前言
天气预报往往在大家的生活中常见，比如在电视上、网站上、手机APP等都可以看见各式各样的天气预报，往往专业的天气预报是由所处地气象局发布出来的数据，你也许会觉得这个天气预报不太准确？没关系，来做一份独属于你自己的天气预报！
天气预报的数据从哪里得来？
无论是你还是气象台，人工预报的起点都是“数值天气预报”。简单来说，数值预报就是超级计算机利用世界各地传输的实况数据，根据物理原理解数学方程得到的结果。这样的数值预报就是由“物理模式”输出的。随着这几年AI气象大模型的发展，“AI模式“在很多应用场景上在逐渐取代物理模式。AI模式和物理模式可以说各有千秋，传统上气象领域上使用的最多的仍是ECMWF/EC（欧洲全球数值模式）、GFS（美国全球数值模式）这两个全球天气数值模式。这两个数值也将被“强制”参加本次预报比赛，他们对本次预报地点的预报也将会被记录并一起加入排名。
即使电脑数值看似无所不能，人工针对某具体地点修正后的预报往往更加准确。这是因为全球数值预报的格点较粗（如EC为9km），且对地形简化较大，无法很好计算具体到某一点的天气。例如EC模式在去年冬季的预报过程中往往高估深圳中学每日最低温，深中气象社分析这是由于预报的晚间云量过大的误差导致的。晚间云量大会导致辐射降温在模式中计算得偏弱，也就导致了最低温预报的偏高。云量过大的误差很有可能是由于EC不能很好的模拟深中附近的地形而导致的。另外，数值中的微观及中尺度物理、化学及动力过程也大多由简单参数化处理，而云量又受到云物理等微物理过程支配。因此，数值报不准某地某时刻的云量是再正常不过的事情。
可见，每个模型输出的预报都可能存在着相当大的问题，会忽视，算错，或者过度重视一些因素，需要人为纠正。人工预报的修正包括：重新考量模式可能忽略或出错的环节，综合参考多个数值，观察实况数据和预报地点地形，以及根据经验找规律等等。这一次比赛，相信很多同学都能打败电脑数值！
开始做预报！从全球数值出发
了解了上述知识，我们就可以开始做一个自己的天气预报了（以首届深气联天气预报大赛地点福永站为例）。首先我们要知道福永站的经纬度： 22.677N, 113.829E，利用某些地图软件就可以查询到此地点位于广东省深圳市宝安区福永大道287号（福永街道街道办附近）
做预报的第一步可以是看数值们给出的预报结论，我们一般先大致浏览数值预报对未来几天给出的形势判断，这里介绍一个最实用的网站：www.windy.com ，在该网站上你可以找到EC和GFS数值的在全球范围内的可视化。有关更详细的全程使用windy网站做快捷的高水平预报的教程请点击这里。
我们经常使用的查看数值预报结论的网站：meteologix.com，在上面找到福永站的地点，就可以得到各气象数值机构的原始气象数值。如果你要查看福永站的信息，可以打开这个链接：https://meteologix.com/cn/forecast/1810826-fuyong/meteogram
如上图所示，该网站的“Forecast XL”界面罗列了福永街道未来几日所有可用数值的温度预报结论，最高最低温的预报数据一目了然。用户也可以选择降水（precipitation）和gust（阵风）数据。网站提供给了多种数值的预报（在网站中”model selection“下面选择不同数值），你会发现不同机构预报出来的数往往有很大分歧。该相信哪个数值呢？你可以直接按照直觉选择你平时最信赖的数值。其他的办法包括：在windy.com中使用实况vs数值对比功能来找规律（详见有关windy的文章），还有就是取所有或者某些数值的平均值，最后当然还有使用你平时的（或即将累积的）预报经验。
接下来，我们可以利用这个网站上给予的数据，给出我们最初始的天气预报数据。如果这里我们直觉上选择只参考EC的预报（EC的准确率通常比其他数值高，但也时而比其他数值差），以预报8月20日为例，8月20日EC数值给出的的初始数据如下：
- 气温：26.6℃-28.3℃
- 最大阵风：9.2m/s （提交预报时取整数：9m/s）
- 降水量：48.2mm
要注意的是，我们得到的这个数据为超级计算机计算后的原始数据，并未经过人工修正，此时距离较为准确的预报数据还需要做很多工作。
刚刚得到的原始数据，其实是来源于EC数值的决定报（Deterministic run）。每个数值除了有决定报，还会包括几十个成员预报，这些成员的预报结论和决定报都略有不同，它们的集合叫做数值集合预报（Ensemble Forecast）。集合预报的发明是为了抵消大气这个混沌系统发展中的各种不确定性。数值通过微调初始数据场的数据来得到多个不同预报结论的结果，有的报得高，有的报得低，有的报得很极端，因此就会出现一个预报数值的区间。
如果你想看到集合预报，你可以在上面的页面切换到左下角的ENSEMBLES页面，选择一个机构的数据，就可以看到集合预报了（如下图）。选中的天数的数值集合平均值，中位数，最低最高值都会在图片下方显示。集合平均值（Ensemble Mean）有时候是一个很好的参考指标。
进阶——中尺度数值天气图
上面介绍的都是全球天气数值。另一种数值预报叫做中尺度数值预报。中尺度数值一般是区域数值，因为它聚焦于某个较小区域，因此它能够把计算机的算力更多放在计算更小的格点上。因此，中尺度数值的水平解析度精度高，能够更好的捕捉一些中尺度降水系统（如零散雷暴云团等）的发展。华南的夏季经常有零散雷暴出现，而全球数值很多时候较难预报准这些零散降水的落区，因此，参考中尺度数值在一些时候是有必要的。
windy上没有中尺度模式，因此我们需要在中央台（NMC）的这个网址（http://www.nmc.cn/publish/area/china/hws.html）上找数值输出的天气图来看。天气图，是指填有各地同一时间气象要素的特制地图。天气图是气象部门分析和预报天气的一种重要工具。天气图分地面天气图及高空天气图，主要层次如850百帕（hPa)、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕等天气图，同一时刻上、下层次配合，可了解天气系统的三度空间结构。如下图显示的是CMA-MESO中尺度数值对全国范围内8月20日的500 hPa（大约5600m层面） 位势高度及850 hPa（大约1500m高度） 风速风向的预报，预报时间是右下角所示的8月20号8时（北京时间）。
在天气图中，850 hPa风场是看水汽输送的重要层面。该层面南风风力越大，说明从南海或太平洋吹来的水汽量越大，那么有良好的动力条件触发，就会形成降水。动力条件主要包括：副高位置，沿海地形，底层幅合，低层风切边或曲率等。副高边缘位置通常可以通过500 hPa 天气图上“588”（即5880位势米）等高线来判断。一般而言，如果某地在588线内的腹部区域，说明该地受到副热带高压控制，下沉气流较明显，不利于有组织的雷雨发展；但如果某地在副高边缘附近地区，则容易受到副高边缘不稳定气流影响，而产生零散或有组织性的雷雨。底层幅合在广东沿海的主要形式是南风（季风）上岸时遇到海岸线及山脉摩擦力增大而导致风速减弱，上岸的南风风速突然减弱会加强底层幅合。低层的切变指的是如850 hPa或者925 hPa层面的风场显示有风向沿着某条线改变的迹象，曲率则指的是风场上显示有逆时针旋转的风向。
上图所示的850 hPa风场中就显示了华南地区8月20日降水的原因是在广东境内出现了北风与西南风造成的低涡切变，同时西南风水汽供应也十分充足，副热带高压也没有控制广东地区。但是我们也通过对比发现MESO预报中切变线相较EC报的较南，很有可能造成主降水区域最终落在南海海面上，而非陆地，因此我们打算修改之前直接抄下来的EC所预报的降水数据（48.2mm），将降水预报下调至20-30mm这个区间内。我们也可以在上述网页中查看CMA-MESO预报的“24小时降水”来看看模式直接输出的降水量区间是否和我们的预期相符。需要注意的是，中尺度数值输出的降水数据虽然很精细，但不一定比EC或者通过自己看天气图判断更准确。这是因为模式的调试中很有可能有各种各样的偏差（bias）导致模式使用正确的风场/湿度场/高度场等信息，算出不正确的结果。更少的降水意味着云量和最高温度可能也比EC预期要高，因此我们也打算将最高温度调高1度到29.3度。
局部地形的考量
我们要知道，地形对于气象的影响是巨大的。在高中我们就学习过迎风坡（地形抬升降水）、背风坡、海陆风等原理，同样的，我们要做某地准确的天气预报，要熟知当地的局部地形。
打开windy，放大后就可以十分清晰的看到福永街道附近的局部地形（图中红圈），我们可以看到福永街道西南侧为深圳宝安国际机场，即珠江口旁；东侧是凤凰山（最高海拔376m）,北侧为立新水库。所以根据此类地形，我们可以初步判断在西或西北风可能会让福永街道处于降雨迎风坡，甚至该地西侧的小矮山都能改变局地的降水：富含水汽的偏西气流从两侧绕过该小山时可能在山的背风坡产生降雨云系。该地与珠江口海面的距离以及其北部的立新水库可能会对气温起到一定的调节作用等等… 所以局部地形的考虑是相当重要的，因为在这样的微观尺度，以数值的精度来说是无法考虑周全的。比方说EC的格点精度是9km，而福永站离海边的直线距离仅4.2km，因此EC在计算福永所在的格点时，很可能包含了一半的海洋作为下垫面，因而有可能低估福永这个离海边尚有一段距离的地点的温度。EC“看不见”这个9*9km的格点内发生了什么，它也不知道这个格点内具体的地形特征。因此，我们决定将预报的最高温度再上调1度到30.3度。由于福永测站附近是建筑较为密集的低矮城镇建成区，楼房容易削弱风力，因此我们将最大阵风风速预期下修一点调至8m/s。请点击这里查看更多有关局部地形对天气和你的预报结论的影响。
官方天气预报参考
除此之外，你还可以看看深圳市气象局的官方天气预报作为一定的参考。深圳气象局发布的预报一般针对全市或者市区，如果想看更精细的预报，需要前往它的分区预报页面。不过，该分区预报只能报当天天气，没法预报第二天天气。
由于深圳台预报的区域较大，数值不够精确（如温度仅精确到整数，风速仅有平均风速级数，没有阵风预报和降水量预报），可以作为对深圳未来几天天气形势发展判断的依据，但不能作为最佳的对于福永街道天气的参考。中国天气网提供更详细的分区天气预报，如宝安区预报：点击这里。官方/机构预报可以成为上述所讲的数值预报的一个补充和对比，帮助参赛者综合得出自己的预报结论。请看这篇文章来帮助你更详细地参考官方预报和官方软件来辅助你的预报。
实况及经验公式
虽然放在最后，但是这可能是预报准确最重要的一环。首先我们可以参考预报日前一天的实况，这是由于在两天天气系统背景较为接近时，实况可能也较为接近。当你发现第二天的某些天气环流背景有小幅度改变时，你的预报就可以是基于最近两天的实况的小幅修改。你也可以在比赛中或者比赛前将自己的预报对比一天后该站点的实况数据来验证属于你的预报理论，得到自己的“经验公式”，或者对比各大数值的预报和该站点的实况数据来验证哪个数值更加靠谱。在下次预报时，你就可以通过经验推导来修正你的天气预报了。我们相信很多同学都能在这五天的预报中逐步找到规律，提升预报水准。
查看实况的深圳市气象台网站为：点击这里。在区域内选择宝安区，更换不同的气象要素，右侧显示的福永街道站数据即为首届比赛的站点数据。需要提醒大家的一点是，请在预报日第二天再查询预报日（即前一日）的实测数据。虽然预报日在当日20时结束，但该网站有一些不自洽的设计会导致20:00-23:59分查询到的预报日数据可能会比较奇怪（特别是日雨量要素）。有个窍门：可以通过将时间调整到某日20时然后选择查看24小时滑动降水量来查询最准确的某日降水量。其次，你也可以使用这个实况网站翻找历史数据，查看此站点与其附近站点的实况有何区别或者与市区内福田、罗湖等地站点有何区别，总结这些区别的规律来修正你的定点预报。你也可以在手机使用“深圳天气” APP来查看福永站的实测天气（详见这里）。
最后，在深圳市气象局的网站中，你可以查看雷达图像，通过雷达回波（简单来说颜色越深降水越强，在香港天文台HKO网站的雷达中有降水量的大概判断）的走向判断未来几个小时内降水的落区及降水强度，可能有利于你预报在当天晚上可能出现的降水量。
HKO雷达图像网站：（点击这里）
深圳台雷达图像网站：（点击这里）
另外，你还可以通过查看深圳气象台的温度监测以及页面右侧其他的监测地图数据来帮助你一眼丁真福永站附近的小气候与深圳别处有何不同：
上图所示是8月某日凌晨三点深圳的气温分布图。一般而言一天的最低温度就出现在凌晨前后。可以看到全市的温度以西部沿海（即福永所在地）为最高，比市区还要偏高0.5-1度。这很可能是因为晚间吹西南风，海水温度在晚上较陆地温度下降慢，而导致深圳市西部沿海降温也比较慢。这就是深圳的西部滨海小气候的一个特征。因此，我们决定将预报的最低温度也向上修正0.5度到27.1度。有关本地区微观气候的更详细介绍请点击这里。
得到最终的预报结果
综上，从全球数值开始，参考了中尺度数值，机构预报，实况对比和地形调整后，就可以得出一份属于你的明日天气预报。以预报8月20日举例，得到的结果如下：
- 气温：27.1℃-30.3℃
- 最大阵风：8.0m/s
- 降水量：25mm
结果展示
最终实况（2024/8/19 20:00-2024/8/20 20:00）
- 气温：26.9（-0.2）℃-31.2（+0.9）℃
- 最大阵风：8.6m/s（取整数9m/s，与EC原始预报相符！）
- 降水量：8.8mm （仍然高估了当日降水，可见降水预报的难度）
此结果的误差得分为：
- 气温EP：0.2+0.9=1.1
- 最大阵风EP：（9-8）*0.5=0.5
- 降水量EP：（25-12.6）*10*0.02+（12.5-8.8）*10*0.04=2.48+1.48=3.96
- 总EP：1.1+0.5+3.96=5.56
有关于比赛分数计算细则：https://stuweather.club/wxchallenge_rules/
文章制作：深圳技术大学气象研究工作室，深圳中学气象社
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