【資料圖】

核心提要：

1. 杜蘇芮在華北造成的暴雨進程基本過半，本次暴雨讓河北、山東多地降水量突破歷史極值，但預報的暴雨中心出現一定偏差，甚至還出現了“應對過度”的質疑。

2. 天氣預報產生偏差的原因很復雜。一方面，大氣是一個混沌的系統，任何誤差經過指數增長都會造成極大的偏差；另一方面，數值預報受限于分辨率和算力規模。區域模型分辨率高但覆蓋小；超算可以滿足算力，但費效比不合理。

3. 各國氣象中心都運行著不同天氣模型的超級計算機。因此，對于“杜蘇芮”帶來的降雨，歐美數值預報和中國氣象局預報存在分歧。對于6號臺風“卡努”的預報，各方又出現了巨大分歧。

4. 不過，對于水火災害寧可“十防九空”，有一次中招就是不可承受之痛！因此要保持足夠警惕。未來幾天，還需密切關注臨近預報，繼續關注降雨形勢。

作者｜唐駁虎

鳳凰新聞客戶端榮譽主筆

7月29日周六18點，中央氣象臺就華北暴雨形勢發布暴雨紅色預警。

這是自2005年建立天氣預警機制以來，第二次國家級暴雨紅色預警（第一次是12年前的2011年9月29日臺風“納沙”），顯示了這次華北暴雨的嚴峻性。

中央氣象臺的暴雨紅色預警標準是指，未來24小時2個或2個以上省部分地區將出現250毫米以上的特大暴雨，并有局部地區出現400毫米以上的極端降雨。

到現在（7月31日8點），暴雨過程已經過半。可以階段總結降雨實況，復盤預報情況，進而更深一層了解天氣信息了。

降雨實況

從29日周六晨08時至30日周日晚20時的36小時，北京中南部、天津、河北東北部和中南部、山西東部、河南北部、山東中部和西南部等地累計降雨量100～250毫米。

其中北京房山和門頭溝，河北保定、石家莊、邢臺、邯鄲，山西陽泉、晉中、晉城，河南鶴壁、新鄉等地320～480毫米，河北石家莊、邢臺、邯鄲局部地區達500～630毫米。

河北石家莊高邑（205.6毫米）、河北保定徐水（216.3毫米）、河北保定順平（193.9毫米）、山東泰安泰山（196.4毫米）國家氣象觀測站日降水量突破歷史極值。

上述地區最大小時降雨量40～80毫米，邯鄲磁縣西王女水庫115毫米，河南鶴壁103毫米。最大36小時累計降雨量出現在河北邢臺臨城縣趙莊鄉梁家莊村（814毫米）；

臨城梁家莊位于邢臺市域西北端，24小時最大雨量684.6毫米，至31日8時過程雨量已達998.1毫米，已經成為京津冀范圍內歷史第二大的過程雨量。

這大幅超過了2016年7月19-20日石家莊市域西南端贊皇嶂石巖景區的816.5毫米，僅次于罕見的1963年8月暴雨中心，邢臺內丘獐貘的單日865、三日1457、七日2050毫米大陸極值記錄。

實際上，臨城梁家莊和贊皇嶂石巖兩個站點直線相距僅5公里，而與內丘獐貘鄉（本次累計降雨840.6毫米）直線距離也就是17公里。這里正是太行山中段主脈的最高峰——嶂石巖/黃庵垴下。

在這里，海拔1774米的丹霞絕壁高聳矗立，促使水汽上升成雨，集中在山前形成“雨窩”。說明了地形抬升對降雨的巨大促進作用。另外，山后的山西晉東南一帶也受影響。

對年均雨量700毫米的太行山雨極而言，本次暴雨已超越1996年8月和2016年7月，成為僅次于1963年8月的整整60年來最大的一場暴雨。

并且也超過了“杜蘇芮”作為強臺風登陸福建的最大降雨量——福建莆田涵江區白沙鎮813毫米。

這也應了臨近預報指出的，第一暴雨中心是石家莊-邢臺西部的中太行山區，普遍超過250毫米、局部超400毫米。

但是，臨近預報預測的第二暴雨中心卻有一定偏差。除了京西南如期暴雨外，預報雨量一般的保定市區也出現了特大暴雨，而北京中心市區的降雨量似乎不及紅色預警的預期。

有人要抱怨“不該做這么多準備”，“果然天氣預報是反的”“渲染怎么強結果啥都沒有。”如何看待預報和實況的差距呢？

各國自動數值預報模型

首先需要了解天氣預報的原理。現代天氣預報是科學系統工程，數值預報是現代天氣預報的基礎和核心，是對大氣狀態的量化和計算推演。

用數以億計的觀測數據作為初始條件，基于一系列復雜的大氣數學物理方程組，在強大的超級計算機集群上以每秒超億億次的計算，生成未來一段時間大氣場景的三維數據，再轉換為天氣圖景。

各個大國都有自己自動運轉更新的數值天氣預報系統，其中作為氣象界最重要基本資料的，是覆蓋整個地球的四大特別是歐美兩大全球氣象預報系統。

歐洲EC：全稱 European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（歐洲中期天氣預報中心，ECMWF），是歐洲國際性的天氣預報研究和業務機構，也是運算規模最大的全球氣象預報系統。

美國GFS：全稱 Global Forecast System（全球預報系統），是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）下設機構國家環境預報中心（NCEP）運行的全球模型，是僅次于EC的第二大數值預報系統。

德國ICON：全稱 Icosahedral Nonhydrostatic（二十面體非流體靜力建模框架），奇特的名字表明它用二十面體網格三角形標準切分球面而非經緯度網格，提供均勻的全球覆蓋。由德國國家氣象服務機構（DWD）運作。

加拿大GEM：全稱 Global Environmental Multi-scale model（全球譜模式天氣預報），這是加拿大氣象中心（CMC）運作的全球數值預報系統。

另外其他國家還有一些覆蓋本國及周邊的區域性數值預報系統，其中一些系統的運算結果向全球公開。并有機構把這些運算結果轉換為直觀可視化的氣象動態風云，便于公眾查看參考。

四家全球數值計算系統公開的模型精度和預報時間是這樣的：

歐洲EC：計算網格尺度約9公里，預報時間10天

美國GFS：計算網格尺度約22公里，預報時間14天

德國ICON：計算網格尺度13公里，預報時間7天

加拿大GEM：計算網格尺度約25公里，預報時間10天

在把整個地球表面5.1億平方公里切分為幾百萬個網格，并輸入各網格的大氣數據后，各家的預報多是每6小時滾動更新一次（加拿大是12小時一次），提供的未來預報時間段間隔為3小時。

可見，歐洲EC的計算粒度最細，美國GFS追求更久一點的預報時間，但網格精度也大幅下降。

▎歐洲EC的超級計算機集群，2021年換新機器大幅提升

所以算力規模是歐洲EC第一、美國GFS第二。而德國和加拿大受制于算力，都縮減了分辨率、預報時間和更新周期。

數值預報的局限性

要模擬所有基本的大氣過程，需要提供大氣狀態的物理描述，包含溫度、濕度、氣壓、風場等大氣變量，還要包括地形、土壤類型、地表反照率和植被特性，海洋溫度和太陽輻射強度等等。

在模型網格上匯總這些地理空間數據后，第二步是基于超級計算機，把各式各樣的觀測數據進行處理，運用大氣物理學的規律，求解一組大氣動力學的簡化方程。然后努力的運算，得出數值預報結果。

但是因為大氣是一個混沌的系統，這也意味著模型從輸入到運算的任何誤差都會隨著時間推移呈指數增長，最終完全偏差。

而對一開始的數據輸入而言，即使歐洲EC的9公里計算網格尺度，對于精細的天氣模擬也太過于粗糙了。數值預報的局限性，首先就在于分辨率和算力規模。

區域模型具有更高的分辨率，可達到3公里、2公里、甚至1公里。更高的分辨率讓它們能夠發現被全球模型所遺漏的特征，尤其是對流天氣。

但區域模型僅能覆蓋全球的某些部分區域。決定天氣尺度的系統，依然要依靠全球模型。

2022年，中科大地空科學系和計算機系聯合攻關，他們建立了跨尺度大氣模型（iAMAS），在新一代國產神威超算平臺上，首次實現了全球3公里分辨率的大氣數值模擬計算。

數值模擬試驗表明，在使用3900萬個處理器內核（約10萬顆申威新CPU）時，可以實現每小時計算未來0.82天的速度。這樣就可以在通常的6小時更新周期內，計算未來近5天的全球天氣預報。

▎2019年世界主要氣象機構超算計算能力（中國氣象報社）

但是像之前國家超級計算無錫中心的“神威·太湖之光”也只是4.1萬顆260核申威CPU、1000萬個內核，計算能力十億億次。

需要專門構建一臺10倍算力的百億億次E級超算，投入全部算力資源，才能實現全球3公里分辨率的10天預報。不是做不到，也不是沒有，是費效比實在不太合理。

而且進一步提高數值預報精度，最大的難點還不是計算和分辨率，而是觀測信息。全球的觀測信息從哪來？除了地面搜集的數據，像海洋和兩極就只能靠衛星遙感。

但是大氣不是一個平面，是主體厚約10公里、上下互動影響的立體空間，最重要最關鍵的是垂直各層的信息。

但是相對最可靠的垂直分層信息觀測，只有部分地區每天放飛2次的探空氣球，空間和時間密度都很低。而且這個信息往往只有當地放飛氣象臺和本國氣象部門掌握。

但卻是這樣的大氣波動垂直信息，與中小尺度天氣系統的生長消亡息息相關，也就在相當程度上決定了降雨落區的具體位置。

另外，提高垂直分辨率，不僅在數據的可得性上大為受限，在計算資源成本消耗上也是昂貴的。這些難點不可能完全解決。

所以，即使是數以億計的觀測數據，用于描述地球大氣這么一個主體至少60億立方公里的超級混沌復雜系統來說，還是太過于粗糙了。這就是天氣預報最大的挑戰。

預報回顧

前兩期文章提過，早在7月25日周二，歐洲EC根據“杜蘇芮”的北上路徑和副熱帶高壓位置，最先算得京津普遍累計降雨400mm、京津之間超500mm，局地爆出800到900mm，引發了氣象界的關注。

但是中國氣象局CMA自動模式當時則認為副高強度偏弱、西伸不強，這樣降雨強度一般，位置也主要落在了渤海灣和遼寧，只有秦皇島-綏中-錦州一帶受影響。

▎7月25日歐洲EC數值預報，京津至8月4日累計降雨量

當時美國GFS和加拿大GEM對副高強度和暴雨落區的結果則介于中歐數值之間，認為降雨中心在京東三河-唐山-秦皇島一帶，各方分歧很大。

到7月27日，隨著副熱帶高壓不確定性的減少，歐洲EC和美國GFS都開始把強降雨中心調整到北京和石家莊。

▎7月27日美國GFS數值預報，京津冀至8月2日累計降雨量

其中歐洲EC數值認為京津都是超300mm的降雨區，北京中心城區和各衛星城甚至超400mm。美國GFS數值則認為超400mm的暴雨中心是京西山區。

▎離譜的澳大利亞數值預報，白色超400，灰色超500

而一向不靠譜的澳大利亞ACCESS則報出了離譜的數值：包括北京中心城區、京北京西京南，大面積持續降雨500mm以上，京西南800mm以上、最高1486mm的歷史級大災，并堅持至今。

▎7月28日歐洲EC數值預報，京津冀至8月3日累計降雨量

到了7月28日，歐洲EC給出了迄今看來最接近實際降雨情況的數值：降雨中心為石家莊西南、京西南和保定一帶。

美國GFS數值把強降雨中心大幅調整到河北西南部，也就是石家莊沿太行山一線，北京基本不受影響。

▎7月29日歐洲EC數值預報，京津冀至8月2日累計降雨量

然而，到了7月29日，歐洲EC數值又取消了石家莊西南的降雨中心，給京西和京北報了超500mm的暴雨中心。美國GFS數值除了縮減石家莊東南方向平原的雨帶，基本不變。

另外，雖然GFS數值聚焦石家莊，但把具體暴雨中心都報到了西部的井陘和西北的平山、阜平，并未正確報出西南方向的太行山雨極。可見GFS的模型分辨率尤其是地形精度不足。

當然，關鍵的還是中國氣象局自己的預報。在29日18時與紅色預警一同發布的48小時降雨量預報，目前看來基本準確標注了石家莊西部、京西南方向的兩個暴雨中心。

但是偏差也是存在的，除了石家莊西南雨極，把從第二天29日夜到31日的暴雨中心，一度以350mm標到了京西近郊，緊鄰北京中心城區，引發關注。

這應該是受到中國氣象局自己的模型影響：因為在29日晨的CMA數值結果中，超過300mm的降雨中心覆蓋了北京中心城區，以及京南房山大興、京北海淀順義昌平懷柔等地。

不過，待到12小時后更新的降雨量預報，還是把降雨中心移到了京西南外。畢竟這里才是北京傳統的降雨中心區，而后續的實況也印證了這一點。

復雜與現實

各個的國家氣象中心都運行著不同天氣模型的超級計算機。每一個都略有不同，使用不同的方程來解決塑造天氣模式的各種物理過程。

它們還具有略有不同的分辨率，并使用略有不同的初始數據源組合。這些細微的差異隨著時間的推移而倍增，這就造成了天氣預報的差異。

▎各國機構目前對6號臺風“卡努”的路徑預報，分歧極大

正式的天氣預報，則要由有經驗的預報員，試圖綜合歸納各種數值預報的預測，給出更接近的結果。這就是集合預報。

至于暴雨預報，一直是中外天氣預報業務最大的重點與挑戰之一。因為暴雨是各種尺度天氣系統相互作用的產物，高度非線性和復雜。

現代天氣預報的水平就是可以做到300公里尺度的區域與趨勢正確，但要精確到百十公里的城市尺度的細節就很困難。這樣小范圍的天氣，往往超出了數值模式的預報能力。

從這次暴雨前5天中、歐、美的數值預報擺動，就能看得出來。這主要受到關鍵因素——副熱帶高壓的位置和形狀影響。

副熱帶高壓的位置和形狀，不但影響華北降雨區的位置和范圍，還影響“水汽泵”——6號臺風“卡努”的行進速度，以及副高對水汽加速的情況。

另外，各種促成降雨的中小尺度天氣系統，則更加復雜。在大氣這個超巨型混沌系統里，計算機自動計算的數值結果擺動甚至跳躍，也是非常自然的。

但是科學工作者一直致力挑戰混沌系統的不可能，想盡辦法提高預報準確率和精細化程度。

像兩年前的鄭州“7.20”極端暴雨，河南省氣象局早在7月13日就關注到了天氣形勢，14日開展了兩級聯合會商，15日報送重要天氣報告，并且準確預報出暴雨量級：超500毫米、超百年一遇的巨災。

太行山南麓的焦作，早在7月15日就開始進入防災應對狀態，并迅速通知和動員到全民，并要求19日（周一，后延長到20日周二）全市繼續休假在家，非必要不出行。

然而，距離焦作僅僅60公里的鄭州，在自己的西部山區19日已經下了破紀錄2倍的特大暴雨的情況下，直到20日下午依然“冒雨如常”，毫無應對的預見性。結果毫無防備地遭遇巨災……

事后看來，河南氣象部門提前5天的重大預報，在降雨中心地點、時間上略有偏差，但最重要的量級和警告是完全準確的，也是給了足夠準備、應對、防范時間的。

同時期歐洲EC和美國GFS的預報降水落區較好，報在了焦作以南、鄭州往北之間的黃河河道附近，但強度顯著偏低，只報出了250毫米，完全構不成巨災警告。

但就是這樣提前5天的重大警告，只因為區區60公里的距離（也就相當于北京的昌平到大興），就被鄭州當地忽視了，最后380人遇難。痛惜！痛心！

這是一個非常重要的常識：現代天氣預報特別是暴雨預報的準確率，可以做到300公里尺度的區域與大趨勢正確，但是無法排除降雨中心區擺動的可能，關鍵強降水都是分布不均的。

所以在預報中心周邊100~200公里的地區，也應保持足夠的警惕。實際上，南方沿海地區防范臺風，遵照的也就是這個做法和標準。

水火災害寧可十防九空，有一次中招就是不可承受之痛！像現在6號臺風“卡努”的預報，各方又出現了巨大分歧。

與此同時，除了京津冀一帶的強降雨比較集中外，南方多地也出現局部性的暴雨。由于沒有副熱帶高壓控制，幾乎所有地區都是強對流潛勢區，風雨很強。

但是相對的好消息是，原本華北預期三天的暴雨大雨期，現在看來縮短到兩天了。未來幾天，還需密切關注臨近預報，繼續關注降雨形勢！