用了叫做“蝴蝶效应”的这一比喻。洛伦兹是这样描述的：亚马逊雨林的一只蝴蝶扇动它的翅膀，产生一个微小的扰动，这个扰动开始传播，并逐渐在时间和空间上放大。

按照洛伦兹的比喻，两周以后，这个微小的扰动已经在堪萨斯州变成了一个龙卷风。显然，该比喻的要点是，洛伦兹试图说明，大气初始状态的一个微小变化都可能对其他地区的天气型产生巨大的影响。为了处理大气固有的混沌行为，预报员采用了集成预报技术。简单地讲，这种方法就是在仪器观测误差允许的范围内稍微改变初始条件的前提下，用同一个计算机模型进行大量的天气预报。

从本质上讲，集成预报就是试图评估气象观测中不可避免的误差或疏忽是怎样影响预报结果的。集成预报的重要成果之一就是给出了有关预报的不确定性信息。例如，假设绘制一张用最好的现有天气数据预测24小时美国东南部降水的天气预报图。现在，让我们将相同的计算过程连续进行多次，每一次仅对初始状态进行微小的调整。如果这些预报图的大多数都显示在东南部地区有降水，预报员就会对这一预报给予高等级可信度。另一方面，如果用集成预报结果之间差异很大，则这个预报的可信度就很低。

天空

预报员的作用

尽管计算机速度越来越快、数值模式不断改进、科学技术不断更新，但天气预报图还是只能提供大气运动的一般趋势。因此，气象预报员的气象知识和经验判断在天气预报中仍占有重要地位，特别是在短期天气预报中。经论证后，各种预报图被送往美国国家气象局下属的各地方天气预报机构。气象预报员的职责就是结合数值预报结果和当地环境和区域天气特征，做出特定地点的天气预报。

但是，由于可用的数值预报天气图花样繁多而使得这一任务更加复杂。例如，通常情况下用两种不同的数值模式预测某一天的最低温度，一种模式的预报效果在某些天或某些地区比其他模式更好。因此，预报员的工作最多就是每天在两个模式中选择一个最优模式，或者整合两个模式的数据。而模式结果多了，就面临多个选择而使问题复杂化。预报员经常会对模式预报结果进行细化。例如，夏季的单个雷暴因尺度过小以至于无法在模式中被恰当地表现出来，像龙卷风、雷暴、下击暴流等天气现象也无法用已有的预报技术进行预报。这时就要重点利用卫星和天气雷达来监测和追踪这些天气现象。

天气预报涉及计算机应用中的什么

天气预报涉及计算机应用中的科学计算领域。在科学计算领域中，计算机应用于大型水坝的设计、卫星轨道的计算、天气预报、核爆炸模拟等。天气预报的制作过程包括气象资料的收集、分析和计算，得到预报结论和对外发布。气象台的计算机将收集到的数据进行处理和运算，得到天气图、数值预报图、卫星云图、雷达回波图等，为预报员提供预报依据。气象台预报员根据得到的最新数值、图表、资料等大量信息，在计算机图形、图像分析处理平台上制作出天气预报产品，进行分析研究，形成个人预报意见，然后进行天气预报会商，由值班预报员综合分析、总结，提出正式预报结论。