要想让次季节预报做到像7天天气预报那样准确，科学家还有很长的路要走。 （视觉中国/图）
现代人已经习惯于先查天气预报，然后再安排未来3天、5天或者7天的活动了。例如，人们会提前安排好计划，周末与家人出门野餐；在低温天气来临前，农民要保护橘子树免受严寒侵害；如果发生野火，应急管理人员需要疏散位于下风口的居民；如果大雨将至，那些沿河而居的社区需要提前准备好沙包，将房屋和商场保护起来。
如果能准确预报3周甚至4周后的天气，以上这些决策都会更加受益。农民可以通过预报查询会不会出现晚霜冻，以此决定在早春种植作物是否安全。如果气温会回升，滑雪场经营者可以选择稍后再造雪。管理水资源的机构可以在春季汛期来临前开闸放水，或者向水库中蓄水提早为抵抗干旱做准备。当然，你也可以提前计划在下个月才放的假期。
早在几年前，大气科学家就开始发布未来3-4周的“次季节”（subseasonal）天气预报了。我们知道，典型的天气预报（一般是未来7-10天）会提供每天的最高和最低温度、降雨或降雪概率，以及风向和风速。次季节预报主要提供未来某一天的温度和湿度概况，预判它会高于还是低于基于历史数据得到的平均值，同时还会预报危险和极端天气。原本，在短期天气预报和更注重宏观趋势的季节预报（例如太平洋的厄尔尼诺现象是否会造成北美夏季偏暖）之间存在巨大的鸿沟，次季节预报恰好填补了这个空缺。
次季节预报正在不断发展中。例如，我和美国迈阿密大学的同事一起领导的团队做了一个叫做SubX（Subseasonal Experiment，次季节实验）的气象模式，它提前几周准确预报了多种气象变化：2018年迈克尔飓风带来的降水增加；2019年1月底美国中西部的一次强烈的冷空气暴发；以及2019年7月阿拉斯加的热浪。SubX项目是从3年前启动的，目前已经集合了美国和加拿大7家主要的气候和地球研究中心的预报信息。
为了撰写本文，我在2020年2月27日用SubX制作了未来23-29天美国和全球的预报地图。结果显示，美国东部将会比平常偏暖，而西部则比平常偏冷。东海岸将早早迎来春天，而西部漫长的冬季将继续下去。继多雨的2月以后，东南部的降水相比往年仍将偏多。当然，这些预报有一些是正确的，有一些则不然。
关键气象因素
目前，未来7-10天的天气预报是通过计算机模型模拟大气变化推导出来的。这些模式使用的数理方程描述了大量信息，包括温度、风、水汽是如何在每分每秒上变化的。这种预报模式诞生于20世纪50年代，随着计算机技术的快速发展，我们对气象变量的理解更加深入，预报能力也在稳步提升。在1990年，只有未来3天的天气预报准确率能达到80%以上，如今，未来3天、5天、7天的预报都可以达到这一水平。
就像7天预报一样，在做3-4周的预报时也需要从当前的天气状况出发，只是需要考虑更多的影响因素。全球各大气象和空间机构（如美国海洋和大气局、美国航空航天局）每天都会用探空气球、气象站、飞机和卫星收集约400万份数据（包括气温、气压和风向、风力、湿度等），大气科学家再把这些数据集合到一个天气模式中。
为了将7天的预报延长至3-4周，气象学家还要考虑其他因素，包括海洋的温度和洋流等。另外，他们也需要分析土壤的情况：持续几日的暖干天气会减少土壤中的水分，进而导致蒸发和降水减少，以此诱发干旱事件。来自平流层高处的风（比飞机飞行的高度更高，在地面以上10-48千米）也要被纳入考虑，它们会影响急流的位置和强度，而这又会引导北半球的风暴从西向东移动，并影响极端温度事件的发生。
次季节预报模式还必须考虑某些全球性的天气和气候现象，其中之一是马登-朱利安振荡（Madden-Julian Oscillation，MJO），这是一种生成于热带印度洋和太平洋洋面的大面积的云、雨、风系统，会在数月内由西向东环绕地球一周。MJO每年发生4-6次，有时连续发生，有时随机发生。MJO影响风场、大气高低压中心的位置，以及很多地区锋面生成的位置。例如，MJO对大气河（atmospheric rivers）和北美西部降雨都有很大影响。大气河是从太平洋中部延伸至北美西海岸的长而窄的强降雨带，可能导致灾难性的洪水，但同时也提供了珍贵的水资源。MJO还可以影响局地的风切变强度，因此，也会在周尺度上影响热带气旋生成的位置，这可能就是SubX能够成功预报迈克尔飓风的原因之一。
北大西洋涛动（The North Atlantic Oscillation，NAO）是另一个影响因素。这是一种北大西洋大气高低压中心的持续耦合现象，可以影响急流和极涡的位置，后者可以驱动北极的极寒气团南下侵入美国东北部和欧洲。
预报未来3~4周的天气，所需的初始信息其实和常规的5天预报是一样的。次季节预报还需要额外输入全球的气象信息，不过要让计算机能够在合理的时间内算出结果，预报模式需要忽略掉一些细节。 （环球科学供图/图）
海量计算如何平衡？
进行次季节预报需要考虑很多变量，即使最强大的超级计算机也会不堪重负。天气预报模式会将三维的大气拆分为网格结构，以网格为单位进行运算。例如，美国海洋和大气管理局（NOAA）最新的全球天气预报模式中就拥有约2亿个网格。其中，最接近地球表面的每个网格覆盖了长13千米、宽13千米、高50米的空间区域。其他网格堆叠其上。越往上，网格就变得越高，到了平流层之上，网格的高度会达到700米。这套模式会计算与温度、压力、水平和垂直风速以及湿度变化相关的方程组，以20秒为间隔预报大气的演变过程。
就像一个个微小的像素组成了你智能手机中的图片一样，这些网格被连接在一起时，也会像一幅完整的图片一样提供关于未来天气的信息。为了预报未来5天的天气，一个模式需要对近百个方程组进行约23000次运算，如果使用一台1500核的大型超级计算机，也需要算上40分钟左右。
在尽可能高的空间分辨率和尽可能快的预报时间（为保证预报具有实际应用价值，需要尽可能快得出结论）之间，气象学家必须找到一个平衡。即便技术发展到现在，5天预报模式也不能模拟出网格内的方方面面。例如，现在还无法体现单体云、雷暴，以及复杂地形（如山脉和海岸线）的影响。如果模式的分辨率提高到每个网格面积6平方千米（相当于边长2.45千米，这是有效表现上述特征所需要的分辨率），要得出未来5天的预报结果，需要花费5个多小时才行。为了能够提供及时的预报信息，本地的气象工作者并不会等这么久。
要把MJO等额外的大尺度因子纳入考虑，创建一个切实可行的预报未来4周天气的模式，我们必须扩大单个网格的覆盖范围。根据不同情况，模式会将网格的数量从2亿减少到200万到1000万之间。如果将网格的边长扩大到50千米或100千米，我们就能以相同的计算能力在40分钟内完成更加复杂的运算，但这不可避免地会忽略掉很多细节。我们可以把未来3-4周的预报看作是低分辨率的图片:仍然可以分辨主要特征，但具体细节却不太清楚。大面积的高温或降水仍然能呈现出大致的轮廓；而微小的局地特征（如特定的暴雨）却变得难以识别。
尽管如此，我们对全球气象的理解已经足够充分，计算已经足够高效，算法也变得足够成熟，这让我们有能力让模式推导出一个气象学家可接受的低分辨率图像。
优中选优
每周，参与SubX的7个中心都会各自做一份未来32-45天的预报，与7天预报相比，这份预报包含的观测数据多了几千组。每个中心都会将数据发送到由美国哥伦比亚大学气候与社会国际研究所管理的中央数据库。接下来，SubX进一步将数据整合到乔治梅森大学的计算机上。像欧洲中期天气预报中心这样的组织，全球大约有10个，他们只是利用单一模式进行次季节预报。而SubX团队是唯一一个能够将多个模式预报结果整合到公共预报服务中的团队。
将7个不同的模式整合后，SubX的预报效果要比任何一个单独的模式都好。部分原因是取了不同预报数据的平均值，还有部分原因是因为利用了每个模式的优势。例如，每个模式都必须估算出每个网格内的云层条件，具体估算方法在不同模式之间略有不同。整合这些模式可以构建出一个最优选择。在针对美国的天气预报中，相比于单一模式系统，SubX在60%的时间里对温度的预报更好，在81%的时间里对降水的预报更好。
SubX的科学家正在探索如何以更好的方式整合这些模式。在过去一年的时间里SubX做了大量工作，利用1999年到2015年间每周的天气记录推算了大量3-4周的预报结果，生成了一个拥有超过20TB信息的数据库。在每一次运行完毕后，我们都会将预报结果和3-4周后的真实记录进行对比。这让我们有机会检验各种不同的气候条件对次季节预报的影响。
无论这些结果是否准确，我们都能用来提高模式的预报表现。其中包括我们应该如何更好地重现平流层、MJO和NAO，以及更好地预测这些现象在不同地区对天气的影响。例如，两个为SubX提供数据的NOAA模式团队分别对云、雷暴和降雨的计算方程进行了优化，以更好地模拟MJO。随后，科学家用新模式又做了一轮测试，他们发现针对未来3-4周的预报更加精准了。
现场预报
那么，我在2月27日用subX对3月21日到27日做的天气预报，究竟准不准呢？当时生成的预报图显示：在美国，伴随着东海岸地区春季提前、西部地区冬季延长，东部将偏暖，而西部将偏冷，东南部地区将比正常年份更加潮湿。
在东南部，异常的潮湿天气确实持续了很久。在春季积雪融化、密西西比河水位已经偏高的状况下，准确预报降雨还能为当地的防洪减灾措施提供有价值的信息。事实上，新奥尔良段密西西比河的水位在2月27日接近洪水位，3月8日达到峰值后稍缓，然后在3月底和4月初回升，4月12日再次达到洪水位。SubX之所以能够准确预报，部分原因是它成功地预测了墨西哥湾的暖海温，这正是东南地区降雨增加的关键条件。另外，SubX还预报了西海岸将比正常情况下更冷，以及加利福尼亚州北部和加拿大沿海的不列颠哥伦比亚省将更干燥。
在全球范围内，通过准确地预报低压和高压系统的位置，SubX成功地预报了欧洲将比正常情况下更干旱，亚洲将比正常情况下更温暖。而对澳大利亚温度的准确预报，则归功于模式已经能很好地预报MJO，推断与它相关的多云和晴朗的地区。
不过，SubX还是有一些小小的瑕疵，它高估了比以往偏暖的天气在美国中大西洋地区、东北部和俄亥俄河谷的地理范围。另外，它没能准确预测高压和低压系统的一些细节，这也影响了预报的准确性。模式并没有预报出俄勒冈州的降水高于平均水平，不过，导致降水偏多的是一场持续时间较短的暴雨，集中在3月24日和25日。我们在下雨前一周又运行了一次SubX，7个独立的预报模式大多依然没能预报出这场雨。即便预报未来7天的天气，要准确找出导致这次降雨的风暴也是不小的挑战，因为大气中的混沌现象总能以出人意料的方式出现。
要想让次季节预报做到像7天天气预报那样准确，我们还有很长的路要走。但一大批大气科学家正在努力工作，试图让它变成现实。或许在10年后，当你在手机上查看天气时，会在“28天预报”的标签里看到一颗太阳或一朵云的图标。
（Scientific American 中文版《环球科学》授权发表，赵寅翻译）
凯西·佩吉恩（Kathy Pegion）