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            為什么有些天氣很難準確預報?

            氣象科普|時間:2020年09月24日 信息來源:貴州氣象在線 責任編輯:魏明 點擊量:

              8月12日北京一場暴雨,誕生了無數個關于預報準確率的網絡段子,一時熱度非凡。那天白天,公眾都在等雨,但北京多地的雨下得稀稀拉拉;到了晚上,大雨傾盆而下,人們早已守在家里,準備休息。

              雨確實下了,公眾卻不買賬,為什么會存在這樣的矛盾?那么,公眾需要的是什么樣的天氣預報?從科學角度看,天氣預報又能做到什么程度?哪些天氣是不可預測的?

              需求無限但天氣可預報性有限

              提到天氣預報,大多數人最想知道的是:我這里幾點下?幾點停?下多大?但這個問題,預報員卻常常很難回答,主要原因就在于天氣的可預報性與天氣類型、時空尺度和預報時效息息相關。

              比如,溫度、雨、風、濕度等不同類型的天氣或天氣要素可預報性不同,預報準確率也不一樣。即便是同一天氣類型,比如雨,雷陣雨和連陰雨的可預報性也天差地別。一般來說,雷陣雨等局地突發性天氣的可預報性較低。

              此外,不同時空尺度也導致可預報性不同。北方地區某天有一次暴雨過程,與你家門前某天中午12點會下雷陣雨是完全不同的尺度,前者涉及范圍廣為大尺度,后者涉及范圍極小為小尺度。而在預報時效方面,提前三天預報和提前15分鐘預報的可預報性也完全不同。

              對天氣預報來說,“時空一致性”是萬變不離其宗的規律——預報時間尺度越大,可預報的空間尺度就越大;預報時間尺度越小,可預報的空間尺度就越小。通俗地說,要提前越長時間來預報天氣,就只能預報更大范圍更模糊的天氣,就像小學生不需要專業知識,也能提前一年預測第二年8月份北京會有一場雷陣雨一樣。但若想知道某天下午5點家門口是否下雨,預報提前量就會相應減少。

              這些不同的天氣類型、時空尺度和預報提前量錯綜復雜地組合在一起,形成了千變萬化的可預報性。為了追求更精準的預報,氣象工作者使出了渾身解數,但遺憾的是,目前的科學水平仍不能完全滿足公眾的需求。

              再回到北京暴雨。這場暴雨屬于暖區對流暴雨,正是降雨中預報難度較大的一種。所以前一天,預報員告訴公眾,第二天北京有一場“很厲害”的暴雨,城區的累計降雨量會達到100毫米,雖與公眾的期待有一定距離,但已是十分準確的預報。

              感官靈活但天氣業務標準很“死板”

              另一個常令公眾對天氣預報產生質疑的問題是:這天氣怎么和說好的不一樣呢?

              比如,暴雨至少看上去應該疾風驟雨、瓢潑而下。但有時候說有暴雨,結果時不時淅淅瀝瀝下一會兒,也說報準了。再比如,炎炎夏日,明明熱得受不了了,感覺氣溫飆到40℃之上了,天氣預報卻說只有35℃。

              關于暴雨,根據《暴雨災害等級》等國家標準,24小時連續降雨量達50~99.9毫米,或者12小時內降雨量達到30~69.9毫米的降水被稱為暴雨。至于雨是以什么姿態來到大地,國家標準并未規定。所以,淅淅瀝瀝下半天或一天,只要降雨量達標,就是暴雨。

              而溫度的差別就更明顯了。氣象業務中用到的氣溫數據,由安裝在百葉箱中探測氣溫的儀器測得。百葉箱要求通風好,要避開太陽的直接照射,還要避免受地面反射的光和熱的影響,因此通常距離地面有一定高度,安裝在草坪上。

              它測得35℃的高溫,但公眾很詫異,這是因為人們的體感溫度不同。體感溫度的根本影響因子是體表與外界熱量的交換及其速度,受日照、風、濕度及人群是否聚集等多方面影響,人與人之間差異很大。夸張一點說,同樣的溫度下,在樹蔭下乘涼、在戶外工地干活和在空調房里吃西瓜的人感受完全不同。

              而這,便是天氣業務標準不能跟著公眾感覺走的根本原因。氣象數據既需要長時間序列的積累來進行歷史縱向比較研究,又需要進行全球區域的橫向比較研究。為此,無論是觀測還是預報,規定氣溫都依照同一個標準即百葉箱測溫來度量。有了這樣的基準,才有可能進行各種復雜條件下不同體感溫度的推算,更好地應用于氣象預報服務。

              當然,氣象服務并非一點兒不近人情。在“硬梆梆”標準之上做出預報,再結合公眾的需求,也誕生了許多個性化的服務產品。

              科技如此發達天氣預報為何還會出錯

              許多人都聽說過,現在的天氣預報是靠超級計算機算出來的,所以總會疑惑:在科技如此發達的今天,天氣預報竟然還會出錯?

              超級計算機算出來不假,但模擬和計算背后,還涉及十分復雜的科學問題。

              天氣變化是太陽輻射和大氣圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈、水圈等5大圈層共同作用的微觀結果。從微觀層面來說,太陽輻射和5大圈層的所有要素無時無刻不在發生變化。人類對它們和它們的變化認知還十分有限。在這樣的情況下,還要對其進行模擬,局限性可想而知。

              算的過程也不簡單。用超級計算機模擬未來天氣本質上就是在解一套方程。這套方程組包含了牛頓運動定理、質量守恒定律、能量守恒定律等,是科學家長期以來研究大氣運動的智慧結晶。觀測資料作為初始條件輸入方程組,超級計算機開始運算并給出方程解,也就是未來天氣的相關數值。

              這其中不可避免地存在局限性和誤差。比如,任何觀測手段都有局限性且存在誤差;對大自然知之不多卻要用計算機去模擬它的狀態必然存在誤差;再強的超級計算機計算能力也是有限的,計算時舍棄的小數點后8位之后的數值也許就會令最終的模擬結果產生很大不同,正所謂“失之毫厘,謬以千里”。

              另外,從預報方法上來說,對某一種天氣是否出現的判斷是基于分析模擬出的未來大氣狀況是否具備發生這種天氣的物理條件。當一種天氣發生時,一定是具備了某種物理條件的,因此我們可以事后解釋和總結并幫助未來預報。但是,這些條件通常僅是天氣發生的必要條件而不是充分條件,也就是說即便出現了這樣的條件,卻不一定會發生同樣的天氣。更何況,當前人類認知的局限可能使得這些條件的考慮并不完備。這就決定了事先的預報總是非常困難。

              即便我們排除科學技術的局限性,僅從天氣預報的表述和傳播來說,預報準確與否其實只是一個相對的概念。大尺度上的準確預報在時空分辨率提高的情況下可能就變得不準確了。比如說“北京明天下雨”這個預報就是大尺度的,只要未來24小時北京境內的任意地方下了雨,這個預報就是準確的,但假如將時空分辨率提高,北京天安門沒有下雨,這個預報就變成了不準確。

              總之,盡管這些種種不足的方面一直在進步,但卻堪稱永無止境,因此從絕對意義來說天氣預報永遠不會完全準確。我們常說人類要敬畏自然,那么接受預報不準確就是氣象人對自然的敬畏,當然這也促使氣象人在提高預報準確率的漫長道路上上下求索。

              回顧歷史,科學地進行天氣預報不過短短一百多年,科學且大致可靠的天氣預報只不過幾十年,大氣科學還仍然是一門新興的科學。大氣科學又是典型的交叉學科,天氣預報的每一次躍進都建立在其他學科躍進的基礎之上。比如,無線電的發明推動了高空大氣探測;氣象雷達根本上來自于二戰時期軍用雷達的發展;航天科技的衛星將大氣探測能力空前推進;20世紀初誕生的數值預報構想在半個多世紀后計算機的發展背景下才得以實現。從這個意義上來說,天氣預報準確率的提高根本上取決于全人類科技的進展。

              自然何其神秘,才讓人探之無窮盡。像醫生許愿治好每一位患者,卻因對生命奧秘的認識有限,對某些病癥缺乏有效治療手段一樣,預報員期望報準每一次天氣,卻無法避免錯報,也不能無條件地做到定時定點預報。

              當然,這些年醫療水平進步很快,天氣觀測手段和預報技術也取得了長足發展。可是,世界上并沒有什么“長生不老藥”,對天氣預報的無限需求和有限能力之間的矛盾也將永遠存在。

              

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