我是预报员68号，现在的工作就是为《天气预报》把最后一道关 | 戴云伟——科学讲坛
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以后天气预报会越来越准吗？
这是肯定的，
但是天气预报不可能100%准确，
这就是科学上得到证明的“蝴蝶效应”。
戴云伟 · 中国气象局华风气象传媒集团高级工程师
格致校园第22期 | 2021年12月24日 北京
大家好，我是来自中国气象局的戴云伟。不论电视还是网络上的天气预报，只要来自中央气象台，基本都由我所在的单位负责为大家制作与发布。我的工作就是为《天气预报》做最后一道把关，让大家得到更精准的天气信息。
今天我和大家分享的内容是《云与天气变化》。云伴随着我们的一生，只要外出，随时随地就可以看到云，有时候还会看到一些高颜值的云。这些云的意义到底是什么呢？请听我跟大家详细解读。
曾经的预报员68号
我相信大家都很熟悉下面这张图里的场景，这是气象系统最基本的观测场地，叫气象观测场。气象观测的内容包括气温、气压、湿度、风向、风速以及云等，其中温度、气压、风向、湿度的观测基本都由仪器进行。
用卫星观测云是近代的事情，云的早期观测都靠人力。我的第一份工作就是每天定时定点前往气象观测场，一般按照世界气象组织统一规定的02时、08时、14时以及20时，同时去观测。
在这个时间，全球所有的气象站，不管在高山、平原还是海岛，都得去观测。有时海岛上刮起大风，观测员腰上系着绳子也要观测。所以在气象系统内，观测员的工作相对来讲比较艰苦。我的工作场地在山东枣庄气象台，它位于内陆平原，会轻松一些。有的同事在高山雪原，条件相当艰苦，和地质部门不相上下。
▲ 气象观测—全球观测
除了单站观测，气象观测还包括全球观测；不但要观测地面，还要观测高空。
我们主要靠释放探空气球观测高空，得到这些数据之后，将它们绘到一张地图上，形成常规的天气图。
天气图分好几种，有一种地面上的天气图，叫地面图；高空5千米左右有一个500百帕的，再往上还有200百帕的。这些天气图就是预报员用来分析预报天气的依据。
这张天气图是1996年我当预报员时亲自分析的天气图，左下角还有我的签名。在这次演讲之前，我专门请山东枣庄气象台帮忙，让他们查查有没有我值班时的天气图，他们还找到了。
因为预报员的工作性质，一般不说个人的名字。早期天气预报一般都会说由预报员多少号发布，我当年的编号是预报员68号。直到今天，这个名字对我也很珍贵，我一直记着，在取昵称的时候经常会使用它。
我们先放大看一下地面图上的站点资料，以图中站点为例。这个站点上面记录了密密麻麻的数据，包括观测到的气温、气压、湿度，左下角就是云状、云量以及云高。各个气象站观测到这些数据之后，通过电报将它们汇集到世界气象组织，气象组织再把数据返还给各个气象台，最终绘到天气图上。这样，全国乃至世界各地的气象台就可以用来分析和预报天气了。
▲ 全球综合立体观测网
现在的观测基本不像当年那么辛苦，雷达、卫星、船舶以及飞机都会帮助我们，地面气象观测也已经基本实现自动化。不但观测实现了自动化，预报也实现了自动化。
到有了卫星之后，我们探测的会更多，但是计算量也特别大。在世界各国，超大型、高性能的计算机很多都用在气象局。全球自动观测的数据汇集到超大型计算机，大型计算机就会计算出天气以及气候的预报数据。预报时间可以由人们控制，当然，时间越长，预报就越不准。
现在预报员的性质和我们当年预报员的性质相比，也发生了质的变化。我当预报员的时候还需要亲自发布预报。记得有一次值主班的时候，那天我想发布晴到多云，而我们的台长觉得看着数据应该有暴雨。经过僵持之后，最后还是让他们去签发，我没有签发，结果第二天确实没下雨。这不是说明我有多牛，而是当时天气预报主观性很强，不同的预报员预报出来的数据会有差异。而现代化的数值预报模式——计算机预报就不存在这种问题，基本上可以很客观地预报，不存在预报员之间的差距了。
并不纯洁的云
在讲云之前，我先讲讲大家比较熟悉的沙尘，可以在下图中看到。
沙尘是悬浮在空气中的沙子、尘土之类的固态颗粒。这些小颗粒被大风吹在空中，大小大概在1微米到1毫米之间。其实，不论液态的还是固态的，只要悬浮在空气中，就通常称为它大气颗粒。
大气颗粒的英文名字是particulate matters，用首字母简称就是PM。大家经常听说PM2.5和PM10，它们就代表空气中含有的空气颗粒物的大小。早期，我们观测的数据注重空气中直径小于10微米的颗粒，即PM10，而PM2.5指的是空气当中微粒直径小于2.5微米的。
我们知道水在空气中悬浮的时候有三种状态：气态、固态还有液态。那么云到底是什么态？如果我们用放大镜放大它，会发现云是由空气里的小冰晶和水滴组成的。这样就很简单了：云是固态或者液态的。气态的水汽我们是看不见的，因为它是透明的。其实，云就是水滴或者冰晶的集群，只不过它悬浮在空气当中。和前面讲到的沙尘是一个意思。
空气中的云（水滴、冰晶）、沙尘以及PM2.5等悬浮在空气中的颗粒物，它们被统称为大气颗粒物。但是，因为云的相态多变，有时候是液态，有时候是固态，有时候还会蒸发掉，而其他的颗粒物在空气中相对比较稳定，所以讲到大气颗粒物的时候，通常是指云以外的悬浮颗粒物。因为云有特殊的性质，就把它独立出来了。
有人会问了：那么一大朵云会不会掉下来呢？这个问题问得很好。刚才我们讲到，云是由一个个小水滴或冰晶构成的，它比空气分子大很多。就像沙尘一样，它也会沉降，只不过它沉降的速度很小，一般是每秒1微米左右，速度很慢很慢。
云在下降的时候，也会伴随着蒸发，可能在这个过程中就没了。云一方面下沉，另一方面还受到布朗运动、乱流或者空气上升运动的影响，有一种向上托举的力量。这些运动让云一直悬浮在空气中，和大风吹起来的沙尘十分类似。
我们经常在文学作品里看到云的意象代表着纯洁。但从这张图中我们可以看到，云虽然由水滴和冰晶组成，但在每个水滴、冰晶的核心都有一颗杂质。这个杂质就是我前面讲到的PM2.5、尘埃、盐粒等，水或者冰晶裹在这些杂质上。这样就可以看到，云其实并不是多么“纯洁”。云既然不纯洁，雨水也自然不是纯净水。
我前面讲到沙尘，它的大小是1微米到1毫米，而云滴（云中的小水滴）的直径大概是20微米。这些水滴在相互撞击之后长大，当长到200微米的时候，一般的空气就托不住它了，就会沉降。这就是我们见到的毛毛雨的量级。
可以用头发丝的直径和云滴做一个对比：云的水滴大概有20微米，成年人的头发丝大概有60-90微米粗细。云中的水滴相互撞击、不断长大，长大之后就形成了雨滴降落。如果冻结成了冰晶，进一步成长降落，我们就会看到雪花。所以云中的水滴和冰晶与我们看到的雨滴和雪花本质上没有什么区别，只不过是大小不同而已。
雪花有各种各样的形状，大家知道“世界上没有完全相同的两片雪花”。雪花为什么这么多样呢？就是因为云中的冰晶也十分多样。通过左图就可以看到，云中的冰晶多么复杂，它不像水滴那么简单就是一个圆球。
通过“晕”这种日常的光现象，可以看到不同的冰晶会形成不同的晕。我们常见的是一种晕圈，还有其他的环天顶弧、环地平弧等之类的。这种晕象十分复杂，但看到时不要感到害怕。
云是由空气中悬浮的水滴、冰晶形成的，但是水滴或冰晶的浓度必须达到一定值我们才能看见。一般每立方厘米中的水滴或冰晶数量超过10的时候，才称作云；如果低于这个数值，比方说1立方厘米里面不到10个水滴，我们就看不到。
什么时候能表现出空气中有这种水滴呢？当雨过天晴、晚霞特别艳丽的时候，我们经常说这是水滴过多造成的，否则云的晚霞没有这么艳丽。
形态各异的云是如何形成的？
云主要是由上升运动造成的，这个大家都司空见惯了，和我们烧开水形成水汽的道理是一样的。空气中的水蒸气膨胀上升，遇冷凝结后就形成了云。
上升运动也有各种各样，有大范围的缓慢上升运动，也有小范围的快速上升运动。在系统、对流、重力等因素的作用下，就形成了复杂多样的云。
我国古代的时候就会观测云，不过都是以“形似物云”的格式进行命名。比方说这朵云像老头，就叫“老头云”；这朵云呈乳状，就叫“乳状云”。古代的云的名字十分的多样，有丰富的文学色彩。
17世纪之后，英国业余气象学家霍华德总结了一套记录云的方法，得到了世界各地气象科学家的认可。这就是今天云的分类方法，叫“3族10属29类”。这么多复杂的云，我们只要记住10种最常见的云就行了。
首先是层云，看这张图就可以识别。有时候远远地看见山坡或山腰上有一层很平的云，它不仅平，而且十分均匀，在山区的早晨经常能看到。这种云如果接地就是雾，雾离开了地面就叫做云，所以云和雾本质上没有什么区别。看到远山有朵云，如果深入其中，看到的可能就是雾。
还有一种云叫层积云，这种云看着比较臃肿，有块状有条状，高度比较低。这种云一般是由大气中的波动造成的。
积云大家就更熟悉了，它主要是由地表的一种热泡上升造成的。
积雨云是最恐怖的云，夏天的时候往往带来暴风骤雨以及电闪雷鸣。由于水汽凝结会释放出大量的热量，这些热量就像柴火燃烧一样，形成了浓烟滚滚的形状，所以这种云是大气当中运动最激烈的一种云。
▲ 雨层云
还有一种最温柔的雨云，就是雨层云。如果你看到天空慢条斯理地下雨，不紧不慢、一点不着急的样子，一下半天或者一两天，这种云基本上就是雨层云。
▲ 高层云
高层云一般是在变天时出现，我们经常说阴天的这种云都是高层云。有时候透过它可以看到太阳，一般专业用语叫透光高层云；如果看不见太阳就叫蔽光高层云，大家不用分那么细。
▲ 高积云
高积云就像瓦块，颜值比较高，现在一旦出现往往要上头条。左图是我同事在在南极科考期间拍到，这个云就是瓦块状的高积云。
▲ 卷层云
这种云叫卷层云，云层透亮，呈丝缕状。前面我讲到高积云等是由水滴组成的，而它因为高度比较高，是由冰晶组成的，常常在太阳、月亮周围形成晕圈。
▲ 卷积云
卷积云如同涟漪，不太常见，我拍这组图片时，也找了很久很久才找全了卷积云。卷积云去得快，来得也快，高度也高，主要是由冰晶组成。
▲ 卷云
还有卷云。卷云的颜值和高积云一样高，大家也比较喜欢。有的像羽毛，有的像马尾巴，这种云一看也是丝缕状冰晶组成的云。
我将这10种云的高度、厚度与4座山的海拔放在一起对比，就比较清晰明了，大家可以比较一下1.5千米的泰山、4千米的玉山、5.5千米的玉龙雪山以及8.8千米的珠穆朗玛峰的高度。玉山大家可能不太熟悉，这座山是我国台湾的最高峰。
这几种云各有厚度，高低也不同。大家可以看到右边这朵云，它从地面一直伸到高空，高度远远超过珠穆朗玛峰；它一旦出现可以说是遮天蔽日，除了电闪雷鸣之外，一般是“白如黑昼”。
夏天出现这种“白如黑昼”的天气时，经常会有各种谣言。其实没有什么妖魔鬼怪，就是云比较厚遮住了太阳而已。其他云的厚度大概就是几百到1千米，高低不同而已，其中卷云的高度比较高。
这些气象谚语靠谱吗？
在观云的过程中，古人发明了各种各样的气象谚语，我国古代劳动人民总结了相当多的气象谚语，有几万条，其中关于云的也有三、四千条。我将在一本书里慢慢地为大家逐个介绍。
比方“天上钩钩云，地上雨淋淋”，“早晨城堡云，午后雨淋淋”。这些谚语到底靠不靠谱呢？我给大家分析一下。
▲ “大型”天气系统（左上）、“小型”天气系统（左下）和地形（右）形成的云
云的形成原因大概有三类：第一类是大范围的，就是我们经常听到的冷暖空气的移动。这种云的范围一般是成千上百公里，而且上升速度缓慢，形成的云都是层状的，高层云、雨层云、卷层云都是它形成的。
还有一种云是由小型系统，即大气不稳定造成的，这在夏季经常出现。在垂直方向，由于上面过于干冷、下部过于暖湿，就像我们烧开水会沸腾一样，这种情况下形成的积状云比较多。
还有一种是由地形形成的云。
▲ 天气系统过境
其中天气系统带来的云和不稳定性带来的云有一定的预兆意义，我们通常讲的天气系统，就是冷暖空气相互交战，冷空气从北往南走、暖空气从南往北走，它们交战的地方被称作锋面。
天气预报真正诞生在第一次世界大战期间，气象学家觉得冷暖空气不也像两军对垒嘛，交战的前锋其实就是冷暖空气交汇最激烈的地方。其实它代表的主要是低压区，就像是制造天气的机器，所以叫天气系统。
我国处在中纬度带，天气系统一般自西向东移动。多数情况下从新疆进入，然后自西向东、自北向南运动。还有刚才讲的对流性天气，可以通过下图看一下这种天气系统对应的云。
图中那条锯齿状的线就是锋面，在上空形成了缓慢上升的天气系统。在天气系统的主体区，这种云下面往往有雨层云。
我画了三个大致示意的地点。西边是乌鲁木齐，中间是包头，东边是北京。当天气系统移动到乌鲁木齐和包头之间时，北京上空就已经开始出现卷云了，紧接着就可以看到卷积云还有最高的卷层云。
▲ 气象谚语：天上钩钩云，地上雨淋淋
月亮带风圈，一连挂三天
天气系统又是自西向东移动的，从新疆移动到北京这个地方，快的话大概也就一两天，慢的话四五天。前兆云（征兆云）就这么来的。
当北京上空出现卷云时，我们感觉它像一个钩子，这就是“天上钩钩云，地上雨淋淋”：当看到钩状云就意味着天气系统已经在北京西部，即将影响北京。
天气系统在移动时有时候快，有时候慢；有时候增强，有时候减弱，所以气象谚语也面临着考验。原理上是准确的，但有时候也会出现不准的情况。
▲ 气象谚语：天起鱼鳞斑，晒谷不用翻
从图中可以看到，乌鲁木齐上空对应的是高积云，天气系统过后它往往是压阵的。当天空出现高积云的时候，一般意味着天气系统已经要结束了，所以有谚语“瓦块云，晒死人”，就是说当这种云出现时往往代表天气是晴好的。
这样看，大家觉得冷暖气团交战带来的云系，是不是有些预报意义呢？预报意义最明显的其实就是卷云、卷层云、卷积云这些天气系统的“先锋官”，它们出现在天气系统的最前部，高积云出现在后部，高层云出现在中部。
一旦出现阴天，后面紧接着就有可能出现雨层云，能不能下雨呢？关键还要看水汽的提供。如果水汽不足，带来的雨一般不强，或者天“阴”一下就过去了，所以气象谚语还是有一定道理的。
除此之外，当大气不稳定的时候，天气谚语也有一定的预兆意义，这种往往是由堡状云或积云提示的。
这样看来，各种云有一定的预兆意义。当然，像一些地形形成的云，用现在的话叫做“浮云”，就没有多少气象意义，反而干扰了我们对天气的判断。所以用气象谚语预报天气还是有一定弊端的。
那未来天气预报会越来越准吗？这是肯定的。但即便现在到了数值预报阶段，天气预报也不可能100%准确，这就是科学上得到证明的“蝴蝶效应”。随着时间的推移，观测到的数据总是有误差的，天气预报的误差也就永远不可能避免。随着24小时、48小时、72小时的时间增加，误差会越来越大，就会造成天气预报越来越不准。
我今天给大家分享的云与天气变化就到此结束了，谢谢大家，再见！
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