天气预报背后的“超级大脑”——数值预报精准“读懂”风雨

当暴雨倾盆而下、台风席卷海岸、海浪拍击堤坝时，科学应对极端天气离不开一个超级大脑的加持——数值天气预报。它用数学方程“翻译”大气运动规律，靠超级计算机推演天气变化；把台风、暴雨、海浪这些复杂的自然现象，拆解成一个个可计算的网格数据，清晰展现它们从生成、发展到移动、消散的完整过程。

暴雨预报：抽丝剥茧解谜团

暴雨的形成要满足充足的水汽输送、强烈的空气上升运动及不稳定能量的释放等多个条件，再加上影响暴雨的中小尺度天气系统变化快、范围小，准确预报难度极大。而数值预报模式为破解该难题提供了有力工具。

目前，我国暴雨预报主要依靠两类数值模式：覆盖全球的中国气象局全球同化预报系统（简称CMA-GFS）和聚焦区域的中尺度模式（简称CMA-MESO）。

以我国自主研发的CMA-MESO模式框架为例，该模式基于中尺度气象系统动力学原理，通过高分辨率数值模拟与多源数据同化，对降雨形成的热力、动力过程开展逐小时循环更新预报。“CMA-MESO可精细‘拆解’暴雨形成过程。它依据中尺度气象系统的动力学原理，把大气划分成一个个微小网格，再整合区域自动观测站、风云气象卫星、天气雷达等多源数据，逐小时计算每个网格里的温度、湿度、气压、风速等要素，从而实现未来0至36小时暴雨情况的精准预报。”中国气象局地球系统数值预报中心（以下简称“数值预报中心”）模式技术室研究员刘奇俊解释。

如今，两大数值预报模式已在全国各省（自治区、直辖市）气象部门广泛应用。广东、北京、上海等地在此基础上建立了更适用于本地天气特点的中尺度预报模式系统。

在今年6月18日湖北省入梅后的首场区域性强降雨过程中，数值预报中心与武汉暴雨研究所联合研发的暴雨数值预报业务模式（CMA-BY）表现出色。预报员借助该模式，准确预判出东北至西南向梅雨雨带的演变趋势，成功预报出大暴雨中心，尤其是湖北恩施、湖南张家界以及湖北东北部与大别山三省相邻区域的大暴雨中心。经检验，预报效果更贴近实况，并且对雨带东移过程中的强度变化预报与实际降水分布吻合。

“今年汛期，无论是CMA-GFS还是CMA-MESO，在华北地区强降雨雨带、落区、强度预报方面都表现出比较高的准确性。”刘奇俊表示。不过，暴雨预报也并非十全十美，由于暴雨中的对流活动极其复杂，目前数值模式对这类活动的模拟仍存在局限，预报准确率仍有提升空间——通常小雨、中雨的预报评分较高，暴雨评分相对低一些，尤其是夏季强对流天气引发的短时强降水，因为对流系统发展快、变化多，模式的预报准确率会受到更大影响。

台风预报：多模式协同显神通

除了暴雨，台风预报同样离不开数值模式的助力。

“目前，数值预报中心用于台风预报的模式系统十分丰富，包括CMA-GFS全球模式、中国气象局区域台风模式（CMA-TYM），以及全球集合预报、区域集合预报等。其中，CMA-GFS的分辨率达12.5公里，CMA-TYM分辨率为9公里，两者主要提供未来5天的台风路径、强度及风雨预报。

当台风级别达到台风及以上强度时，CMA-TYM的预报优势较为突出，而全球和区域集合预报则能给出台风未来移动方向的概率，为预报员和决策部门提供更多参考依据。”数值预报中心模式技术室正研级高级工程师麻素红介绍。

在实际预报中，模式通过求解大气运动方程组，结合台风初始状态和周围环境的观测数据，一步步模拟台风的演变过程：从生成阶段捕捉热带扰动的发展迹象，到发展阶段追踪台风眼墙结构变化和强度增强过程，再到移动阶段考虑副热带高压、冷空气等大尺度系统对台风路径的“引导”作用。

在数据支撑上，CMA-GFS采用了国际先进的集合四维变分同化系统，卫星资料的利用率超过88%。这些数据如同为模式装上了“千里眼”，能提供全球范围的大气“全景图”，包括台风的位置、形态、内部结构等关键信息。CMA-TYM也在不断升级。2025年7月15日，其从V3.1版本更新到V4.0版本，计算效率和预报效果均显著提升。在台风预报基础上，CMA-TYM还开发了多种专用产品，目前已在国家气象中心以及浙江、福建、海南等沿海省份广泛应用，对台风登陆时的路径、强度和风雨预报起到重要作用。

“未来，台风数值预报将重点突破台风核心区域观测与资料应用、云可分辨尺度耦合模式研发、关键物理过程优化等方面技术，同时融入人工智能，让台风更清晰可见。”麻素红说。

海浪预报：千里之外测波涛

对于远在千里之外的海洋波涛，数值预报也能“测量”。海洋作为地球表面最大的液态水体，它的运动（如海流和海浪）不仅影响海上作业、航运安全，还会带动地球内外部圈层的物质和能量交换，进而影响全球气候。要掌握海洋运动规律，就离不开海浪数值模式的帮助。

近年来，我国在海浪数值预报方面不断发力，取得显著成果。海浪是风力直接作用于海面形成的波浪，主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。海浪数值模式的核心是基于对波浪动力过程的数学建模，通过求解谱能量平衡方程来模拟波浪能量随时间和空间的变化，该方程整合了波浪的传播、折射、浅化、破碎及非线性相互作用等过程。

目前，数值预报中心业务运行的全球海浪数值预报系统（CMA-GFS WAVE）基于CMA-GFS驱动海浪模式（WAVEWATCH Ⅲ）构建，能够计算出全球洋面的海浪预报产品，分辨率达12.5公里，可提供未来10天的海浪预报；而中国近海海浪模式的分辨率更高，达到3公里，能提供未来5天的近海海浪预报。这些预报产品涵盖10米风向风速、有效波高、平均波周期、平均波向，以及风浪、涌浪的有效波高、波周期等多项关键信息，可以为海上航运、渔业生产、沿海防浪防灾等提供全面支撑。

（作者：唐淼 责任编辑：张林）

来源：中国气象报社

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