云导风技术：是云在动还是风在吹？看懂这个让天气预报更准

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钱维宏 北京大学物理学院

要是把地球大气当作一片时刻都在翻涌着的 “天空海洋”，那风便是当中奔流不停的洋流，云就是海面上瞬间变化的浪花以及持续变化的浮冰。在天气预报这个领域里，精确掌握全球风场，犹如航海家把控了洋流图，是预测风暴、判断天气的关键所在。然而在相当长的一段时间之中，人类对于这片 “天空海洋” 的观测，始终存在着大片的盲区。一直到气象卫星升上天空，云导风技术随之产生，借着一朵朵飘浮着的云团当作 “天然浮标”，尝试去勾勒出全球风场的样子。

然而，这样一个于业务方面看起来堪称完美的方法，却于物理动力学这一范畴暗藏着一个长久以来被忽视的核心矛盾，那便是：究竟是云在引领风，还是风在促使云形成发生？“云导风”与“风生云”之间的争论，并非仅仅只是文字方面的趣味性活动，而更是一场从经验性观测朝着物理本质方向迈进的认知层面的变革。它直接决定了如下情况：我们从气象卫星那里所获取到的数据，究竟通过怎样的方式才能切实有效地加以运用，从而让天气预报能够更为准确、更为及时以及更为可靠。

一、云导风：人类填补全球观测盲区的勇敢尝试

在卫星出现之前，气象观测有多 “偏科”？答案可能超乎想象。

传统气象观测十分依赖探空气球，地面气象站以及雷达，这些设备大多建在人口密集的陆地之上，还有岛屿上面，可地球表面七成为海洋，还有非常广阔的沙漠，广袤的高原以及极地，这些区域人很少到达，观测站点几乎没有，都成为了气象数据的 “盲区”，没有风场观测，数值天气预报就如同 “无米之炊” 没什么样效果，对于在远海生成的台风，跨区域传播的天气系统，常常反应很缓慢。

1960年的时候，美国发射了第一颗气象卫星泰罗斯1号并且成功了，人类首次站在了太空给出的这个视角上，实现了完整去俯瞰地球的云系这样一个行为。此事可不只是航天技术方面产生的突破呀，更是给气象学家开启了一扇全新的大门，那就是天上的云难道不就是最好的观测标记么？

最早捕捉到这个灵感的，乃是卫星气象学的先驱，即泰德・藤田（Fujita）。他给出了一个大胆且直观的构想，那便是倘若将云团视作大气里的“漂浮标记”，持续追踪其于卫星云图上的移动，难道就不能够算出它所处高度的风速以及风向吗？

在理想假设的情况之中，那云团是会跟着风去进行飘动的，这样一来位移速度呢即恰好等于空气运动速度。藤田是顺着这个思考的方向，从而构思设计出了几何校正、特征匹配等一系列的方法，通过这些方法把云图之上的像素位移，转变转化成为能够直接用于气象预报等方面的风场数据了。在1963年的时候，他是联合结合了同事内岛一块儿，将这一套相关技术用来应用在热带风暴的分析工作当中，进而反演推算出了低空风场然后还有垂直风切变，如此这般云导风就正式登上了历史的舞台。

藤田有着朴素且伟大的初衷，利用卫星覆盖全球具备的优势，弥补海洋、极地观测存在的短板，构建起一张真正“毫无死角”的全球风场监测网，使得数值天气预报能拥有更为完整的初始数据，进而大幅提高台风、暴雨等灾害性天气的预报精度。

过去了半个多世纪，云导风技术早就从人工判读实现了升级，升级成为自动化程度极其高的业务系统。静止轨道卫星每隔几分钟就生成一张云图，紧紧盯着台风、紧盯着强对流等快速在变化的中小尺度系统；极轨卫星是以更高的清晰度，一次次扫描极地、一次次扫描远洋。云导风吹凭借着高时空分辨率、凭借着全球覆盖的优势，变成了现代数值天气预报绝对不能缺少的基础数据呢，在很长的一段时间当中，它一直都是填补全球风场观测空白的 “主力军” 呀。

可就在业务应用一路迅猛发展时，一个出自物理真正性质的难题渐渐显现出来：云难道真的仅仅是被动跟随风移动的“标识”吗？就这样的一个问题，它逐渐浮现出来了。

二、动力学困局：云导风，其实从根上就 “因果倒置” 了

在当下，即便云导风技术于今日已达到再成熟的程度，然而却依旧无法避开三个底层存在的缺陷，这些缺陷并非是算法方面不够精细，而是而是当从基本假设起始之时，便已然与大气动力学那真实的逻辑不相符合了。

（一）云在哪一层？高度定不准，风场就 “对不上号”

云导风若想具备效用，那就必须对一个核心问题予以回应，这个问题是，这片云究竟处于怎样高度的空中呢？

唯有确定云团所对应的气压层，才能够将观测得到的水平位移，赋予给相应的等压面风场。然而卫星于太空朝着下方拍摄，仅仅能够看到云顶，极难穿透云体内部。对流层的厚度大概为10公里，云能够出现在低空，也能够出现在中空，还能够出现在高空，有的薄得如同轻纱，有的厚到贯穿整个对流层。

截至当下业务范畴内，主要凭借红外亮温、水汽通道信号等历经积累所得的特征来判定高度，好比卷云大约对应着200hPa高空，积云大多存在于700hPa左右。然而此种方法极其“粗糙”，云的厚度、粒子的大小大气的湿度都会对信号产生干扰，致使高度定标出现系统性偏差。

定高不准确，就此致使云导风没办法与探空观测精确匹配，垂直结构变得模糊，进而非常难以满足数值天气预报针对精细化分层风场设立的严苛要求。

（二）核心误区：云是风的 “结果”，不是风的 “跟班”

云导风最致命的问题，是因果关系完全颠倒。

传统云导风的底层逻辑是：风动→云动，云动 = 风动。

然而大气动力学告知我们一个全然相反的实情，风的相互作用，致使产生上升运动，进而制造出云，即风生成云，而非云引导风。

气象学里有一个最朴素的公式：

饱和水汽 + 持续的垂直上升运动 = 云与降水

人的肉眼能够看见的云团，并非是毫无缘由就凭空飘过来的那种“标记”，而是借助向上的力量“托举”使其得以形成的水汽聚合在一起的实体。要是不存在向上的抬升的力量，那么水汽就没有办法冷却进而凝结，更加没有办法形成能够持续存在的云体。

从矢量动力学这个视角来看，水平气流并非单纯的直线运动，除了存在径向辐合之外，还带有法向弯曲向心力的矢量场。当有两股气流在锋面附近相遇、辐合、碰撞，在赤道辐合带附近相遇、辐合、碰撞，在切变线附近相遇、辐合、碰撞，就会产生一个垂直于水平面的上拽力。正是这样一个上拽力，将水汽进行抬升、凝结，最终“造”出了云。

上拽力越强，云越厚，降水越强；

当上拽力撑不住大水滴和冰雹时，暴雨、冰雹就会落下。

换一种说法来讲，云所处的位置，云呈现出的形状，云的生成与消散情况，云的厚度，这些通通都是上拽力的外在呈现表现，是气流彼此相互作用之后所产生的结果。

把云当作被动示踪物，这就如同把浪花以及浮冰视作洋流的标记，又好似把脚印看成走路的原因，采用结果去反向推断原因，如此一来，在逻辑方面是站不住脚的。

（三）晴空没云就成 “盲区”，算法只看表象不看物理

云导风还有一个先天短板：有云才有风，无云就无能。

晴空万里、几乎无云的副热带高压控制区，以及干旱沙漠区，云导风直接失效。然而这些重要区域，恰恰是调控大气环流的关键所在，风场产生的变化，对大范围天气走势形成的影响极大。

更麻烦之处在于，云自身是会出现自主“乱动”现象的，对流云能够出现强烈上升进而消散状况，新的云在一个不同方位又会突然生成，这些发生都并非是水平风直接致使，而是上拽力发生变化以及水汽进行相变所构成结果，但是现今存在的云导风算法，像交叉相关法这类，大多是将这些当作“噪声”对此进行过滤，整体上完全忽略了背后所蕴含的动力学相应意义。

台风螺旋云带，龙卷风旋转云系，线状对流雨带，这些属于剧烈天气的云系，其每一种形态，都对应着两股气流特定的碰撞角度以及强度。仅仅只追云的移动，却不还原风的相互作用，这就如同仅仅只看病人的脸色，而不去查病因一样，永远都无法真正理解天气系统的本质。

至此，一个清晰的结论浮现：

云导风好用，但不够 “物理”；能填补空白，但难以触及本质。

就想要将卫星观测数据真正地运用好而言，必定得跳出那个“以云导风”的经验框架，从而迈向一条更为底层、更为严谨的全新道路，也就是物理分解法。

三、物理分解法：不靠云，也能从卫星数据里 “算” 出风

物理分解法的思路清晰得很：不把云当作标记，而是直接将其从卫星探测得到的温度、湿度开始，运用动力学方程去“算”出风场。

大气作为一个满足物理平衡的系统是其核心逻辑所在，温度、气压、风这三个变量并非孤立，除掉湿度外，它们相互约束且可相互推导，只要获取到高时空分辨率的温度或者气压，借助动力学平衡关系就能反演出风场。

整套方法可以简洁地分为四步：

1. 数据匹配

将长时间序列的卫星，高精度的温度产品、湿度产品，同全球探空观测的温、压、湿、风这四个变量，进行时间与空间上的对齐，构建起可靠的对应关系。

2. 状态分解

把大气变量拆成两部分：

· 基本态是，气候平均背景场，其代表着稳定以及缓慢变化的 “正常大气”。

· 扰动态，它呈现为短时的情况，属于中小尺度的异常现象，，其乃是暴雨、台风以及强对流的，真正 “元凶”。

3. 扰动风反演

借助扰动场里的地转平衡、热成风平衡等动力学类关系，单单利用卫星观测的扰动温度，便能够反推出扰动风场、以及扰动气压、还有扰动位势高度。而后将扰动风跟基本态风进行叠加，如此便得到了接近真实大气的高分辨率风场。

4. 同化验证

与探空融合校准，与雷达融合校准，与浮标等观测融合校准，用独立的天气案例检验，不断地优化参数，确保最后的结果可靠。

物理分解法最精彩的应用在于：

有着，扰动湿度正值的区域，加上，存在上拽力叠加的区域，等于，是最容易形成云致使下雨的地区。

它可以算出风，还能够直接进行定位，对极端降水作出定量且定时的诊断，从原理而论，相较于云导风，它更贴近天气发生之物理本质这件事。更为重要的事项是，这套方法并不依赖云。在晴空区的情况之下照常会反演风场，达到真正达成全球全覆盖、全高度层以及物理自洽的风场反演这一结果。它使得卫星转变成为 “看透大气的视镜”，而非 “拍云的相机”。

四、从 “看云猜风” 到 “以物理算天”：卫星气象的未来

回头去看云导风这份发展历程，它是在人类去填补全球风场空白，而当时观测条件存在着限制情形之下，做出来的勇敢且具备实用意义的尝试之举，在气象业务的历史当中留下了不可被替代的价值。然而它终归是一种经验方法，受到了“云导风”假设的限制，没有办法突破动力学所带来的那种天花板。

之争，“云导风” 与 “风生云。表面是技术路线选择，本质是经验观的测和风物理的本质之间的争，天气预报如果想要更上一层楼，那么就应该必然从 “看现象” 走向 “懂机理”。

物理分解法的出现，给出了一条更科学的路径：

以大气动力学为立足点，挖掘卫星温湿观测里边潜在的信息，达成高时空分辨率、呈现全覆盖状态、具备可解释性、拥有可验证性的风场反演，它能够同时给出扰动温、压、湿、风这四个关键变量，为极端天气的精准预警贡献坚实支撑。

未来，风场反演的方向已经非常明确：

以物理动力学作为骨架，借助 AI 和大数据当作工具，依靠多源卫星观测成为血肉，走出一条具有“物理 + 数据”融合特点的全新道路。这不但能够解开当年藤田未曾解决的科学难题，而且还能将全球大气监测、数值天气预报、灾害性天气预警提升到一个全新的高度。

从抬头仰望那云图，到深入去理解大气；从依据“云导风”的经验来进行猜测，到凭借“风生云”实现对物理的掌控。人类针对天空展开的探索工作，始终是处在朝着更接近真理的道路上前行。而气象卫星上面所携带的东西，远远不只是具备一双眼睛那么简单，更是有着一套能够解读大气运动规律的智慧大脑。

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