《孫子兵法》寫道，算則勝，不算則不勝；多算勝，少算則不勝。「算」，就是如何利用數據，來估計各種因素。數據，自古有之，人口普查、農業統計、兵力計算、政治權衡……，數據雖小，卻有助於治國安邦。隨著信息爆炸、互聯互通、智慧城市時代的到來，大數據以排山倒海之勢席捲全球，成為當前信息技術最受關注的概念之一，並躍升為國家戰略的前沿，以及產業競爭力和商業模式創新的源泉。數據之「大」，蘊含全新的能量，怎樣來「算」，挑戰人類的智慧。
氣象學科的出現與發展始終伴隨著數據理念和算法研究，氣象業務的運行始終伴隨著數據獲取處理和分析決策。大數據產生之後，眾多行業受到不同程度的衝擊，有的甚至是顛覆性的。氣象與數據相因相生、相輔相成，這股由信息技術掀起的新浪潮將對氣象行業產生何種影響？在科學嚴謹體系下產生的氣象數據是大數據嗎？大數據強調的預測能力跟氣象行業百年來所追求的對天氣的精準預報預測有什麼區別與聯繫？爭論的聲音從一開始就存在，但氣象行業從來沒有停下行動的步伐。技術的發展給我們帶來了難題，同時又給我們開出了處方，大數據給氣象帶來了挑戰，也帶來了新時代的曙光。當我們撥開浮雲察看本質時就能夠發現，大數據並非點石成金的神秘煉術，而是工程師和科學家手頭的新工具。我們既不能因為不熟悉新工具的使用方法就把它束之高閣，也不能因為手裡拿著榔頭就看什麼都像釘子。正確理解並掌握大數據理念、技術、方法，合理運用在從觀測數據採集到專業化氣象預報預測和服務保障的各個環節，提升氣象行業的數據管理能力和價值挖掘能力，才是正確的氣象大數據觀。
氣象數據採集和處理的目的，是在對資料數據整理、分析和挖掘的過程中，得到對數據變化規律的認識，並將規律性的結論以數據模型的方式來加以描述，通過數據計算，實現對人類生存環境未來狀態的預報和預估。氣象學在多年的發展歷程中，先後形成了三種主要的數據分析與計算方法，即天氣學分析與診斷方法(天氣學方法)、氣象統計分析與計算方法(統計學方法)、動力氣象學分析與數值計算方法(動力數值方法)。
本期，小編為讀者選取了天氣學分析與診斷方法。
天氣學方法主要描述和刻畫氣象數據的分布特徵，統計學方法是深入挖掘各氣象數據之間的關聯性，動力數值方法則在前兩者成果集成基礎上開發出準確描述大氣運動規律的複雜數值模型，依託高性能計算技術預報大氣運動狀態。三種方法在互相結合、互相滲透和相互促進中不斷向前發展。
天氣學方法
天氣學是研究天氣系統和天氣現象發生、發展及變化的基本規律，並利用這些規律預測未來天氣的一門科學。天氣學方法是最早出現的氣象數據分析計算方法，其以天氣圖的出現為主要標誌，以至於目前的氣象數據分析在業務領域有一個專門的名稱—天氣分析。在天氣分析基礎上，歸納總結出相應的天氣學概念模型，利用模型工具開展具體的氣象要素預報。 天氣分析 天氣分析是根據天氣學和動力氣象學原理，對天氣圖和其他大氣探測資料所做的用於揭示天氣性狀的分析，是一種對氣象觀測記錄進行描述、操作、推斷和建模的過程，是利用天氣學方法開展氣象預報預測的基本立足點和主要依據。天氣分析內容主要包括：天氣圖分析、氣象診斷分析、數值預報產品分析、氣象數據再分析等。隨著大氣探測和計算機等技術的發展，天氣分析的內容和方法日益豐富，並逐步實現客觀化、定量化和自動化。
1．天氣圖分析
天氣圖分析是對天氣圖上各種氣象要素的分布狀況及其演變進行分析研究的過程。主要內容包括：氣壓場分析、溫度場分析、溼度場分析和風場分析。氣壓場分析主要指利用地面天氣圖的等壓線、變壓線、鋒線、天氣區等，高空天氣圖的等位勢高度線、槽線、脊線等內容，獲取地面和空中氣壓場的水平分布及其空間結構，了解各種重要天氣系統的位置、強度、移動、變化及其相互關係。溫度場分析主要指用等溫線、變溫線等，分析大氣溫度場的分布和變化，與氣壓場的相互配置和各種天氣系統的熱力結構。溼度場分析主要指用等露點線、等溫度-露點差線等，分析大氣中水汽的分布和變化情況。風場分析主要指用流線、等風速線和大風區等，分析大氣的運動狀態和變化，以及天氣系統的強度、移動速度和各種物理量的輸送情況等。根據天氣分析和預報的需要，有時還繪製和分析溫度-對數壓力圖、雨量圖、時間演變圖、空間剖面圖、時間變化值圖和物理量場分布圖等輔助圖。圖1 給出的是天氣圖分析中常規的地面天氣圖和高空天氣圖。
客觀分析正逐步取代手工分析，成為天氣圖的主要分析方法。依託計算機，客觀分析首先對觀測資料進行校正，將呈不規則分布的氣象站點的觀測資料，內插到規則分布的網格點上，然後按技術規範自動進行天氣分析。常用的客觀分析方法有逐步訂正法、多項式法和有限元法等。在進行天氣圖分析時，首先需正確判斷和運用觀測記錄，參考有關分析預報判據和經驗總結，推斷各種天氣現象和天氣形勢的演變過程，考慮其前後歷史連貫性，重視各有關圖表的有機結合，從實際出發，抓住關鍵，為天氣預報提供科學依據
2．氣象診斷分析
氣象診斷分析技術是利用大氣探測資料或者經過加工整理的資料，計算各種大氣物理量，並通過大氣動力方程和物理方程對大氣環流和天氣系統進行定量的物理分析。通過診斷分析可以進一步了解天氣系統發生和發展的物理機制，為天氣預報提供客觀定量的物理依據，該分析方法比天氣圖的定性分析方法更具優勢。診斷分析包括氣象要素場診斷分析、衛星雲圖分析和天氣雷達回波圖分析等。
氣象要素場診斷分析是用不含有時間變量的大氣動力學和熱力學方程，對某一時刻的非直接觀測的各種大氣物理量作出定量計算，以尋求這些物理量的空間分布特徵及其與天氣系統發生、發展的關係，從而客觀定量地分析、解釋天氣過程，其結果也可為天氣預報提供依據。常用的診斷分析物理量有能量、垂直速度、渦度、散度、水汽輸送等。例如，能量診斷分析，就是從能量方程出發，計算引起能量變化的各種因子，分析它們的維持、平衡和轉換等問題。一般說來，動能的增加意味著天氣系統的發展，動能的減少常使天氣系統趨於衰亡。對成熟氣旋系統的計算結果表明，動能主要在對流層上部和下部產生。由於下部氣流明顯地由高壓穿越等壓線流向低壓，這表明氣壓場對空氣塊做功而產生動能。當這個動能大於能量向系統外的輸出和摩擦消耗時，氣旋就得以維持和加強。高速計算機的應用，使診斷分析從歷史資料的分析研究手段發展成為日常天氣分析業務的一種重要技術。
衛星雲圖分析，是應用衛星雲圖、衛星測風、衛星探空等資料，分析全球大氣中的雲、風、氣溫、溼度等分布情況。主要技術途徑是通過對氣象衛星雲圖上的各種雲系的形狀、分布和某些特徵雲型的分析，識別各類天氣系統，判斷其位置、強度，推斷其發展趨勢，估計降水和風，進而預報未來天氣。
天氣雷達回波圖分析是使用常規天氣雷達、氣象都卜勒雷達、雷射雷達、聲雷達、風廓線雷達等探測資料，分析一定範圍內的大氣物理狀態和大氣運動情況。主要通過對雷達回波形態、強度、結構、分布和變化特徵等的分析，了解雲體和降水的性質、演變，測定降水強度和雲中含水量，推斷天氣系統特別是中小尺度天氣系統的未來變化，為監測和預報天氣提供依據。
3．數值預報產品分析
數值預報是現代天氣預報的重要方法，其原理和技術將在「動力氣象學分析與數值計算方法」一節中介紹。這裡主要介紹數值預報產品分析及其相關應用，也是天氣分析的組成部分。數值預報產品多以網格點資料的形式給出，產品要素內容與天氣圖分析的站點觀測資料類似，故其分析方法與天氣圖分析基本相同。如果把數值預報產品視為未來某時刻的實況，則兩者的分析方法完全一致。但是，由於數值預報模式對大氣物理過程描述的局限性，以及解析度、模式初始場誤差等原因，數值預報產品只能是對未來大氣狀態的一種近似，不可避免地存在預報誤差。對數值預報產品的分析首先是識別其誤差情況，並開展針對性的人工或者客觀訂正，然後運用該產品進行定性和定量分析，最終得出需要的預報結論。
數值預報產品的誤差主要表現為：對天氣系統移動速度描述的偏快或者偏慢、強度偏強或者偏弱；對氣象要素如降水量預報偏大、偏小以及落區位置偏移等；時效方面，如5 天以上的中期天氣預報結果明顯不及3 天以內的短期預報結果可靠。誤差分析主要通過將數值預報產品與實況來做比對，運用統計方法進行整體判斷，得出相應的誤差分布。有時也著眼於數值模式的整體性能，針對天氣系統或者具體天氣進行。主要統計指標包括：偏差、平均誤差、均方根誤差、標準差、相關係數、預報評分等。
根據天氣學原理，在數值預報產品的基礎上，進行人工訂正，從而對天氣形勢作出診斷和預報，進而作出具體的天氣預報，是數值預報產品定性化應用的一個思路，實際上是把天氣學理論和天氣圖分析預報方法進行移植和拓展。不同於天氣圖分析方法的是，其將對前期和當前實況天氣圖的時間、空間分析延伸到了未來，並把傳統天氣圖方法中對氣壓場、高度場、風場、溫度場、溼度場的分析和預報擴展到對物理量場的分析和預報，有的文獻中稱為「縱橫分析」。橫向分析是指，對數值預報產品的多物理量場的各類分布圖作時間演變分析，著重分析影響天氣系統的移動和強度變化的物理量。縱向分析是對同一時刻的各類分布圖作垂直對比分析，了解主要天氣系統的垂直結構和有關物理量的配置關係。具體的氣象要素預報則是在縱橫分析的基礎上，開展相似預報和落區預報。
目前，某些短期要素的客觀預報水平已經接近甚至超過預報員的主觀預報水平，但由於受到大氣探測技術的應用和對某些天氣現象機理認識的限制，不少天氣要素如降水、風等的預報結果與實況有一定差距。隨著自動氣象站、雷達、衛星遙感、風廓線、GPS 等大氣探測技術的發展以及對天氣變化機理認識的加深，數值預報模式的不斷改進，常規與非常規觀測資料的充分使用，為數值預報產品解釋應用技術的不斷進步創造了更為有利的條件。在對數值預報產品檢驗評估和訂正的基礎上，作出精細化氣象預報，已成為氣象業務主流趨勢。
4．氣象數據再分析
觀探測技術的發展和領域的拓展使氣象數據量快速增長，已經進入了大數據時代。如何利用這些種類繁多的海量數據資源，用於天氣氣候研究，是氣象領域的前沿課題之一。大氣資料再分析，是20 世紀80 年代以來，科學家提出的一種利用數值預報的資料同化技術來恢復歷史氣象記錄的新方法。所謂再分析，就是利用完善的數據同化系統，把各種類型和來源的觀測資料與數值預報產品進行重新融合與最優集成的過程。目前，以觀探測資料為基礎，通過多源資料的融合分析以及利用數值模式進行資料同化分析和再分析，獲得質量可靠、空間覆蓋完整、高解析度的氣象數據產品，成為世界各國氣象界大氣資料再分析的普遍做法。基於各種觀探測資料研製的再分析氣象數據產品，已經成為全球氣象科研和業務的基礎數據，為人們深入了解大氣運動的方式、認識不同時空尺度內氣候變化和變率提供了強有力的研究工具，在氣象數據中佔有很高的比例，其使用率和應用效益甚至遠遠超過了觀測資料本身。
美國、歐盟和日本等國家先後組織和實施了一系列全球大氣再分析計劃。目前，已經完成的全球大氣再分析主要有：NCEP/NCAR 全球大氣再分析資料計劃，以及NCEP 與美國能源部(Department of Energy, DOE)的NCEP/ DOE 全球大氣再分析資料計劃；ECMWF 的15 年(1979～1993 年)和45 年(1957～2002 年)全球大氣再分析資料計劃，以及新一代再分析(ERA-Interim)；日本氣廳和電力中央研究所聯合組織實施的25 年(1979～2004 年)全球大氣再分析資料計劃(JRA-25)等。2015 年，我國在加強重大核心關鍵技術的攻關以及全球基礎資料的收集整合、質量控制、偏差訂正和同化應用研究的基礎上，「全球大氣再分析技術研究與數據集研製」進入立項實施階段，相關研究成果有望填補我國在大氣再分析領域的空白。
Cressman 客觀分析是最早的氣象數據再分析技術，主要是將常規氣象站點觀測資料融合到數值預報產品中。隨著氣象領域大量非常規氣象探測資料的出現，一些新的客觀分析方法如最優(統計)插值、天氣分析與預報模式相結合的「四維同化」分析方案等再分析技術得以開發利用。隨著衛星資料、雷達資料等大量非常規探測資料的不斷積累和使用，客觀分析逐步從分析一個時間多層次的資料發展到分析多個時間多層次的資料，從靜態分析發展到動態分析，從單純的擬合發展到四維資料的同化分析，基於整個場協調一致的變分同化技術在再分析中得以廣泛應用。目前，三維變分和四維變分等先進資料同化技術已逐步進入業務化階段。國際先進業務數值預報中心未來在全球資料同化技術的發展方向，也把變分和集合及其兩種方法互相混合的新同化技術作為主要的發展方向。某種程度上，現在的再分析技術所提出的大氣整體系統的分解、協調和優化的理論模型，把資料分析和天氣預報緊密相連，為天氣分析預報的系統化、工程化和自動化奠定了基礎，並開闢了新的道路。
天氣學概念模型
鋒面理論是氣象領域氣團學說的重要成果，鋒面分析是運用鋒面空間結構及其發生、發展的理論，在天氣圖上確定鋒的類型和位置的工作過程，是天氣分析綜合應用的典型實例，鋒面分析的天氣學概念模型是天氣學方法製作天氣預報的關鍵依據。
鋒面是指分隔冷、暖兩種不同性質氣團之間的狹窄的過渡帶，通俗地講，就是冷暖氣團的交界面。由於兩側氣團性質上的差異，存在著較大的溫度和氣壓梯度，空氣垂直對流活躍，水平氣流也極不穩定，多伴隨著大片雲系、大風和降水現象，常造成劇烈的天氣變化。鋒面的長度與氣團的水平距離大致相當，由幾百千米到幾千千米，寬度比氣團小得多，只有幾十千米，最寬的也不過幾百千米，垂直高度與氣團相當，為幾千米到十幾千米。鋒面分析的基本方法主要有四步。
第一步，由歷史演變外推框定鋒面範圍。由於地形影響、記錄代表性差及鋒面結構複雜等原因，鋒面分析有一定的困難性。確定鋒面位置首先按照歷史連續性的原則，將前6 小時或12 小時鋒面的位置(過去位置)標在待分析的天氣圖上，運用歷史演變外推法，大致劃定鋒面位置。
第二步，應用衛星雲圖分析鋒面。由於鋒面伴隨著大片雲系，從衛星雲圖上能較為直觀地確定鋒面的區域範圍。鋒面在雲圖上往往表現為帶狀雲系，一般長達數千千米，寬度差異較大，平均為4～5 個緯距(400～500km)。鋒面雲帶常常為多層雲系，最上面是捲雲，下面是中低雲。當鋒面的暖氣團主動沿鋒面上升，此時鋒面的雲帶較寬，具有完整的雲帶，鋒面的位置要定在雲帶的前邊界上。而當冷氣團主動下沉，迫使前面的暖氣團抬升，雲圖上表現為雲帶窄，甚至斷裂，也可能不能形成雲帶，如果雲帶後邊界很清楚，則鋒面要定在其後邊界上。如果存在冷暖鋒共同作用的氣旋，雲區在暖區頂端向冷區一側凸起，冷鋒定在雲帶中間部分，暖鋒定在雲區凸起部分的某個區域。當氣旋發展成熟，鋒面錮囚以後，鋒面要定在雲帶後邊界附近，靜止鋒則定在雲帶的前邊界附近。在高緯度地區，還可以利用雲區中的紋線來確定鋒面，此時鋒面與紋線互相平行。
第三步，結合高空天氣圖判斷鋒的位置和類型。除了垂直伸展高度很低(1.5km以下)的地面鋒，所有對流層區域的鋒都在高空等壓面圖上有所反應。平原地區分析850hPa、700hPa 等壓面，高原地區分析500hPa 等壓面。根據鋒面向冷區傾斜原理，地面的鋒線應位於高空等壓面圖上等溫線相對密集區的偏暖空氣一側，而且地面鋒線要與等溫線大致平行，高度越高鋒區向冷區方向偏離越遠。高空鋒區有冷平流時，它所對應的是冷鋒。高空鋒區有暖平流時，所對應的是暖鋒。根據鋒的連續演變，如果有冷鋒趕上暖鋒高空又有暖舌，則所對應的是錮囚鋒，高空鋒區中冷暖平流均不明顯時，所對應的是靜止鋒。
最後，根據地面天氣圖上的氣象要素分布特徵具體確定鋒的類型和位置。地面天氣圖上填繪的是一種綜合天氣圖，是分析地面鋒線位置的主要依據。根據鋒附近具有氣溫、溼度、風場、氣壓場、雲以及天氣現象的劇烈變化這一特徵，綜合考慮並作出判斷。鋒線兩側應該有較大的氣溫、溼度差異，鋒兩側的風都呈氣旋性切變，鋒線大多處於明顯的低壓槽中。雲和降水多數是和鋒面活動有直接聯繫的，一般在地面鋒線冷氣團一側的上空都有較厚的雲層及降水，地面鋒線暖氣團一側的上空多為少雲天氣。當然，有些時候由於受到其他因素的影響，鋒附近的氣象要素差異變得不明顯，或者沒有鋒的地區可以有比較大的差異，要注意結合實際具體分析。如在高原和平原之間，大陸和海洋之間，總是存在著溫差，同時風也存在差異，甚至還有雲雨天氣，這時分析出的鋒線，實際上是不存在的，通常稱為「虛鋒」。圖2給出了一次鋒面分析的結果，圖中，左邊的藍線和右邊的紅線構成錮丘鋒，藍線是冷鋒，紅線是暖鋒。