嘿，谷歌，天氣怎麼樣？ 我們已經習慣於根據未來三、五或七天的準確天氣預報來做決定。 家庭計劃即將到來的週末燒烤。 如果即將結霜，柑橘農會保護橘子樹。 應急管理人員會疏散位於野火下風向的城鎮。 河流沿岸的社群準備沙袋，以在暴雨來臨時保護房屋和企業。
但是，各種決策都可以從長達三到四周的準確預測中受益。 農民可以通過了解是否預計會出現晚霜來確定早春播種農作物的安全性。 如果氣溫可能在可以鋪設底基層之前再次回暖，滑雪場經營者可以選擇等待開始造雪。 水務管理者可以為了應對春季洪水而降低水庫水位，或者在預計乾旱時蓄水。 當然，您還可以計劃下個月的假期可能會是什麼樣子。
在過去的幾年中，大氣科學家已經開始釋出“次季節”天氣預報，其時間範圍可延長至三到四周。 典型的 7 到 10 天展望提供每日最高和最低氣溫、降雨或降雪的百分比以及風力條件。 次季節預測根據歷史資料預測給定日期的氣溫將高於還是低於平均水平，以及將比正常情況更溼潤還是更乾燥。 它還預報危險和極端天氣。 這個時間範圍填補了短期天氣報告和季節性預報之間的巨大空白，季節性預報預測了諸如太平洋的厄爾尼諾現象是否會給北美帶來溫暖的夏季等廣泛趨勢。
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次季節預報正在改進。 例如，一組被稱為 SubX（次季節實驗）的天氣模型，由我在喬治梅森大學和我在邁阿密大學的同事領導，提前幾周準確預測了 2018 年颶風邁克爾相關的降雨量增加、2019 年 1 月下旬美國中西部的嚴寒空氣爆發以及 2019 年 7 月阿拉斯加的熱浪。 SubX 專案於三年前啟動，彙集了來自美國和加拿大七個主要氣候和地球研究中心的預報。
作為本文的練習，我在 2 月 27 日使用 SubX 建立了美國和世界 3 月 21 日至 3 月 27 日的預報圖——時間跨度為 23 至 29 天。 地圖預測美國東部氣溫高於正常水平，西部氣溫低於正常水平。 它們表明，早春天氣將在東海岸盛行，而漫長的冬季將在西部持續。 繼二月份的潮溼天氣之後，東南部將繼續比平時更加潮溼。 幾個預測非常準確。 有幾個不準確。
全球天氣驅動因素
我們依賴的 7 到 10 天天氣預報是基於模擬大氣如何演變的計算機模型。 它們包含數學方程式，用於估計溫度、風和溼度如何每秒和每天變化。 自 20 世紀 50 年代天氣模型誕生以來，由於對這些變數的科學理解的提高以及計算能力的進步，預報不斷改進。 1990 年，只有三天預報的準確率達到或超過 80%。 今天，三日、五日和七日展望都達到了這個水平。
在 3-4 周的預報中，必須考慮更多因素。 與 7 天預報一樣，此練習從當前天氣開始。 每天，包括美國國家海洋和大氣管理局和 NASA 在內的世界各地的大型國家氣象和空間機構提供大約 400 萬個來自探空氣球、氣象站、飛機和衛星的空氣溫度、大氣壓力、風和溼度觀測資料。 大氣科學家將所有這些資料組合在一個天氣模型中。
來源：珍·克里斯蒂安森
為了將 7 天預報延長至三到四周，他們納入了其他因素，包括海洋的溫度和洋流。 他們分析土壤條件：幾天的溫暖乾燥天氣可以去除土壤中的水分，隨後土壤透過蒸發提供的溼度減少，進一步減少降水，並可能開始走向乾旱的道路。 他們還考慮了平流層中的風，平流層從地球表面上方約 10 到 48 公里處延伸——比飛機飛行的高度還要高。 這些風影響著急流的位置和強度，急流通常將風暴從西向東移動穿過北半球，並決定極端氣溫可能發生的位置。
次季節模型還必須考慮到某些全球天氣和氣候現象。 其中之一是馬登-朱利安濤動 (MJO)，這是一大片雲、雨和風，始於熱帶印度洋和太平洋，並在幾個月內從西向東環繞全球移動。 這種事件每年發生四到六次，有時連續發生，有時隨機發生。 MJO 影響著風、低壓和高壓中心的位置以及鋒面在許多地區出現的位置。 例如，它對大氣河流（從太平洋中部延伸到北美西海岸的狹長條帶狀強降雨帶）形式的北美西部降雨量有很大影響。 大氣河流可能導致毀滅性的洪水，也可能是急需的水源。 MJO 還可能每週增加某些地方的風切變，減少其他地方的風切變，從而影響熱帶氣旋的形成地點，這很可能是 SubX 成功預測颶風邁克爾的一個因素。
北大西洋濤動 (NAO) 是另一個因素。 它是北大西洋北部持續存在的高低氣壓耦合。 它會影響急流的位置以及極地渦旋的位置，極地渦旋會將極寒空氣從北極向下驅動到美國東北部和歐洲。
海量資料運算
計算次季節預報需要如此多的運算，使用如此多的變數，以至於即使是最強大的超級計算機也感到吃力。 模型將三維大氣劃分為許多小的計算框。 例如，NOAA 最新的全球天氣模型大約有 2 億個盒子。 最靠近地球表面的盒子每個覆蓋一塊長 13 公里、寬 13 公里的區域，高 50 米。 其他盒子堆疊在它們之上。 隨著堆疊向上延伸，盒子變得更高，在平流層中達到 700 米的高度。 該模型使用計算溫度、壓力、水平和垂直風速以及溼度的方程，預測每個盒子中大氣將如何演變，每 20 秒一次。
就像智慧手機上影像的畫素一樣，當組合在一起時，盒子可以給出未來天氣的完整影像。 為了做出 5 天的預報，一個模型計算大約 23,000 次的數百個方程； 這個執行使用大型超級計算機上的所有 1,500 個計算核心，大約需要 40 分鐘。
氣象學家必須在儘可能高的解析度和足夠快以至於有用的計算時間之間取得平衡。 即使是今天的 5 天模型也無法捕捉到盒子中的某些因素，例如單個雲、雷暴以及複雜地形（如山脈和海岸線）的影響。 如果模型的解析度得到提高，使得盒子底座為 6 公里見方——這是有效表示這些特徵所需要的——那麼生成 5 天的預報將需要超過 5 個小時。 您當地的氣象學家不能等待那麼長時間來提供及時資訊。
為了建立一個適用於 4 周預測的可行模型，該模型包含所有其他大規模因素，例如 MJO，我們必須使盒子更大，從而將盒子數量從 2 億個減少到 200 萬到 1000 萬個之間，具體取決於模型。 將盒子寬度擴大到 50 或 100 公里使我們能夠使用相同的計算能力在大約 40 分鐘內執行所需的許多複雜計算，但我們會丟失細節。 我們可以將 3-4 周的預報視為低解析度影像的粗糙畫素：我們仍然可以看到主要特徵，但細節不是很清晰。 大面積的溫暖氣溫和降雨就像一個人的輪廓； 小特徵，例如特定的暴雨，很難識別。
儘管如此，我們對全球現象的理解已經足夠深入，計算已經變得足夠高效，演算法也變得足夠複雜，以至於這些模型現在可以生成氣象學家認為還算過得去的低解析度影像。
模型教模型
每週，為 SubX 做出貢獻的七個中心都會建立自己的 32 到 45 天的預測，其中包含比 7 天展望中包含的觀測資料多幾千個。 這些小組將這些資料傳送到哥倫比亞大學國際氣候與社會研究所託管的中央資料庫。 SubX 在喬治梅森大學的計算機上組合資料。 SubX 團隊是唯一將多個模型整合到公共預報中的團隊。 全球約有 10 個其他小組，例如歐洲中期天氣預報中心，基於單個模型生成次季節預測。
SubX 建立了一個溫度圖，指示預測為高於或低於歷史平均水平的區域。 它還生成了一個降水圖，顯示區域將比平時更溼潤還是更乾燥。 與任何單個模型相比，組合七個模型可以產生更好的展望，部分原因是平均它們的資料，部分原因是利用每個模型最擅長的方面。 例如，每個模型都必須估計每個盒子內的雲層狀況，並且它們都略有不同地做到這一點。 組合模型可以建立一個最佳情況估計。 對於美國預報，SubX 預報在溫度方面優於最佳單個模型的 60%，在降水方面優於最佳單個模型的 81%。
SubX 的科學家正在探索更好地組合模型的方法，我們也在透過回顧過去來改進它們。 在一年多的時間裡，SubX 運行了許多 3-4 周的預報，從 1999 年到 2015 年的每週天氣狀況開始，並生成了一個包含超過 20 太位元組資訊的資料庫。 對於每次執行，我們將預報與三到四周後發生的實際天氣進行了比較。 這使我們能夠測試許多不同氣候環境的影響。
我們現在正在使用我們識別出的準確性和不準確性來提高模型的效能，包括它們在多大程度上可以代表平流層、MJO 和 NAO，並預測這些現象對各個地區天氣的影響。 例如，向 SubX 提供資料的兩個 NOAA 建模小組改進了他們用於雲、雷暴和降雨的方程，以更好地描述 MJO。 然後，他們回顧了過去的實際天氣，並表明新制作的歷史 3-4 周預報更加準確。
來源：凱西·佩吉恩
測試：3 月 21 日至 27 日
那麼 SubX 在 2 月 27 日對 3 月 21 日至 3 月 27 日的預報中表現如何？ 它為美國建立的地圖預測東部氣溫溫暖，西部氣溫寒冷，以及東海岸早春天氣和西部漫長冬季。 預計東南部將比正常情況更潮溼。
異常潮溼的天氣確實在東南部持續。 除了春季融雪和已經處於高位的密西西比河之外，降雨預報本可以為該地區的防洪準備工作提供有價值的資訊。 事實上，2 月 27 日，新奧爾良的密西西比河接近洪水位，在 3 月 8 日達到頂峰後略有消退，然後在 3 月下旬和 4 月初再次上漲，並在 4 月 12 日再次達到洪水位。 SubX 表現良好，部分原因是它成功預測了墨西哥灣溫暖的海洋溫度，這是東南部降雨的關鍵條件。 SubX 還預測了西海岸沿線低於正常水平的寒冷條件，以及加利福尼亞州北部和不列顛哥倫比亞省沿海地區的乾燥條件。
在全球範圍內，SubX 透過正確預測低壓和高壓系統的位置，成功預測了歐洲上空低於正常水平的乾燥條件和亞洲上空高於正常水平的溫暖天氣。 澳大利亞的準確溫度預報與模型預測與 MJO 相關的多雲和晴朗區域的能力有關。
SubX 高估了美國大西洋中部、東北部和俄亥俄河流域地區異常溫暖天氣的地理範圍。 高壓和低壓系統的某些細節沒有得到正確預測，這損害了預報的準確性。 該模型也未能預測俄勒岡州高於平均水平的潮溼條件，儘管強降雨持續時間相對較短，發生在 3 月 24 日和 25 日。 構成綜合 SubX 預報的七個單獨模型中的大多數（我們在降雨前一週再次運行了這些模型）也沒有預測到這一點； 產生降雨的風暴即使對於 7 天預報來說也是一個挑戰。 大氣中可能會意外地出現混亂。
在次季節預測達到與 7 天天氣展望相同的水平之前，我們還有很長的路要走，它們可能永遠不會那麼好。 但是一大群大氣科學家正在努力實現這一目標。 每週，我都會發布來自所有七個模型以及組合 SubX 模型的全球四周預報。 NOAA 的氣候預測中心反過來又使用 SubX 的指導釋出美國 3-4 周展望。 也許在十年後，當您瞥見手機上的天氣預報時，您會在角落裡看到一個太陽或雲朵圖示，上面寫著“28 天展望”。