数值天气预报的预报时效是有限的，对于大气环流的预报时效可达到一周以上，而对于较小的天气系统，预报时效最多只有几天；对于夏季的短时暴雨等强对流天气，尺度更小，预测能力就更弱了。还需要寻找新的方法解决这些问题，于是就有了“蝴蝶效应”所引出的集合预报。
8.3.4蝴蝶效应理论的问世
1963年，美国气象学家爱德华·诺顿·洛伦兹（1917～2008）为了预报天气，用计算机求解仿真地球大气的13个方程式，意图是利用计算机的高速运算来提高长期天气预报的准确性。为了更细致地考察结果，在一次计算时，洛伦兹对初始输入数据的小数点后第四位进行了四舍五入。他把一个中间解0.506取出，提高精度到0.506127再送回重新计算。当他喝了杯咖啡以后，回来再看时大吃一惊，本来很小的差异，使得前后结果的两条曲线相似性完全消失了，两个结果偏离了十万八千里。再次验算发现计算机并没有毛病，是因为一个微小的误差随着不断推移造成了巨大的偏离后果。
洛伦兹在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及，如果这个理论被证明正确，一只海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。对于这个效应最常见的阐述是：“一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国德克萨斯州的一场龙卷风。”其原因就是蝴蝶扇动翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并产生微弱的气流，而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起一个连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。
洛伦兹认为，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性。在大气运动过程中，即使各种误差和不确定性很小，也有可能在过程中将结果积累起来，经过逐级放大，形成巨大的大气运动。洛伦兹认定自己发现了新的现象，认定“对初始值的极端不稳定性”，就是“混沌”。由于他得到的图像很像一只张开双翅的蝴蝶，因而他形象地将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释，于是便有了“蝴蝶效应”的说法。
蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。“混沌”理论与我们的日常生活息息相关，从浪花的破碎、闪电的位置到股票市场的波动等，都存在“混沌”理论所描述的不确定性。“混沌”理论也说明了预报天气和其他自然现象时的能力有限。在不断努力追求更准确预报的同时，也必须看到大自然存在着极限。
8.3.5集合预报方法的出现
1965年，洛伦兹基于模式大气的初值敏感性，提出了一个解决数值天气预报不确定性问题的新办法，就是集合预报。初始状态不一样，数值预报就可能得出完全不同的预报结果；即使相同的初始状态，不同的模式也很可能得出不同的预报结果。随着预报时效的延长，这种差异越来越大。
集合预报是将模式的初始场稍做改变，然后再次做一次计算，得出预报。这样重复多次，得到一系列的预报，称为集合预报。如果集合预报的结果基本吻合，预报的可信程度较高。一系列的结果如果不吻合，集合预报显示可能出现不同的天气情况，对预报员也能提供有用的参考价值。
集合数值天气预报就是从一组初值出发，得到一组数值预报。因为得到这组数值预报所用的初值和模式过程彼此之间有一定的差别，所以就反映了前面提到的大气的不确定性。从而把过去传统意义上单一的确定性天气预报，变成不确定性预报。集合预报的目的就是尽可能使得到的这组不确定性预报包含未来大气可能出现的所有状态，从而达到提高预报水平的目的。集合预报是数值预报的一次革命，这是从“确定论”向“随机论”转变的思维模式。还有一点值得指出的是，集合预报并不是随便把几个数值预报放在一起。每个数值预报系统的建立都要有其合理性。
一个理想的集合预报系统应包括几个条件：一是从平均统计意义上看，集合预报中的每个结果的准确率应大致相同，某个或某些预报结果不应该总是比其他一些结果准确，否则集合预报方法就失去意义了。二是从平均统计的意义上看，一个具有N个结果的预报集合应该有（N－1）÷（N＋1）×100%的可能性包含大气的实际情况，其预报结果间的离散度同均值预报误差大小大体上相当，但现有的绝大多数集合预报系统的离散度均偏小。三是预报集合中成员间的离散度应该反映真实大气的可预报性或预报的可信度。离散度越小，可预报性越高，预报可信度越大；反之可预报性越低，预报可信度越小。
经过一个世纪的数值天气预报理论研究，以及半个世纪的业务化应用实践，现代的数值天气预报技术取得了迅速的发展。特别是最近一二十年来，随着大气探测资料的不断丰富，随着高速度、大容量的巨型计算机及其网络系统的快速发展，更是助推了数值天气预报的发展步伐。首先，由于遥感资料的增加，资料的四维同化和分析方案获得突破性进展，许多国家实现了商用飞机观测资料的同化，天气雷达、气象卫星、风廓线和自动气象站等资料的同化在提高数值预报质量方面起到了重要作用。欧洲中期数值预报中心和美国国家气象中心等已经建立全球资料变分同化系统，中期数值天气预报水平分辨率达到了60千米，垂直分层大于30层，数值天气预报可用时效中高纬度达到8～10天，低纬度达到5天。其次，有限区域数值天气预报模式正在全面向中尺度预报模式发展，从全球模式中引进边界值，从稠密的探测网中获取常规和非常规的观测资料，物理过程得到进一步完善，水平和垂直分辨率不断提高，德国气象局和美国天气局中尺度模式的分辨率已达到2千米，制作更精细的数值预报已成为可能。此外，由于大气是一个非线性的耗散系统，依赖于初值的确定性预报的时效是有限的，到了一定的时效有可能出现分岔。为了进一步延长时效，集合预报在许多国家先后发展起来，它对于延长预报时效，提高预报的精度和减少预报的不确定性等方面发挥了作用。
总之，数值天气预报已成为现代天气预报业务发展的主流方向。利用高性能计算机进行的数值预报是现代天气预报的核心，数值预报水平的高低也是衡量一个国家气象现代化水平的重要标志。
8.4天气预报的分类和发布
每天清晨，当老人们起床后要外出晨练，当青少年学生背起书包要赶往学校，当中年人带好公文包即将奔赴工作岗位之前，大家都会不约而同地首先想到今天白天的天气如何。是否会刮风或下雨？要不要带雨具？晚饭后，当一家人围坐在沙发上观看电视节目时，都不会忘记观看天气预报节目，了解一下明、后天当地可能出现的天气状况，特别是准备到外地旅游或开会的人士还要关注目的地未来几天的天气状况。据统计，目前气象预报信息涵盖广播、电视、报纸、电话、手机、网络、电子显示屏等多种途径，公众覆盖率达到90%以上。全国各地电视天气预报节目多达3000多套，中国气象频道在全国30个省（区、市）的279个地级以上城市落地，电视天气预报已成为收视率最高的节目之一。然而，天气预报都有哪些产品，天气预报的发布和传播又有何规定，如何才能做到更准确地收听或收看到天气预报，却并不是每一个人都很清楚的。
天气预报按预报的对象，可分为常规、专业、专项和专题四种预报。其中，常规天气预报指的就是公众经常收听或收看到的天气预报，其内容包括天空状况（晴、阴、雨、雪等）、风向和风力、最高和最低气温以及相对湿度等气象要素；专业天气预报指的是针对某一专业领域的特殊需求而制作的天气预报，如航天、航空、电力、交通、海洋等天气预报；专项天气预报指的是针对重大工程建设项目或重大军事演习活动而制作的天气预报，一般不对外公开发布；专题天气预报指的是针对重要节假日（如国庆节、春节）、关键农时季节（如三夏、三秋）、关键时段（如高考、春运期间）以及重大灾害性天气或突发事件制作的专题气象预报服务材料。
天气预报按预报的时效，可分为中期、短期、短时和临近四种预报。其中，中期天气预报是指第4～10天的预报；短期天气预报是指1～3天，即24小时、48小时和72小时内的预报；短时天气预报是指12小时内的预报；而临近预报则是指2小时内的天气预报。
天气预报是一种特殊的产品，2000年1月1日起施行的《中华人民共和国气象法》，对天气预报的发布和传播有明确规定：
第二十二条：国家对公众气象预报和灾害性天气警报实行统一发布制度。各级气象主管机构所属的气象台站应当按照职责向社会发布公众气象预报和灾害性天气警报，并根据天气变化情况及时补充或者订正。其他任何组织或者个人不得向社会发布公众气象预报和灾害性天气警报。
第二十五条：广播、电视、报纸、电信等媒体向社会传播气象预报和灾害性天气警报，必须使用气象主管机构所属的气象台站提供的适时气象信息，并标明发布时间和气象台站的名称。
第三十八条：违反本法规定，有下列行为之一的，由有关气象主管机构按照权限责令改正，给予警告，可以并处五万元以下的罚款：（一）非法向社会发布公众气象预报、灾害性天气警报的；（二）广播、电视、报纸、电信等媒体向社会传播公众气象预报、灾害性天气警报，不使用气象主管机构所属的气象台站提供的适时气象信息的。
2007年6月12日，中国气象局令第16号公布的《气象灾害预警信号发布与传播办法》也有明确规定：
第七条：预警信号实行统一发布制度。各级气象主管机构所属的气象台站按照发布权限、业务流程发布预警信号，并指明气象灾害预警的区域。其他任何组织或者个人不得向社会发布预警信号。
第十条：广播、电视等媒体和固定网、移动网、因特网等通信网络应当配合气象主管机构及时传播预警信号，使用气象主管机构所属的气象台站直接提供的实时预警信号，并标明发布预警信号的气象台站的名称和发布时间，不得更改和删减预警信号的内容，不得拒绝传播气象灾害预警信号，不得传播虚假、过时的气象灾害预警信号。
第十四条：违反本办法规定，有下列行为之一的，由有关气象主管机构依照《中华人民共和国气象法》第三十八条的规定追究法律责任：（一）非法向社会发布与传播预警信号的；（二）广播、电视等媒体和固定网、移动网、因特网等通信网络不使用气象主管机构所属的气象台站提供的实时预警信号的。
了解了这些规定，大家就可以明白，只有通过正规的途径和方法去收听或收看天气预报节目时，才能得到比较准确的气象预报信息。而目前有些网站、公司、宾馆、饭店等单位利用不同的媒介形式在传播天气预报时，往往都不注明是哪个气象台什么时间发布的，很容易转发过时甚至是错误的气象预报信息，这一点大家一定要注意。
随着科学技术的进步，大气探测技术得到了迅速发展。迄今为止，大气探测技术发展经历了3个阶段：以水银气压表发明和地面观测网站组建为代表的地面观测发展阶段，以探空仪发明和高空观测网站组建为代表的高空观测发展阶段，以及气象雷达使用和气象卫星发射成功为代表的近代大气探测技术发展阶段。20世纪大气科学的迅速发展，得益于大气探测技术的发展。气象卫星已成为制作全球天气预报不可或缺的大气遥感技术；多普勒雷达可获得大气水平和垂直风场、降水滴谱、大气湍流等信息，新一代天气雷达可提供降水强度、径向风速、干线、阵风锋、龙卷涡旋、中尺度涡旋、下击暴流等信息；风廓线仪可测定风向、风速和垂直运动，对研究小尺度天气和强对流风暴等有重要价值；GPS定位系统为高空探测技术的发展带来了新契机。
大气探测技术的发展，观测资料的日益丰富及不断揭示出新的观测事实，以及计算机技术的发展，促进了天气预报现代化的进程。20世纪初，诞生了数值天气预报理论。1910年，英国科学家首次提出直接用数值积分方程求解。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。数值天气预报自此从纯研究探索走向了业务应用，大气科学从定性研究向定量研究迈出了坚实的第一步。经过一个世纪的数值天气预报理论研究，以及半个世纪的业务化应用实践，数值天气预报取得了迅速的发展，已成为现代天气预报业务的基础和发展的主流方向。数值天气预报技术不断发展和完善，使天气预报从一门技术发展为一门科学，从主观定性预报发展为客观定量预报。
