你可有玩電腦模擬遊戲的經驗呢?在虛擬世界駕駛火車，建造城市，甚至管理國家，過程既有趣又有挑戰性。你會否想更進一步，化身大自然之母，呼風喚雨，模擬天氣的變化呢？若你有興趣，便要認識一下數值天氣模式。

天氣其實反映大氣的狀況，大氣變化受物理定律如牛頓運動定律、氣體定律、熱力學方程及連續性方程等支配。若我們把三維的大氣層劃分成很多網格點，並從觀測數據推算出如氣壓、溫度、風、大氣密度及濕度等氣象参數於各點之初始值，便可根據上述方程計算各參數未來的數值，從而預測天氣。

挪威氣象學家皮葉克尼斯於1904年提出以上概念。其後英國氣象學家理查遜設計了詳細的計算程序，以數值方法尋求近似解。由於當時未發明通用電腦，運算又十分繁複，他用了差不多6星期的計算時間才能完成6小時的天氣預測。不過，由於其預測的氣壓變化達145百帕斯卡，誤差遠超正常，因此當他於1922年出版其計算方法時，並未受到重視。其後氣象學家查尼與數學家馮紐曼等簡化了所用的數學模型，並由第一部通用電腦 – 電子數值積分計算機 (ENIAC) 執行，終於第一份電腦計算的數值天氣預報在1950年出現了。 在數值天氣模式投入業務運作的初期，有些預報員對它抱懷疑的態度，但隨着電腦運算能力增加、數值天氣模式技術改良及天氣觀測數據數量和質量的改進，數值模式的準確度大大提昇，它已成為預報員不可或缺的伙伴。

有些時候，預報員參考數值模式時，會察覺模式有系統性偏差。另外，對同一網格內的地點，電腦模式只會預測同一個天氣狀況，若果網格範圍內實際的地形及地表特徵等變化很大，模式預報的地面氣溫、風向及風速等會與實況有很大差異。針對這些情況，我們會對模式輸出進行後處理，減低模式預報的誤差，增加模式輸出的應用價值。

雖然天氣模式不斷進步，但我們使用時仍要了解它的局限，例如：模式的物理過程經過簡化，未能完全反映真實的大氣過程；模式不能分辨細於其分辨率（即網格點之間的距離）的天氣；觀測數據會有誤差及覆蓋範圍不足的情況，影響模式的表現；最重要的是大氣屬於混沌系統，即是說：只要初始值有些微誤差，預測的值可以出現很大的誤差，因此限制了遠期天氣預報的準確性。

數值天氣模式除了用於日常預報外，也可變成大氣實驗室，作出現實中難以進行的模擬，例如研究海面溫度上升對熱帶氣旋發展的影響。電腦天氣模式的預報資料亦會利用於運算海面波浪、風暴潮等專門預報模式。數值天氣模式技術亦應用於氣候模擬，協助研究氣候變化及全球變暖等課題。如果你對數值天氣模式有興趣，或許你可以想想它還有那些其他用途呢？