中国的许多气象台站起步之初，预报员通过学习和了解当地人民群众长年累月积累的天气经验，参考当地的天气谚语，以及动物在天气变化前的反应等来制作天气预报。随着科技的进步，预报员通过卫星、天气雷达和自动观测点等获取天气资料，运用计算机预报未来天气，就很少再使用气象谚语预测天气了。即便如此，很多谚语对于预报员仍能起到一定的启示作用。而现代科学证明，有的天气谚语具有丰富的科学内涵。比如，“天上钩钩云，地上雨淋淋”就是如此。钩钩云在大气科学中叫钩卷云，强烈的对流天气系统常常能形成大范围的卷云。因此，钩卷云一旦出现，就预示着产生降水的天气系统即将来临。另外，有些天气谚语还包含着朴素的哲学思想，如“热极生风，闷极生雨”，天气的变化确实是循着这个规律而发展的。
现代天气预报开始于天气图的诞生。早在1820年，德国人布兰德斯利用《巴拉丁气象学会杂志》上刊载的气象观测资料，将1783年3月6日德国各地同一时刻的气压和风的记录填在地图上，在莱比锡绘成了世界上第一张历史天气图。图面上虽然只有39个观测点的观测记录，但就是这张“貌不惊人”的天气图，从此拉开了天气学发展的序幕。1851年，英国人格莱舍在英国皇家博览会上展出了第一张用电报收集各地气象观测资料而绘制的地面天气图。
但是，真正推动天气图得到快速发展和业务应用的原因，却是由于一次战争中成千上万士兵的死亡教训所引起的。1853～1856年，为争夺巴尔干半岛，发生了沙皇俄国与土耳其、英国、法国和撒丁五国的战争。当时，土耳其建立了奥斯曼帝国，国土横跨欧、亚、非三洲。俄国为控制黑海海峡，伸足巴尔干半岛，于1853年6月寻找借口，出兵占领摩尔迖维亚和瓦拉几亚。10月，土耳其对俄国宣战。11月，俄国舰队在黑海击溃土耳其舰队，引起英、法的干涉。为了阻止俄国势力的扩张，1854年3月，英、法对俄宣战，这就是历史上有名的克里米亚战争。1854年11月14日，英法联军包围了塞瓦斯托波尔，陆战队准备在巴拉克拉瓦港湾地区登陆。然而当时一场风暴突然袭来，黑海海面上掀起了滔天巨浪，风力达11～12级，法国军舰“亨利四号”沉没于黑海北部的佛斯陀，英法联军几乎全军覆灭。
风暴给当时的执政者拿破仑三世震动很大，法国作战部事后要求法国巴黎天文台台长勒佛里埃研究这次风暴。那时还没有电话，勒佛里埃就写信给各国的天文、气象学家，收集1854年11月12～16日5天内的气象情报。这一行动得到科学家们的大力支持，他一共收到250封回信。勒佛里埃依据这些资料，绘制了5张逐日天气图。经过认真分析，发现这次风暴是由一个低气压引起的。这个低气压开始出现在欧洲西部大西洋上，以后自西向东南移动，出事前两天，即11月12日和13日，西班牙和法国西部已受其影响，14日就东移到了黑海地区造成法国军舰的沉没。
1855年3月19日，勒佛里埃在法国科学院作报告时讲道：“若组织气象观测点网，用电报迅速地将观测资料集中在一起，分析绘制成天气图，便可以推断出未来风暴的运行路径。”勒佛里埃的这一倡议，在法国乃至世界各国引起强烈反响。1856年，法国组建了世界上第一个利用有线电报通信的正规的天气预报业务系统。受其影响，此后许多国家也陆续建立起天气观测点网。1863年，法国巴黎天文台正式向本国和欧洲有关港湾发布大风警报。
伴随着地面天气图的出现，天气学的理论也在不断发展。20世纪初，以皮叶克尼斯父子为代表的挪威学派，先后提出了气团和锋的概念以及锋面气旋的理论。这些理论成为现代天气预报理论的基础之一，不仅丰富了天气图的内容，而且使连续的天气图变成了能反映气团、锋面和气旋等天气系统变化、移动的“连续剧”，只要跟踪观测和分析这些多变的天气系统，就可以进行1～3天的天气预报。而且，这个气旋发展模式不仅是中纬度天气预报的重要理论根基，更是天气预报发展史上的一个里程碑。
1933年，德国人谢尔哈格开始绘制高空天气图。1939年，瑞典气象学家罗斯贝提出大气长波理论，成为现代天气预报的理论基础，也是天气预报发展史上的一个里程碑。它延长了天气预报的时效，开创了三维空间的天气分析，使制作3～5天的中期预报成为可能。
预报员应用上述天气学的理论和方法，通过分析高空和地面天气图上天气系统的移动和变化，就可以对某一区域未来的天气做出预报。
天气图的诞生至今已有150多年的历史，天气学理论和方法的发展至今也有100多年的历史。它们对推动天气预报的发展起到了重要的作用，具有划时代的意义。但是，不可回避的是，天气图方法在分析天气形势以及进行气象要素预报时，还存在着一定的主观和定性的成分，因而不够完全客观和定量。
20世纪40年代前后，数值天气预报问世，定性天气预报向定量天气预报的跨越得以实现。
8.3.2数值天气预报的由来
19世纪，由于流体动力学和热力学的进展，物理学家已经掌握了支配大气运动的基本物理定律。在天气图诞生后不久，欧美等国的一些科学家就曾提出设想：可根据流体运动的物理定理，用数学的方法去描述大气如何运动，并通过计算得到大气的未来状态，从而制作出定量的天气预报，即所谓数值天气预报。
三位数值天气预报的先驱
1890年前后，美国气象学家阿贝（1868—1916）认识到气象本质上是流体动力学和热力学在大气上的应用。他在论文《长期天气预报的物理基础》中提出一种气象预报的数学方法。
1904年，挪威学者皮叶克尼斯（1862～1951）在世界上首次提出数值天气预报理论，认为大气的未来状态原则上完全由大气的初始状态、已知的边界条件和大气的物理方程（运动方程、质量守恒方程、状态方程、热力学方程）共同决定。也就是说，在给定大气初始状态和边界条件下，通过求解描述大气运动变化规律的物理方程组，可以把未来的天气“较精确地”计算出来。皮叶克尼斯不仅自己提出动力天气预报的理论方法，而且还将他的思想、观点逐步灌输给他的学生罗斯贝（1989～1957）、埃利亚森（1915～2000）和费约托弗特（1913～1998），他们后来都成了世界上著名的气象科学家。
1910年，英国科学家理查森（1881～1953）首次提出直接用数学方法求解描述大气运动变化规律的物理方程组。他用未经简化的完全原始方程，取水平格距200千米，垂直4层，层顶为200百帕，中心位于德国，把1910年5月20日07世界时的气象观测作为初值，借助一把10英寸（1英寸=2.54厘米）的滑动式计算尺，制作出了世界上第一张6小时地面气压数值预报图，时间积分为1910年5月20日04～10世界时。可是，这张地面气压预报图“预报”的6小时气压变化为146百帕，实际观测气压几乎没有多大变化。从精度上看，该预报毫无参考价值，而且其计算时间花了将近一个月，从时效上也已毫无“预报”意义。
理查森估计，用当时的计算工具，要从时效上做出有“预报”意义的天气预报来，需要64000人同时进行模式计算才行。理查森的首次数值预报试验虽然失败了，但却是用原始方程模式的第一次尝试。
气象学家揭示出了大气中最主要的波动是罗斯贝波，这为数值天气预报简化模式发展奠定了大气科学理论基础。第二次世界大战后，地面和高空观测密度、范围大大增加，并出现大容量、高速电子计算机，为数值天气预报模式发展提供了可靠的基础条件和有力的计算工具。1950年，查尼（1917～1981）等借助美国的世界首台电子计算机（ENIAC），用滤掉重力波和声波的准地转平衡滤波一层模式，也就是用简化模式，成功地制作出了500百帕高度场形势24小时预报，从而开创了数值天气预报滤波模式时代。
继查尼等成功之后，罗斯贝返回欧洲瑞典领导一个研究小组，也成功地利用瑞典制造的、当时世界上强大的BESK计算机，再现了查尼等的数值预报试验。4年后的1954年，瑞典在世界上率先开始了业务上的实时数值天气预报，较之美国开始业务数值天气预报早了6个月。从这一年开始，数值天气预报从纯研究探索走向了业务应用，同时也意味着地球科学首先由大气科学开始从定性研究向定量研究迈出了坚实的第一步。
查尼并不止步于其滤波模式的成功，而是用非滤波原始方程模式进行了第二次尝试。准地转滤波模式对于研究认识副热带大尺度大气动力过程是很有用的，但是它太简化，精度不足以使数值天气预报研究应用不断发展，用原始方程模式取而代之就成了最可能的选择。要从滤波模式走到原始方程模式必须逾越两道障碍，一是理查森揭示出来的如何获取足够精度的初始水平散度场的问题，而水平散度不是气象观测变量；二是如何选择满足计算稳定条件的时间步长，这意味着若时间步长过短，对计算机能力要求过高而影响其可行性。查尼通过小时间步长和初始水平散度取为零的正压原始方程模式，试验证明了原始方程模式用于数值天气预报中是可行的。
查尼对非绝热和摩擦项、水汽凝结过程、辐射过程、湍流过程等物理过程的重要性和作用进行了研究，注意到次网格物理过程的参数化影响问题，引出了次网格参数化方案的使用。斯玛格因斯基（1924～2005）首先引入湿绝热过程参数化获得成功。20世纪60年代中期，一批有影响的参数化方案相继提出，真锅淑郎（1931～）等提出了简单干对流调整过程参数化方案，并成功地用于许多数值天气预报模式中。20世纪60年代中期，次网格物理过程参数化的重要性得到了确定，逐步走向成熟。
1965年，包含有简单物理过程参数化方案，较完善的原始方程数值天气预报全球模式逐渐形成。斯玛格因斯基等提出了当时较高分辨率的9层大气环流模式，数值试验结果表明，该模式的设计构造是成功的，这是数值天气预报模式业务应用10年后，在数值天气预报模式设计上取得的重大突破，为现代数值天气预报模式的研究与应用奠定了重要基础。
中国是数值天气预报起步较早的国家之一。早在1950年，中国就开始了数值天气预报的理论研究工作。20世纪70年代末之前，老一代数值预报专家曾先后尝试过两层模式、简单的北半球正压过滤模式、三层原始方程模式的开发和试验，但由于当时特殊的历史原因以及通信能力和计算机资源的限制，因而没有建立起真正意义上的数值天气预报业务。改革开放以来，经过30多年的发展，中国的数值预报进入了真正的大发展时期，中国已建立起比较完整的数值天气预报业务体系。截至目前，中期预报模式、区域预报模式已由中国自行研制，台风路径预报模式、海浪预报模式、环境预报模式、集合数值天气预报系统等也都相继投入业务运行，中国已发展成为世界上开展全球、有限区和中小尺度数值模式预报的主要国家之一。
8.3.3数值预报的限制
由于受科技水平的限制，数值天气预报仍然存在较大的误差。一是模式不可能像照相那样把大气层描述出来，模式无论如何精细，始终都只是一个简化了的大气层，并不能把每一个真实的大气层要素和物理过程像工笔画一样给画出来。模式的网格距即使精细到10千米以内，仍会有较小的天气现象被漏掉。且同化资料是基于测点的分布，没有那么密布的台站，网格距越小，同化资料的误差也会越大，以至于失去真实的意义，成为数学游戏。这就涉及到观测资料和模式初始场与实际大气之间的误差，小的初始场误差，很可能会导致预报结果大的谬误。大气层原本就是一个非常混沌模糊的复杂系统，时空演变时刻不停，初始情况很细微的差别，很有可能产生极不相同的结果。模式数学方程组进行离散化时也会造成一定的误差，某种能够加大误差的运算，如果使用过多也会造成误差过大，次网格尺度物理过程的参数化方案也存在误差。
