內容提要
在過去一個世紀裡，天氣預報從一項基於經驗、推測，幾乎無技巧可言的活動，演化成不斷提升自動化水平、展示很好的預報準確性的高技術事業。
這一轉變的完成，有賴於我們觀測大氣和通過應用各種物理原理認識大氣現象能力的提升，以及數字計算的發展。
追蹤過去100年裡天氣預報的進步及其背後的科學問題，這種進步被劃分為4個長度為 20-30年的時代。每個時代裡，預報科學和實踐都經歷了重大改變。
時代1
1919年-1939年
1939年3月29日的一張地面天氣圖
天氣圖和圖解法
在這個始於1919年直到第二次世界大戰開始的第一個時代，社會對預報的需求在增加。這一時期的技術使觀測和通信條件得到改進，不過，儘管適用於數值預報（NWP）的運動方程的形式已經提出，但還沒有任何數值解。
1939年，美國預報員一天的工作包括通過電傳得到觀測數據，然後繪圖和分析得到地面圖、海平面以上一萬英尺（1英尺=30.48釐米）圖和等熵面圖。
高空圖被認為是製作降水預報的基礎。預報員利用這些圖確定氣團和邊界。
最重要的技術是天氣系統過去的運動和變率的簡單外推。農業和交通業是主要用戶。
1927年，人類航空史上的先驅、美國著名飛行家查爾斯·林白首次獨自駕機成功飛越大西洋之後，航空氣象服務重要性更加凸顯。
這一時期，國際科學交流非常充分，尤其是在歐洲和美國之間。1917年，位於卑爾根的地球物理研究所創辦，是這種交流最開始的中心。著名的氣象學家羅斯貝就是從這裡「畢業」的。
後來，羅斯貝在麻省理工學院（MIT）創辦了首個氣象系。芝加哥大學和加州大學洛杉磯分校（UCLA）也開展了類似MIT舉辦的預報員培訓，以滿足美國陸軍空中部隊的急迫需求。
時代2
1939年-1956年
1950年前後華盛頓美國中部分析中心的預報員正在工作。
航空時代
在這一時代，技術對氣象的影響開始呈現並快速增大，在預報方面尤其如此。
二戰及「冷戰」的開始，在很大程度上促進了該時代初期的天氣預報。
地面觀測依然是觀測系統的支撐，美國天氣局 （NWS）的地面分析流程傾向於遵循卑爾根學校提出的地面分析原則：確定冷、暖和錮囚鋒。
而通過探空儀提供高空常規觀測，也在這一時代初剛剛興起。
上世紀30年代中後期，MIT開發的等熵分析得到應用，這對於展現天氣系統的3D結構非常重要，特別是在垂直運動領域。
30年代還誕生了一個特別方法，將高層氣流與地面形勢，以500百帕風所表示的24小時地面氣壓趨勢聯繫起來。這一方法在隨後20年裡一直在德國應用。
在美國，1942年NWS在華盛頓建立了中部分析中心，該中心可以生成這類地面和高空天氣圖，並通過傳真發布，為民用和軍事飛行提供天氣信息。
這一時期，飛機也成為實時天氣數據的重要來源。最開始，飛行員用語言報告，並通過無線電設備傳到地面。後來，可攜帶儀器的飛機成了關鍵研究工具之一。
攜帶探空儀系統的無線電傳輸氣球的出現，給天氣預報帶來了革命，而這場革命通過二戰得以加速。
1938年到1946年，全球開展了14.7萬次探空，而1948年到1957年的探空次數比這一數據的10倍還多，主要目的是滿足二戰後大量增加的商業航空需求。
船載高空觀測始於二戰期間，高峰時在大西洋有22條專業船隻，在太平洋為24條。
為了支持跨大洋商業飛行，大西洋上13條船組成的網絡在戰後保留下來；太平洋船隻網絡也一直持續至上世紀70年代，才隨著衛星和自動浮標站出現而淘汰。
二戰後，無線電探測和測距作為探測水汽關鍵工具的作用才被發現。
戰後，多餘的雷達設備轉為民用成為可能。50年代中期，雷達已經在一些機構用於研究中尺度和對流尺度天氣系統。
著名數學家、電子計算機之父馮·諾依曼與包括NWS局長賴克爾德弗在內的決策者接觸。1947年，他們決定在普林斯頓大學先進研究所組成一個小規模的科學家小組，來探討雷達氣象探測相關業務。
時代3
1956年-1985年
瑞典學者BertBolin(左)向挪威和英國同行介紹藉助正壓模式和瑞典BESK計算機系統建立的自動預報系統。
用多種地圖、圖形和NWP預報
上世紀50年代中期，預報在很大程度是主觀的，基於從當時已經建立的全球探空網數據得到的高層環流外推，以及卑爾根學校關於溫帶高層波演化及其與地面氣壓分布的聯繫做出。
第一次NWP預報1956年在瑞典出現，美國則是從1958年開始的，預報信息均可通過傳真機獲得。
從那時起，經歷了長期預報準確性改進的歷程。直到80年代，NWP才成為美國天氣預報的基礎。
在整個時代裡，預報員就業務NWP的局限達成廣泛的共識，模式對實際預報的影響充其量只是參考。
這一時代，衛星遙感和雷達的日常應用，極大地改變了短期客觀預報和大氣研究，尤其是對於中尺度天氣。
1957年第一顆人造衛星「伴侶號 （Sputnik）」的發射帶來了國際空間競賽並由此定義了時代3的開始。
從60年代開始，氣象衛星每天監視整個地球。美國1960年發射的 TIROS-I衛星得到的 圖 像 帶 來 極 大 驚 喜。
到1980年，TIROS-N每12小時提供全球250公裡間隔的晴天垂直溫度和溼度廓線。
70年代中期，地球靜止衛星圖像出現，高頻率、實時雲監測是觀測領域的巨大進步。
衛星雲圖直接展示了大氣結構的新視角，反過來，也完善了三維氣流分布概念模型這一預報員預報的主要依據。
世界氣象組織 （WMO） 要求每6小時開展地面天氣觀測，但是航空方面的需求，逐步讓很多國家實現每小時觀測一次。
逐時觀測可以更好地描述與當前預報相關的天氣形勢是如何演化的。
密集的觀測還突出了以前無法得到的中尺度特徵，如非鋒面風向改變和等變壓分布等。
這一時期，政府開始控制大氣汙染排放，如二氧化硫和氮氧化物。這讓私企氣象學家獲得機會來預報大氣汙染。
1957年，「空間時代」開始，讓很多國家開始重視地球科學。
艾森豪召集成立了總統科學顧問委員會。通過該委員會，來自14所美國大學的科學家成立了大氣科學大學聯盟（UCAR），之後在國家科學基金 （NSF）的支持下，建立了美國國家大氣研究中心（NCAR）。通過與UCAR 成員大學合作，NCAR主要對天氣預報的長期改進作出了貢獻。
1975年，歐 洲 中 期 天 氣 預 報 中 心（ECMWF） 成立，17個歐洲成員國聚集歐洲資源改進天氣預報和氣候數據。
從1980年開始，ECMWF每天製作全球預報。
時代4
1985年-2018年
1993年3月13日波士頓當地報紙BostonHerald頭版報導的劇烈天氣信息
（報紙標題：《全…靠你自己》，編譯者注）。來源：Uccellinietal.（1995）
現代化時代
在這個離我們最近的時代，NWP毫無疑問主宰了預報過程。
從NWP演化，到進入21世紀NWP模式穩定改進，預報員花費更少時間訂正預報，卻更加關注向非氣象人員交流和解釋NWP指南以支持決策。
從上世紀80年代中期到90年代中期的關鍵改變事件，包括得到極大改進的數據同化（DA） 方法的引入和更有效的全球模式。
尤其是全球模式，90年代引進的替代探空類數據的衛星輻射反演探測數據的直接同化是一個重要跳躍。
更加有效的區域模式出現，藉助改進的高頻率觀測，包括雷達和衛星，創新了利用這些觀測的DA技術，發展和細化了具有複雜的雲和邊界層物理的非靜力模式。
預報員目睹了廣為使用的紙張預報圖的終結和基於計算機的天氣分析顯示的引入。
NWS在美國的機構於1980年前後建立了它們第一臺氣象業務和服務自動化系統（AFOS）工作站。直到大約2000年，AFOS成為預報業務的中心。
全球模式準確性上的早期進步是成功地快速加強氣旋生成的5天預報。
1993年3月，美國東海岸暴風雪天氣在5天之前還未被察覺。
而美國全球模式以及ECMWF和英國氣象局的全球模式，均顯示了強風暴的可能性。美國全球模式連續5天、4天和3天的預報與這一重要東海岸暴風雪一致。
在1993年，提前3-5天預報如此嚴重的天氣事件得到的正面社會效益非同一般。
該事件中，預報員和媒體緊密協調，在風暴出現前就發布了連續降雪和暴雪天氣的預測和預警。他們就臨近災害有效地與公眾交流。
此後，這類極端天氣事件預測和預警的準確性一直在提高。
這個時代，各國在氣象衛星上的投入很高，目的是讓全球中期以及短期NWP，以及人為預報從中受益。
關鍵的裡程碑於1998年出現，ATOVS（包括先進微波探測儀/微波溼度探測儀（AMSU/MHS）以及改進的高分辨紅外輻射計（HIRS））探測數據開始出現；2002年，高譜紅外探測數據出現；2006年，全 球 導 航 衛 星 系 統（GNSS，GPS是其中之一）無線電掩星數據出現，還能基於地基 GPS時間延遲得到非常準確的可降水水汽估計。
NWP科學在進步，預報員的角色也發生了改變。
在時代3裡，預報員依據觀測、高層指南和經驗發布文字預報。
隨著工作站（如美國的 AFOS和AWIPS） 的引入，預報員得到直接與網格數據對話的工具（如 交 互 預 報 準 備 系 統IFPS等）。
AWIPS是NWS現代化的首要成果，使得預報員能夠從實地觀測、模式數據以及衛星和雷達圖像多個視角審視一個簡單系統，可以分開來或通過疊加手段合併後觀看。
IFPS最初僅使用地表觀測點數位化數據，但後來改為基于格點的視圖，預報員可以通過AWIPS用格點預報編輯器修改。
從格點化預報數據、文字、聲音到圖形產品可以自動生成。近年來，在花費時間交流和解釋預報信息等方面，人-機混合已經給預報員帶來了很多改變。
隨著數字計算的成熟和網際網路的到來，這一時代探索了強化數字環境預報的可能性。
概率預報需要的信息促進了集合預報的進一步改進。
到2018年，至少有14個NWP中心運行全球天氣預報模式，水平解析度一般為20公裡或更高。
未來
2020年-2050年
數值環境和天氣預報系統
NWP模式過去數十年裡預報技巧提高的原因可以歸結為：研究和開發之間緊密的聯繫；可預報性、流體動力學和數值方法的理論進展；次網格尺度物理參數化（雲、山區等）；地面和天基各種觀測的同化；以及高性能計算 （HPC） 系統。
對將要到來的2020-2050年時代，HPC能力有望進一步提升，超越千萬億次，實現百億億次，從而推進NWP進步和創新應用。
未來的NWP系統的體量較目前系統會大很多，這是因為計算任務需要較目前HPC技術更多的電力。
面對這一挑戰，當前技術（如圖形處理單元（GPU）和量子計算）和HPC設施 （如大型平行計算）必須明顯改變，如何解NWP問題的思路也需要轉變。
地球系統所有分量的預報和觀測都將增加。
即使當前，數值預報不再局限於天氣；它包括了所有天氣敏感的地球系統分量。
今後30年將集中結合所有地球系統分量，以建立可以稱作數值環境和天氣預報（NEWP）的系統。
因為所有的NEWP預報本質上都是概率預報，集合預報系統（EPS） 技術將用於所有地球系統分量。消費者因此將能估計未來可能的天氣和環境。
地球系統模式包括化學、水文和其他分類，可以期待應用於不到1小時更新一次的NEWP系統。