唐驳虎：暴雨红色预警下的华北，两天下了一年的雨

核心提要：

1. 杜苏芮在华北造成的暴雨进程基本过半，本次暴雨让河北、山东多地降水量突破历史极值，但预报的暴雨中心出现一定偏差，甚至还出现了“应对过度”的质疑。

2. 天气预报产生偏差的原因很复杂。一方面，大气是一个混沌的系统，任何误差经过指数增长都会造成极大的偏差；另一方面，数值预报受限于分辨率和算力规模。区域模型分辨率高但覆盖小；超算可以满足算力，但费效比不合理。

3. 各国气象中心都运行着不同天气模型的超级计算机。因此，对于“杜苏芮”带来的降雨，欧美数值预报和中国气象局预报存在分歧。对于6号台风“卡努”的预报，各方又出现了巨大分歧。

4. 不过，对于水火灾害宁可“十防九空”，有一次中招就是不可承受之痛！因此要保持足够警惕。未来几天，还需密切关注临近预报，继续关注降雨形势。

作者｜唐驳虎

凤凰新闻客户端荣誉主笔

编辑｜屈功泽

7月29日周六18点，中央气象台就华北暴雨形势发布暴雨红色预警。

这是自2005年建立天气预警机制以来，第二次国家级暴雨红色预警（第一次是12年前的2011年9月29日台风“纳沙”），显示了这次华北暴雨的严峻性。

中央气象台的暴雨红色预警标准是指，未来24小时2个或2个以上省部分地区将出现250毫米以上的特大暴雨，并有局部地区出现400毫米以上的极端降雨。

到现在（7月31日8点），暴雨过程已经过半。可以阶段总结降雨实况，复盘预报情况，进而更深一层了解天气信息了。

降雨实况

从29日周六晨08时至30日周日晚20时的36小时，北京中南部、天津、河北东北部和中南部、山西东部、河南北部、山东中部和西南部等地累计降雨量100～250毫米。

其中北京房山和门头沟，河北保定、石家庄、邢台、邯郸，山西阳泉、晋中、晋城，河南鹤壁、新乡等地320～480毫米，河北石家庄、邢台、邯郸局部地区达500～630毫米。

河北石家庄高邑（205.6毫米）、河北保定徐水（216.3毫米）、河北保定顺平（193.9毫米）、山东泰安泰山（196.4毫米）国家气象观测站日降水量突破历史极值。

上述地区最大小时降雨量40～80毫米，邯郸磁县西王女水库115毫米，河南鹤壁103毫米。最大36小时累计降雨量出现在河北邢台临城县赵庄乡梁家庄村（814毫米）；

临城梁家庄位于邢台市域西北端，24小时最大雨量684.6毫米，至31日8时过程雨量已达998.1毫米，已经成为京津冀范围内历史第二大的过程雨量。

这大幅超过了2016年7月19-20日石家庄市域西南端赞皇嶂石岩景区的816.5毫米，仅次于罕见的1963年8月暴雨中心，邢台内丘獐貘的单日865、三日1457、七日2050毫米大陆极值记录。

实际上，临城梁家庄和赞皇嶂石岩两个站点直线相距仅5公里，而与内丘獐貘乡（本次累计降雨840.6毫米）直线距离也就是17公里。这里正是太行山中段主脉的最高峰——嶂石岩/黄庵垴下。

在这里，海拔1774米的丹霞绝壁高耸矗立，促使水汽上升成雨，集中在山前形成“雨窝”。说明了地形抬升对降雨的巨大促进作用。另外，山后的山西晋东南一带也受影响。

对年均雨量700毫米的太行山雨极而言，本次暴雨已超越1996年8月和2016年7月，成为仅次于1963年8月的整整60年来最大的一场暴雨。

并且也超过了“杜苏芮”作为强台风登陆福建的最大降雨量——福建莆田涵江区白沙镇813毫米。

这也应了临近预报指出的，第一暴雨中心是石家庄-邢台西部的中太行山区，普遍超过250毫米、局部超400毫米。

但是，临近预报预测的第二暴雨中心却有一定偏差。除了京西南如期暴雨外，预报雨量一般的保定市区也出现了特大暴雨，而北京中心市区的降雨量似乎不及红色预警的预期。

有人要抱怨“不该做这么多准备”，“果然天气预报是反的”“渲染怎么强结果啥都没有。”如何看待预报和实况的差距呢？

各国自动数值预报模型

首先需要了解天气预报的原理。现代天气预报是科学系统工程，数值预报是现代天气预报的基础和核心，是对大气状态的量化和计算推演。

用数以亿计的观测数据作为初始条件，基于一系列复杂的大气数学物理方程组，在强大的超级计算机集群上以每秒超亿亿次的计算，生成未来一段时间大气场景的三维数据，再转换为天气图景。

各个大国都有自己自动运转更新的数值天气预报系统，其中作为气象界最重要基本资料的，是覆盖整个地球的四大特别是欧美两大全球气象预报系统。

欧洲EC：全称 European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（欧洲中期天气预报中心，ECMWF），是欧洲国际性的天气预报研究和业务机构，也是运算规模最大的全球气象预报系统。

美国GFS：全称 Global Forecast System（全球预报系统），是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）下设机构国家环境预报中心（NCEP）运行的全球模型，是仅次于EC的第二大数值预报系统。

德国ICON：全称 Icosahedral Nonhydrostatic（二十面体非流体静力建模框架），奇特的名字表明它用二十面体网格三角形标准切分球面而非经纬度网格，提供均匀的全球覆盖。由德国国家气象服务机构（DWD）运作。

加拿大GEM：全称 Global Environmental Multi-scale model（全球谱模式天气预报），这是加拿大气象中心（CMC）运作的全球数值预报系统。

另外其他国家还有一些覆盖本国及周边的区域性数值预报系统，其中一些系统的运算结果向全球公开。并有机构把这些运算结果转换为直观可视化的气象动态风云，便于公众查看参考。

四家全球数值计算系统公开的模型精度和预报时间是这样的：

欧洲EC：计算网格尺度约9公里，预报时间10天

美国GFS：计算网格尺度约22公里，预报时间14天

德国ICON：计算网格尺度13公里，预报时间7天

加拿大GEM：计算网格尺度约25公里，预报时间10天

在把整个地球表面5.1亿平方公里切分为几百万个网格，并输入各网格的大气数据后，各家的预报多是每6小时滚动更新一次（加拿大是12小时一次），提供的未来预报时间段间隔为3小时。

可见，欧洲EC的计算粒度最细，美国GFS追求更久一点的预报时间，但网格精度也大幅下降。

▎欧洲EC的超级计算机集群，2021年换新机器大幅提升

所以算力规模是欧洲EC第一、美国GFS第二。而德国和加拿大受制于算力，都缩减了分辨率、预报时间和更新周期。

数值预报的局限性

要模拟所有基本的大气过程，需要提供大气状态的物理描述，包含温度、湿度、气压、风场等大气变量，还要包括地形、土壤类型、地表反照率和植被特性，海洋温度和太阳辐射强度等等。

在模型网格上汇总这些地理空间数据后，第二步是基于超级计算机，把各式各样的观测数据进行处理，运用大气物理学的规律，求解一组大气动力学的简化方程。然后努力的运算，得出数值预报结果。

但是因为大气是一个混沌的系统，这也意味着模型从输入到运算的任何误差都会随着时间推移呈指数增长，最终完全偏差。

而对一开始的数据输入而言，即使欧洲EC的9公里计算网格尺度，对于精细的天气模拟也太过于粗糙了。数值预报的局限性，首先就在于分辨率和算力规模。

区域模型具有更高的分辨率，可达到3公里、2公里、甚至1公里。更高的分辨率让它们能够发现被全球模型所遗漏的特征，尤其是对流天气。

但区域模型仅能覆盖全球的某些部分区域。决定天气尺度的系统，依然要依靠全球模型。

2022年，中科大地空科学系和计算机系联合攻关，他们建立了跨尺度大气模型（iAMAS），在新一代国产神威超算平台上，首次实现了全球3公里分辨率的大气数值模拟计算。

数值模拟试验表明，在使用3900万个处理器内核（约10万颗申威新CPU）时，可以实现每小时计算未来0.82天的速度。这样就可以在通常的6小时更新周期内，计算未来近5天的全球天气预报。

▎2019年世界主要气象机构超算计算能力（中国气象报社）

但是像之前国家超级计算无锡中心的“神威·太湖之光”也只是4.1万颗260核申威CPU、1000万个内核，计算能力十亿亿次。

需要专门构建一台10倍算力的百亿亿次E级超算，投入全部算力资源，才能实现全球3公里分辨率的10天预报。不是做不到，也不是没有，是费效比实在不太合理。

而且进一步提高数值预报精度，最大的难点还不是计算和分辨率，而是观测信息。全球的观测信息从哪来？除了地面搜集的数据，像海洋和两极就只能靠卫星遥感。

但是大气不是一个平面，是主体厚约10公里、上下互动影响的立体空间，最重要最关键的是垂直各层的信息。

但是相对最可靠的垂直分层信息观测，只有部分地区每天放飞2次的探空气球，空间和时间密度都很低。而且这个信息往往只有当地放飞气象台和本国气象部门掌握。

但却是这样的大气波动垂直信息，与中小尺度天气系统的生长消亡息息相关，也就在相当程度上决定了降雨落区的具体位置。

另外，提高垂直分辨率，不仅在数据的可得性上大为受限，在计算资源成本消耗上也是昂贵的。这些难点不可能完全解决。

所以，即使是数以亿计的观测数据，用于描述地球大气这么一个主体至少60亿立方公里的超级混沌复杂系统来说，还是太过于粗糙了。这就是天气预报最大的挑战。

预报回顾

前两期文章提过，早在7月25日周二，欧洲EC根据“杜苏芮”的北上路径和副热带高压位置，最先算得京津普遍累计降雨400mm、京津之间超500mm，局地爆出800到900mm，引发了气象界的关注。

但是中国气象局CMA自动模式当时则认为副高强度偏弱、西伸不强，这样降雨强度一般，位置也主要落在了渤海湾和辽宁，只有秦皇岛-绥中-锦州一带受影响。

▎7月25日欧洲EC数值预报，京津至8月4日累计降雨量

当时美国GFS和加拿大GEM对副高强度和暴雨落区的结果则介于中欧数值之间，认为降雨中心在京东三河-唐山-秦皇岛一带，各方分歧很大。

到7月27日，随着副热带高压不确定性的减少，欧洲EC和美国GFS都开始把强降雨中心调整到北京和石家庄。

▎7月27日美国GFS数值预报，京津冀至8月2日累计降雨量

其中欧洲EC数值认为京津都是超300mm的降雨区，北京中心城区和各卫星城甚至超400mm。美国GFS数值则认为超400mm的暴雨中心是京西山区。

▎离谱的澳大利亚数值预报，白色超400，灰色超500

而一向不靠谱的澳大利亚ACCESS则报出了离谱的数值：包括北京中心城区、京北京西京南，大面积持续降雨500mm以上，京西南800mm以上、最高1486mm的历史级大灾，并坚持至今。

▎7月28日欧洲EC数值预报，京津冀至8月3日累计降雨量

到了7月28日，欧洲EC给出了迄今看来最接近实际降雨情况的数值：降雨中心为石家庄西南、京西南和保定一带。

美国GFS数值把强降雨中心大幅调整到河北西南部，也就是石家庄沿太行山一线，北京基本不受影响。

▎7月29日欧洲EC数值预报，京津冀至8月2日累计降雨量

然而，到了7月29日，欧洲EC数值又取消了石家庄西南的降雨中心，给京西和京北报了超500mm的暴雨中心。美国GFS数值除了缩减石家庄东南方向平原的雨带，基本不变。

另外，虽然GFS数值聚焦石家庄，但把具体暴雨中心都报到了西部的井陉和西北的平山、阜平，并未正确报出西南方向的太行山雨极。可见GFS的模型分辨率尤其是地形精度不足。

当然，关键的还是中国气象局自己的预报。在29日18时与红色预警一同发布的48小时降雨量预报，目前看来基本准确标注了石家庄西部、京西南方向的两个暴雨中心。

但是偏差也是存在的，除了石家庄西南雨极，把从第二天29日夜到31日的暴雨中心，一度以350mm标到了京西近郊，紧邻北京中心城区，引发关注。

这应该是受到中国气象局自己的模型影响：因为在29日晨的CMA数值结果中，超过300mm的降雨中心覆盖了北京中心城区，以及京南房山大兴、京北海淀顺义昌平怀柔等地。

不过，待到12小时后更新的降雨量预报，还是把降雨中心移到了京西南外。毕竟这里才是北京传统的降雨中心区，而后续的实况也印证了这一点。

复杂与现实

各个的国家气象中心都运行着不同天气模型的超级计算机。每一个都略有不同，使用不同的方程来解决塑造天气模式的各种物理过程。

它们还具有略有不同的分辨率，并使用略有不同的初始数据源组合。这些细微的差异随着时间的推移而倍增，这就造成了天气预报的差异。

▎各国机构目前对6号台风“卡努”的路径预报，分歧极大

正式的天气预报，则要由有经验的预报员，试图综合归纳各种数值预报的预测，给出更接近的结果。这就是集合预报。

至于暴雨预报，一直是中外天气预报业务最大的重点与挑战之一。因为暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物，高度非线性和复杂。

现代天气预报的水平就是可以做到300公里尺度的区域与趋势正确，但要精确到百十公里的城市尺度的细节就很困难。这样小范围的天气，往往超出了数值模式的预报能力。

从这次暴雨前5天中、欧、美的数值预报摆动，就能看得出来。这主要受到关键因素——副热带高压的位置和形状影响。

副热带高压的位置和形状，不但影响华北降雨区的位置和范围，还影响“水汽泵”——6号台风“卡努”的行进速度，以及副高对水汽加速的情况。

另外，各种促成降雨的中小尺度天气系统，则更加复杂。在大气这个超巨型混沌系统里，计算机自动计算的数值结果摆动甚至跳跃，也是非常自然的。

但是科学工作者一直致力挑战混沌系统的不可能，想尽办法提高预报准确率和精细化程度。

像两年前的郑州“7.20”极端暴雨，河南省气象局早在7月13日就关注到了天气形势，14日开展了两级联合会商，15日报送重要天气报告，并且准确预报出暴雨量级：超500毫米、超百年一遇的巨灾。

太行山南麓的焦作，早在7月15日就开始进入防灾应对状态，并迅速通知和动员到全民，并要求19日（周一，后延长到20日周二）全市继续休假在家，非必要不出行。

然而，距离焦作仅仅60公里的郑州，在自己的西部山区19日已经下了破纪录2倍的特大暴雨的情况下，直到20日下午依然“冒雨如常”，毫无应对的预见性。结果毫无防备地遭遇巨灾……

事后看来，河南气象部门提前5天的重大预报，在降雨中心地点、时间上略有偏差，但最重要的量级和警告是完全准确的，也是给了足够准备、应对、防范时间的。

同时期欧洲EC和美国GFS的预报降水落区较好，报在了焦作以南、郑州往北之间的黄河河道附近，但强度显著偏低，只报出了250毫米，完全构不成巨灾警告。

但就是这样提前5天的重大警告，只因为区区60公里的距离（也就相当于北京的昌平到大兴），就被郑州当地忽视了，最后380人遇难。痛惜！痛心！

这是一个非常重要的常识：现代天气预报特别是暴雨预报的准确率，可以做到300公里尺度的区域与大趋势正确，但是无法排除降雨中心区摆动的可能，关键强降水都是分布不均的。

所以在预报中心周边100~200公里的地区，也应保持足够的警惕。实际上，南方沿海地区防范台风，遵照的也就是这个做法和标准。

水火灾害宁可十防九空，有一次中招就是不可承受之痛！像现在6号台风“卡努”的预报，各方又出现了巨大分歧。

与此同时，除了京津冀一带的强降雨比较集中外，南方多地也出现局部性的暴雨。由于没有副热带高压控制，几乎所有地区都是强对流潜势区，风雨很强。

但是相对的好消息是，原本华北预期三天的暴雨大雨期，现在看来缩短到两天了。未来几天，还需密切关注临近预报，继续关注降雨形势！