嘿，谷歌，天气怎么样？ 我们已经习惯于根据未来三、五或七天的准确天气预报来做决定。 家庭计划即将到来的周末烧烤。 如果即将结霜，柑橘农会保护橘子树。 应急管理人员会疏散位于野火下风向的城镇。 河流沿岸的社区准备沙袋，以在暴雨来临时保护房屋和企业。
但是，各种决策都可以从长达三到四周的准确预测中受益。 农民可以通过了解是否预计会出现晚霜来确定早春播种农作物的安全性。 如果气温可能在可以铺设底基层之前再次回暖，滑雪场经营者可以选择等待开始造雪。 水务管理者可以为了应对春季洪水而降低水库水位，或者在预计干旱时蓄水。 当然，您还可以计划下个月的假期可能会是什么样子。
在过去的几年中，大气科学家已经开始发布“次季节”天气预报，其时间范围可延长至三到四周。 典型的 7 到 10 天展望提供每日最高和最低气温、降雨或降雪的百分比以及风力条件。 次季节预测根据历史数据预测给定日期的气温将高于还是低于平均水平，以及将比正常情况更湿润还是更干燥。 它还预报危险和极端天气。 这个时间范围填补了短期天气报告和季节性预报之间的巨大空白，季节性预报预测了诸如太平洋的厄尔尼诺现象是否会给北美带来温暖的夏季等广泛趋势。
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次季节预报正在改进。 例如，一组被称为 SubX（次季节实验）的天气模型，由我在乔治梅森大学和我在迈阿密大学的同事领导，提前几周准确预测了 2018 年飓风迈克尔相关的降雨量增加、2019 年 1 月下旬美国中西部的严寒空气爆发以及 2019 年 7 月阿拉斯加的热浪。 SubX 项目于三年前启动，汇集了来自美国和加拿大七个主要气候和地球研究中心的预报。
作为本文的练习，我在 2 月 27 日使用 SubX 创建了美国和世界 3 月 21 日至 3 月 27 日的预报图——时间跨度为 23 至 29 天。 地图预测美国东部气温高于正常水平，西部气温低于正常水平。 它们表明，早春天气将在东海岸盛行，而漫长的冬季将在西部持续。 继二月份的潮湿天气之后，东南部将继续比平时更加潮湿。 几个预测非常准确。 有几个不准确。
全球天气驱动因素
我们依赖的 7 到 10 天天气预报是基于模拟大气如何演变的计算机模型。 它们包含数学方程式，用于估计温度、风和湿度如何每秒和每天变化。 自 20 世纪 50 年代天气模型诞生以来，由于对这些变量的科学理解的提高以及计算能力的进步，预报不断改进。 1990 年，只有三天预报的准确率达到或超过 80%。 今天，三日、五日和七日展望都达到了这个水平。
在 3-4 周的预报中，必须考虑更多因素。 与 7 天预报一样，此练习从当前天气开始。 每天，包括美国国家海洋和大气管理局和 NASA 在内的世界各地的大型国家气象和空间机构提供大约 400 万个来自探空气球、气象站、飞机和卫星的空气温度、大气压力、风和湿度观测数据。 大气科学家将所有这些数据组合在一个天气模型中。
来源：珍·克里斯蒂安森
为了将 7 天预报延长至三到四周，他们纳入了其他因素，包括海洋的温度和洋流。 他们分析土壤条件：几天的温暖干燥天气可以去除土壤中的水分，随后土壤通过蒸发提供的湿度减少，进一步减少降水，并可能开始走向干旱的道路。 他们还考虑了平流层中的风，平流层从地球表面上方约 10 到 48 公里处延伸——比飞机飞行的高度还要高。 这些风影响着急流的位置和强度，急流通常将风暴从西向东移动穿过北半球，并决定极端气温可能发生的位置。
次季节模型还必须考虑到某些全球天气和气候现象。 其中之一是马登-朱利安涛动 (MJO)，这是一大片云、雨和风，始于热带印度洋和太平洋，并在几个月内从西向东环绕全球移动。 这种事件每年发生四到六次，有时连续发生，有时随机发生。 MJO 影响着风、低压和高压中心的位置以及锋面在许多地区出现的位置。 例如，它对大气河流（从太平洋中部延伸到北美西海岸的狭长条带状强降雨带）形式的北美西部降雨量有很大影响。 大气河流可能导致毁灭性的洪水，也可能是急需的水源。 MJO 还可能每周增加某些地方的风切变，减少其他地方的风切变，从而影响热带气旋的形成地点，这很可能是 SubX 成功预测飓风迈克尔的一个因素。
北大西洋涛动 (NAO) 是另一个因素。 它是北大西洋北部持续存在的高低气压耦合。 它会影响急流的位置以及极地涡旋的位置，极地涡旋会将极寒空气从北极向下驱动到美国东北部和欧洲。
海量数据运算
计算次季节预报需要如此多的运算，使用如此多的变量，以至于即使是最强大的超级计算机也感到吃力。 模型将三维大气划分为许多小的计算框。 例如，NOAA 最新的全球天气模型大约有 2 亿个盒子。 最靠近地球表面的盒子每个覆盖一块长 13 公里、宽 13 公里的区域，高 50 米。 其他盒子堆叠在它们之上。 随着堆叠向上延伸，盒子变得更高，在平流层中达到 700 米的高度。 该模型使用计算温度、压力、水平和垂直风速以及湿度的方程，预测每个盒子中大气将如何演变，每 20 秒一次。
就像智能手机上图像的像素一样，当组合在一起时，盒子可以给出未来天气的完整图像。 为了做出 5 天的预报，一个模型计算大约 23,000 次的数百个方程； 这个运行使用大型超级计算机上的所有 1,500 个计算核心，大约需要 40 分钟。
气象学家必须在尽可能高的分辨率和足够快以至于有用的计算时间之间取得平衡。 即使是今天的 5 天模型也无法捕捉到盒子中的某些因素，例如单个云、雷暴以及复杂地形（如山脉和海岸线）的影响。 如果模型的分辨率得到提高，使得盒子底座为 6 公里见方——这是有效表示这些特征所需要的——那么生成 5 天的预报将需要超过 5 个小时。 您当地的气象学家不能等待那么长时间来提供及时信息。
为了创建一个适用于 4 周预测的可行模型，该模型包含所有其他大规模因素，例如 MJO，我们必须使盒子更大，从而将盒子数量从 2 亿个减少到 200 万到 1000 万个之间，具体取决于模型。 将盒子宽度扩大到 50 或 100 公里使我们能够使用相同的计算能力在大约 40 分钟内执行所需的许多复杂计算，但我们会丢失细节。 我们可以将 3-4 周的预报视为低分辨率图像的粗糙像素：我们仍然可以看到主要特征，但细节不是很清晰。 大面积的温暖气温和降雨就像一个人的轮廓； 小特征，例如特定的暴雨，很难识别。
尽管如此，我们对全球现象的理解已经足够深入，计算已经变得足够高效，算法也变得足够复杂，以至于这些模型现在可以生成气象学家认为还算过得去的低分辨率图像。
模型教模型
每周，为 SubX 做出贡献的七个中心都会创建自己的 32 到 45 天的预测，其中包含比 7 天展望中包含的观测数据多几千个。 这些小组将这些数据发送到哥伦比亚大学国际气候与社会研究所托管的中央数据库。 SubX 在乔治梅森大学的计算机上组合数据。 SubX 团队是唯一将多个模型集成到公共预报中的团队。 全球约有 10 个其他小组，例如欧洲中期天气预报中心，基于单个模型生成次季节预测。
SubX 创建了一个温度图，指示预测为高于或低于历史平均水平的区域。 它还生成了一个降水图，显示区域将比平时更湿润还是更干燥。 与任何单个模型相比，组合七个模型可以产生更好的展望，部分原因是平均它们的数据，部分原因是利用每个模型最擅长的方面。 例如，每个模型都必须估计每个盒子内的云层状况，并且它们都略有不同地做到这一点。 组合模型可以创建一个最佳情况估计。 对于美国预报，SubX 预报在温度方面优于最佳单个模型的 60%，在降水方面优于最佳单个模型的 81%。
SubX 的科学家正在探索更好地组合模型的方法，我们也在通过回顾过去来改进它们。 在一年多的时间里，SubX 运行了许多 3-4 周的预报，从 1999 年到 2015 年的每周天气状况开始，并生成了一个包含超过 20 太字节信息的数据库。 对于每次运行，我们将预报与三到四周后发生的实际天气进行了比较。 这使我们能够测试许多不同气候环境的影响。
我们现在正在使用我们识别出的准确性和不准确性来提高模型的性能，包括它们在多大程度上可以代表平流层、MJO 和 NAO，并预测这些现象对各个地区天气的影响。 例如，向 SubX 提供数据的两个 NOAA 建模小组改进了他们用于云、雷暴和降雨的方程，以更好地描述 MJO。 然后，他们回顾了过去的实际天气，并表明新制作的历史 3-4 周预报更加准确。
来源：凯西·佩吉恩
测试：3 月 21 日至 27 日
那么 SubX 在 2 月 27 日对 3 月 21 日至 3 月 27 日的预报中表现如何？ 它为美国创建的地图预测东部气温温暖，西部气温寒冷，以及东海岸早春天气和西部漫长冬季。 预计东南部将比正常情况更潮湿。
异常潮湿的天气确实在东南部持续。 除了春季融雪和已经处于高位的密西西比河之外，降雨预报本可以为该地区的防洪准备工作提供有价值的信息。 事实上，2 月 27 日，新奥尔良的密西西比河接近洪水位，在 3 月 8 日达到顶峰后略有消退，然后在 3 月下旬和 4 月初再次上涨，并在 4 月 12 日再次达到洪水位。 SubX 表现良好，部分原因是它成功预测了墨西哥湾温暖的海洋温度，这是东南部降雨的关键条件。 SubX 还预测了西海岸沿线低于正常水平的寒冷条件，以及加利福尼亚州北部和不列颠哥伦比亚省沿海地区的干燥条件。
在全球范围内，SubX 通过正确预测低压和高压系统的位置，成功预测了欧洲上空低于正常水平的干燥条件和亚洲上空高于正常水平的温暖天气。 澳大利亚的准确温度预报与模型预测与 MJO 相关的多云和晴朗区域的能力有关。
SubX 高估了美国大西洋中部、东北部和俄亥俄河流域地区异常温暖天气的地理范围。 高压和低压系统的某些细节没有得到正确预测，这损害了预报的准确性。 该模型也未能预测俄勒冈州高于平均水平的潮湿条件，尽管强降雨持续时间相对较短，发生在 3 月 24 日和 25 日。 构成综合 SubX 预报的七个单独模型中的大多数（我们在降雨前一周再次运行了这些模型）也没有预测到这一点； 产生降雨的风暴即使对于 7 天预报来说也是一个挑战。 大气中可能会意外地出现混乱。
在次季节预测达到与 7 天天气展望相同的水平之前，我们还有很长的路要走，它们可能永远不会那么好。 但是一大群大气科学家正在努力实现这一目标。 每周，我都会发布来自所有七个模型以及组合 SubX 模型的全球四周预报。 NOAA 的气候预测中心反过来又使用 SubX 的指导发布美国 3-4 周展望。 也许在十年后，当您瞥见手机上的天气预报时，您会在角落里看到一个太阳或云朵图标，上面写着“28 天展望”。