|
||||
新聞背景
俗話說,“六月天,孩兒臉,說變就變。”眼下正值農曆六月,變化無常的天氣無疑也給天氣預報帶來了更大的難度。上週,一場被預報的大雨和北京擦肩而過,也說明了天氣預報的不確定性。
隨着科學技術的不斷進步,雖然天氣預報的準確率不斷提升,但也不可能達到100%。有人說:“天氣預報就是八分把握加兩分冒險。”那麼,八分把握從何說起?兩分冒險又源於什麼?
大氣運動一幅難以還原的拼圖
一隻在南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶,偶爾扇動幾下翅膀,可以在兩週以後引起美國得克薩斯州的一場龍捲風。這是大家所熟知的“蝴蝶效應”,是關於混沌學的一個比喻,最初由美國氣象學家愛德華·羅倫茲提出。
“天氣氣候預測不確定性的最基本原因是系統的混沌行爲。混沌意味着,差異極小的兩個初始場可以發展成大相徑庭的狀態。天氣預測中初始狀態來自觀測,總是會有某些誤差,哪怕是很小的誤差。”中國科學院大氣物理研究所研究員周家斌說。
“天氣預報如同玩拼圖,如果只有8個板塊,兒童便可以拼出來,800塊成人可以拼出來,但如果是8000萬塊,甚至更多,那‘神’也無法拼出來了。”北京市氣象臺首席預報員孫繼鬆說,越是精細化的預報,難度就越大。
在隨機性的多重影響下,預測結果往往不是也不應該是單一的值,而是一系列結果的集合或分佈。理論上的某種“最佳”結果或者是概率最大結果,並不表示未來狀態一定如此。應用任何一種預測結果,都是要擔風險的。
“大氣運動包含着各種尺度的運動,同時各種運動間相互作用。人們對大氣的認識是不斷加深的,也是永無止境的。”孫繼鬆感慨道。
“天氣變化涉及到複雜的物理、化學和生態過程,而目前人們對這些過程的瞭解還很不深入,又難以全用數學物理方法加以描述。目前人們使用的數學物理方程,還難以全面反映大氣運動的規律。”中國科學院院士葉篤正說。
複雜地形愛添亂的“搗蛋鬼”
大氣運動難以捉摸,而地面上的各種複雜地形更給大氣運動帶來了影響。
青藏高原位於我國西部,並佔我國陸地面積的四分之一,平均高度可達對流層中層,被稱爲“世界屋脊”。其獨特而複雜的地形特徵使其在全球大氣環流、能量循環和水分循環中具有非常重要而特殊的作用,對我國大部地區乃至全球的天氣氣候都會產生重要影響。“由於青藏高原地勢較高,受到太陽輻射後溫度上升,尤其是在夏天,溫度較高的青藏高原便成爲高空大氣環流的一個熱力源;而動力源主要是指當氣流經過青藏高原時,要麼從上面越過去,並被加熱了,要麼從旁邊繞流過去,從而形成天氣系統比如西南渦等,這些都造成了整個大氣環流形勢十分複雜。”中國氣象局氣象幹部培訓學院教授俞小鼎說。
每到冬天,新疆烏魯木齊的上空總會被濃霧籠罩。大霧爲何對烏魯木齊“情有獨鍾”?原新疆氣象科學研究所所長張學文表示,這與準噶爾盆地地形密不可分。冬季,當準噶爾盆地受到外來天氣系統影響出現降雪天氣時,盆地內的積雪反射太陽光,加速了盆地冬季穩定逆溫層的形成,使得積雪盆地的溫度明顯低於周圍地區,從而形成了準噶爾盆地持續的冬霧。
與山地和盆地等地形相比,對平原地區的預報相對容易,但仍有許多預報人員未破解的“難題”。今年5月20日,造成美國俄克拉荷馬州穆爾市24人喪命、120人受傷的龍捲風,其發生便與該地的平原地形相關。俞小鼎表示,龍捲風的形成既需要有暖溼空氣交匯提供對流條件,又要求高空和低空都有強風,還需要有較平坦的地形。而美國平原區域多、地勢平坦特殊的地理環境容易滿足龍捲風形成條件。
此外,特殊地形還讓暴雨預報更加困難。在天氣預報中,暴雨預報是世界性難題,即使是在美國等發達國家,對暴雨預報的準確率也僅達22%-23%。“特殊地形常常使暴雨不按常理出牌,突發局地暴雨自然讓人猝不及防。不要說準確預報暴雨,即使‘事後諸葛亮’,對一些罕見大暴雨還是無法解釋其形成原因。這就是暴雨預報遭遇的現實尷尬和無奈。”中山大學大氣科學系教授樑必騏說。
數值預報任何方程只能是求近似值
在科技還未發達的古代,人們通過觀察天象、尋找規律,有了諸多預測天氣的經驗,至今已有幾千年的歷史。但是,建立在現代科學基礎上的天氣預報只有百餘年的歷史,特別是以數值預報爲代表的現代天氣預測方法的建立只有幾十年時間。
數值天氣預報是以氣象觀測資料爲初值條件,通過巨型計算機進行數值計算,再用流體力學和熱力學的方程組進行求解,進而預測未來一定時段的大氣運動狀態。
“我們對大氣運動中的規律尚未全然知曉,設計的任何方程只能是求近似值。初始的觀測數據除了不完全準確外,還有不完整的問題,例如青藏高原的觀測資料很少。”中國工程院院士李澤椿說。
如果沒有觀測資料,數值預報所需要的“原材料”便無法滿足,這好比“巧婦難爲無米之炊”。而由於自然條件艱苦,據不完全統計,在青藏高原西部地區國家級地面觀測站密度爲每萬平方公里0.6個,全國是2.52個;區域自動觀測站密度是每萬平方公里1.76個,而全國是32.85個。
中國氣象科學研究院副院長趙平說,“數值預報取決於對大氣物理過程的認識水平。比如,同樣是離地面5公里高的位置,長江中下游地面5公里高度的大氣溫度比高原要低很多。這是由於高原的平均高度在15公里左右,受到太陽輻射後表面上的溫度高於平原溫度,由此形成了高原一系列獨特的物理過程現象。因此,在平原上數值預報模式可以報的非常準,但拿到高原上便‘失效’了。”
在天氣預報製作方面,“製作中的‘原料’、‘加工廠’和‘產品檢測包裝’三道工序也決定了預報很難達到準確。”北京大學物理學院大氣科學系教授張慶紅稱,構成“原料”的氣象觀測數據,由於觀測儀器的誤差可能導致數據不準確;將觀測數據放入預報模式這個“加工廠”進行計算時,要用差分的方法,這也會引起計算的誤差;最後進行“產品檢測包裝”的是預報員,但預報員還有人工分析在裏面,也不能做到完全客觀。
一般來說,3天以內的天氣預報準確率較高。“十幾天到一個月的天氣預報最困難,超過15天就沒有預報基礎了。”中國科學院大氣物理所研究員段安民稱。
雖然存在着種種困難,天氣預報技術仍是一門具有朝氣的現代科學。周家斌說:“翻看數值預報的發展歷史,你會發現一個規律——依靠科學家的創新,每一次方程的改變都會帶來預報準確率的提升。”(劉成成顧燕傑郭起豪)
延伸閱讀
我國24小時晴雨預報準確率連續五年高於85%
世界各地由於氣候條件、地理位置、地形地貌等種種差異,天氣預報的難易程度是不同的。“我國屬於季風氣候地區,冬季、夏季季節明顯,出現極端性天氣的可能性大。與美國相比,在預報降水上,我國的難度要大,我國的暴雨預報準確率比美國要低5%左右;但是從預報龍捲風來看,美國的難度要大。”中央氣象臺臺長畢寶貴說。
北京大學物理學院大氣科學系教授張慶紅通過一組數據指出,美國是2012年預報臺風路徑準確率最高的國家,中國與美國相差不多,比日本要高很多。
其實,我國的天氣預報準確率一直都在艱難提升:2012年,我國颱風路徑預報誤差首次低於100公里,達到近5年來誤差最小;24小時晴雨預報準確率爲86.5%,連續五年高於85%,最高氣溫24小時預報準確率爲74.1%,最低氣溫預報準確率爲80.1%,均爲歷史最好水平。
(來源:北京日報)