专家顾问：

中国气象局地球系统数值预报中心集合预报室主任 陈静

国家气象中心集合预报创新团队负责人 唐健

天气预报不可能做到100%准确。很多人刚刚经历剧烈波动的2022年的高温、暴雨等，对此已有感官上的认识。

这是事实，也是理解我们即将谈论的集合预报的重要前提。对于天气预报准确率，无论多么渴望，即使拥有最好的观测数据，也不可能做出完美的预报结论。理解和接受这个前提，正确认识天气预报的不确定性，才能理解集合预报的宝贵价值。可以说，集合预报正是针对大气运动的不确定性与混沌特征而设计出的一种解决方案。

而且，集合预报不仅仅是一种新的技术和方法，它的方法和理念使得数值天气预报体系进入一个新纪元，这也被气象领域所看重。世界数值预报领跑者——欧洲中期天气预报中心（ECMWF）宣称，2023年完全转变为100个成员的集合预报系统。

另一方面，集合预报的“完整”应用不仅需要预报人员参与，也需要用户“进场”。沟通与理解，正是集合预报真正发挥作用的重要一环。

振翅蝴蝶

一切起源于不可避免的误差。

过去一百多年，天气预报已经历了数度跃进。第一次，在空间上，人们开启地面和高空天气图的绘制和应用；第二次，在时间上，数值预报的实施被誉为“静悄悄的革命”。经过这两次跃进，天气预报已经走过了从经验和定性描述，到今天成为一门定量计算的数理学科。第三次，美国气象学家洛伦兹“发现”了那只闻名全球的“蝴蝶”，天气预报不得不直面数值预报的不确定性。

大气运动是高度非线性的动力系统。在洛伦兹看来，像蝴蝶拍打翅膀一样的微小扰动，有可能改变天气形势的演变过程，经过足够长的时间，二者的差别可以达到龙卷风那么大。

数值天气预报利用数学模型模拟大气环流运动，预报未来天气系统的演变。通过资料同化方法，对最新的观测资料进行分析处理而获得大气当前状态，从而实现模式的初始化。

但大气的可预报性是有限的，即使在模式非常完美、初值几乎不存在任何误差的情况下，也是如此。

而误差总是如影随形。大气运动数学物理模型在离散化网格点上进行计算，离散化的模式大气运动过程与连续性的真实大气运动过程存在误差，模式初始场是通过插值方法和客观分析（将非均匀分布的、非常稀疏的气象要素值插值到规则网格点上）而获得的，这仅是真实大气状态的一种近似。因此，即使拥有最好的观测数据，模式初值与真实大气初始状态之间总是存在误差，而且这种误差永远存在。

洛伦兹的“蝴蝶”开始振翅。数值模式对初值误差具有高度敏感性，当积分一定时间后，两个具有微小差异的初始场在相空间的轨迹会呈明显差异，且随着积分时间的延伸，两者差异逐渐增加，导致数值预报技巧随着预报时间的延伸而下降。我们永远无法做出完美的数值预报，也不能做出完美的数值预报。

苏格拉底的智慧启发无数后来者，智者就是知道他不知道什么。

在同样的思路下，集合预报提供了一种解决方案，把一个“无限”的问题变成了“有限”的问题——既然无法消除误差，那就在预报方程或模式中把初始已知的不确定因素包括进去，直面天气预报的可预报性和不确定性。

寻找<X>

通常数值天气预报有两种标准形式：确定性预报模式和集合预报模式。确定性预报是一种早期发展、至今仍被广泛应用的单一模式预报。

我们不可避免地要用公式来做些说明，但别担心，这三个公式非常易于理解。

第一个公式：X=Xm。

一般而言，单一决定论预报可以用这个公式来表示，X代表实际情况，Xm代表预报。当然，这个公式是科学家希望的理想情况。

然而实际情况通常为第二个公式：

X=Xm+X0。

这里的X0代表预报误差，而且其确切值在事前往往是不可知的。

既然找不到X0，那么可否退一步？去找一个不确定性的范围或分布＜X＞，希望这一范围能包含不可知的误差X0。

于是，有了第三个公式：

X∈Xm+＜X＞。

这样，天气预报的任务就从第一个公式转为第三个公式。注意一下，“等式”已转变为“包含式”，即未来实况X被包含在了预报Xm+＜X＞中。

集合预报的核心任务就是要定量准确地估计这一与大气可预报性相关联的、随机的，随时随地随天气系统而变的“预报不确定性”的范围或分布＜X＞，以确保实况被包含在所预报的范围之内。也就是说，集合预报描述的是范围或分布＜X＞，而不是更准确的Xm。

集合预报的核心运行逻辑是：通过一定的数学方法，获得在一定初值误差范围内具有某种概率密度函数分布特征的数值预报初值集合，其中每个初值都有可能代表大气的真实状况。然后用数值模式对每个初值积分，从而得到一组预报结果的集合，再由这一组预报集合估计未来天气状态的概率密度分布信息，比如集合平均、概率、离散度、极端值等。

当然，按数值预报误差来源，还可以将集合预报构造方案分为两种。

第一种方案假设数值模式是“完美”的，通过在初始场上加入各种小扰动，构造若干个具有某种概率密度函数的初始场集合，然后分别对每个扰动后的初值积分获得集合成员，称为初值扰动集合预报。

第二种方案假设数值模式是不确定的，通过对数值模式中一些不确定性信息如模式动力框架的差异、模式物理过程的差异和参数化过程的差异加以组合或扰动，构造出多个模式版本，然后将不同的模式用同一初值积分获得集合成员，称为模式扰动集合预报。

通常来说，评价一个好的集合预报，首先模式本身要好，然后集合预报会在好的模式基础上增加初值扰动和模式扰动，这些扰动如果能快速朝着稳定方向发展，且得到的发散结果尽可能包括大气演变的所有可能性，那么这可以算是好的集合预报。

观念“革命”

数值预报的不确定性是影响预报准确率的世界难题，刻画数值模式预报不确定性，是世界各国数值预报业务焦点问题之一。集合预报带来的变化，很快引起关注。

20世纪70—80年代，爱泼斯坦（Epstein）和莱斯（Leith）先后提出了动力随机预报理论框架和实用的集合预报法。

很快，20世纪90年代后，随着大规模并行计算机的发展，1992年，集合预报系统在美国国家环境预报中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）投入业务运行，集合预报系统成为这两个中心数值天气预报的重要组成部分。我国的集合预报系统也于2000年前后开始建成。

自20世纪90年代末以来，集合预报广泛应用于日常预报中，研究也更加深入，开始探索模式物理过程扰动、多模式多分析初值的超级集合和热带地区集合预报问题。

而近20年来，利用集合预报估计单一确定性数值预报的不确定性和预报误差，在全球各大业务数值预报中心获得广泛应用，与资料同化、动力框架、物理过程一起，构成了当代数值预报技术的四个发展方向，成为数值预报业务核心系统。ECMWF甚至将集合预报与四维变分同化技术，并称为数值预报的两大革命性进展。

集合预报展现了一些值得关注的特点。比如在灾害预报方面，能够给出未来天气的多个可能场景，预警“最糟糕”天气；在减少不确定性方面，能够帮助预报员提振预报服务的信心及优化策略；可以通过高概率或订正技术等获得最可能的预报；在稳定性方面，有利于减少预报结论跳跃而发布稳定性高的预报，等等。

最近10年来，以提升强降水预报能力的对流尺度集合预报，成为国际发展趋势，欧美等发达国家都已经建立了2—4公里的对流尺度集合预报业务。展望2030—2035年，ECMWF和世界气象组织预期全球1—3公里全球集合预报将实现业务化。我国基于自主研发的全球及区域一体化数值天气预报模式，中国气象局地球系统数值预报中心研发了从全球50公里到重点区域3公里高分辨集合预报系统的0—360小时无缝隙集合预报系统及产品。可以说，集合预报产品在国内外气象服务和科学研究中发挥了重要作用。

当然，集合预报不仅仅是一种新的技术，更带来一种观念上的变化。有的研究甚至称其“为数值预报开创了一个新的纪元”，即在集合预报为中心的业务流程中，每一步都不再是单一值的决定论，而是包含了不确定性的定量估计，同时“反向反馈”也会进入“资料-资料同化-模式预报-用户应用”的传统预报流程。

延伸：沟通与理解

如果你是阅读这篇文章的公众，请不要误解，您每天看到的预报，实际上依然是确定性预报。

在我国，集合预报产品更多地是作为预报员的重要参考。

这就需要提到另一个概念——概率预报，常用0到1之间的百分数来表示天气现象发生的可能性。用概率值表示预报量出现可能性的大小，替代某种天气现象的“有”或“无”和气象要素值的“大”或“小”。有专家认为，发布概率预报，集合预报才算是真正走到台前。

但概率预报却面临一种实践上的困局。我们先看一组问答。

问：假设气象台预报北京明天降水概率是50%，如何理解？

一个通常的回答是：有50%的可能性会下雨。

问：明天下雨了，算预报对了吗？

答：算报对了吧。

问：如果没下雨呢，算预报对了吗？

答：如果从字面上说的话，也对了。

问：如果是预报80%概率降水呢？

答：……

问：如果是预报20%概率降水呢？

答：……

公众对理解、接受以及使用上的问题，给概率预报实践带来不小的困难。但如果转换一组场景，你又会发现概率预报其实可以发挥的空间不小。假设气象台预报未来1小时有20%的概率会下雨。

第一个场景：你要出门去健身跑步，20%的概率对于你来说或许可以接受，大不了淋湿了就回家。这个时候，预报20%的概率会下雨，与直接告诉你不会下雨但你出门后下雨了，大概影响不大，但你的心理预期可能并不一样。

第二个场景：你准备出去铺一条柏油路。如果下雨，铺路会损失1000元，如果不下雨就能正常开工。如果你考虑20%概率下雨而停工，实际却没有下雨，尽管没有损失1000元，但要承担工人的误工费，可能要花200块钱。这个时候，就可以用模型计算一下哪种安排损失最少。

人们总是期待天气预报更加准确。从集合预报角度出发，可能会对天气预报有新的理解。

2006年，受美国国家天气局（NWS）之托，美国国家科学院组织专家委员会完成的一份题为《完整的预报：通过对不确定性的刻画与沟通，有助于利用天气气候预报做出更好的决策》的调研报告指出，关键理念是要正确地刻画预报产品的不确定性，并同用户进行有效的沟通，使用户能对不确定性也有正确和充分的理解，这样的预报才能算是完整的预报。

“天气预报不可能做到百分百准确，但预报员总会付出百分百努力。”我们的预报员和科研人员依然在为提升预报准确率而奋斗。

预报的不确定性是其不可分割的一部分。而在真诚的理解与沟通基础上，或许能让预报结论的作用发挥得更好。

参考文章：

陈静, 陈德辉, 颜宏. 集合数值预报发展与研究进展. 应用气象学报, 2002, 13(4):497-507.

Peter Bauer,Alan Thorpe & Gilbert Brunet. The quiet revolution of numerical weather prediction. Nature,2015,pages47–55.

杜钧, 钱维宏. 天气预报的三次跃进.气象科技进展. 2014, 4(6):13-26.

许小峰.“精准”预报的追求与误区. 气象科技进展,2022,12(4): 2-6.

杜钧,陈静. 单一值预报向概率预报转变的基础: 谈谈集合预报及其带来的变革. 气象,2010,36(11): 1-11.

段晚锁,汪叶,霍振华,周菲凡. 数值天气预报和气候预测的集合预报方法：思考与展望. 气候与环境研究.2019,24 (3): 396-406.

国家气象中心集合预报团队,集合预报应用手册,2015年5月.

（作者：赵晓妮 责任编辑：闫泓）