由“蝴蝶效應(yīng)”探索數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

神秘的蝴蝶效應(yīng)

“一只在亞馬孫雨林中的蝴蝶偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，就可以在兩周以后引起美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。”這就是美國(guó)氣象學(xué)家愛(ài)德華·洛倫茲提出的“蝴蝶效應(yīng)”。那么他是怎么發(fā)現(xiàn)這只蝴蝶的呢？答案就是“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”。

所謂數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，模擬大氣運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，并利用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象。

1961年，愛(ài)德華·洛倫茲在進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)發(fā)現(xiàn)，微小的初始變化隨著時(shí)間的積累可能引起顯著的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果大相徑庭，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了這只隱藏在深處的小蝴蝶。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)非常原始，數(shù)值預(yù)報(bào)的模型也相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著科技的進(jìn)步以及超級(jí)計(jì)算機(jī)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)得到了快速發(fā)展。

我國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有實(shí)力

我國(guó)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展較晚。科學(xué)家通過(guò)自主創(chuàng)新，突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，形成以全球區(qū)域一體化高精度的國(guó)產(chǎn)數(shù)值預(yù)報(bào)體系，可以預(yù)報(bào)未來(lái)一周甚至更長(zhǎng)時(shí)間的天氣趨勢(shì)。區(qū)域模式的分辨率高達(dá)3 000米，與此同時(shí)，更高分辨的1 000米模式也在試驗(yàn)中，暴雨和臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率有較高提升，彰顯了國(guó)家氣象科技的“硬實(shí)力”。

為什么天氣預(yù)報(bào)時(shí)有不準(zhǔn)

既然數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)如此先進(jìn)了，為什么我們感覺(jué)天氣預(yù)報(bào)還是不準(zhǔn)呢？這時(shí)就要回到我們開(kāi)頭提到的蝴蝶問(wèn)題了。

首先，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)依賴于實(shí)況信息，然而由于地形差異、海拔高度以及儀器偏差等原因，實(shí)況的數(shù)據(jù)可能存在微小的偏差。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)孛媛饵c(diǎn)溫度偏差 1 ℃，大氣中能夠產(chǎn)生對(duì)流的能量會(huì)增加很多，這就關(guān)系到一場(chǎng)局地的強(qiáng)對(duì)流是否能夠發(fā)生。

其次，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的方程只是大氣的近似描述，舍棄了一些數(shù)學(xué)方程無(wú)法描述的信息，這就好像在數(shù)值模式中隱藏了更多小小的蝴蝶。比如我們能看到數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)等大尺度天氣運(yùn)動(dòng)有形象的描述，然而對(duì)龍卷風(fēng)等小尺度的對(duì)流模擬不夠精細(xì)，它們就像是從預(yù)報(bào)網(wǎng)格中逃離的蝴蝶，讓人難以捉摸。

可見(jiàn)，當(dāng)前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)只能近似地描述天氣過(guò)程，無(wú)法得到完美的預(yù)報(bào)。隨著科技的進(jìn)步，預(yù)報(bào)員也在不斷發(fā)展新方法和新技術(shù)來(lái)進(jìn)一步補(bǔ)充預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)，使天氣預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)。

（本文由天津市氣象學(xué)會(huì)推薦供稿。作者單位：天津市氣象臺(tái)）

（責(zé)編：張海蓉）