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天气预报能否达到百分之百准确

2019-12-31来源:科普时报作者:戴云伟 何金海作者(文):作者(图): 发布: 责编:林雯访问量:10

  天气预报成为人们日常生活中不可或缺的信息,随着社会发展和生活水平的逐步提高,人们对准确度要求也越来越高。高准确率既是公众的要求,也是广大气象从业者追求的一个目标。那么,气象预报的准确率能否达到百分之百呢?我们从预报方法的前世、今生和未来发展趋势进行简要阐述。

    预知未来、预测天气变化一直是人类的探索和追求。自从有了人类文明一直到19世纪,人们通过观察云、风以及动物行为与天气变化的联系,根据积累起来的经验来预报天气。这种经验预报方法准确率普遍较低,有时候比占卜的预测水平也高不到哪里去。

    到了近代,随着标准计量的气象观测仪器的产生,将各地同时观测的数据填绘在地图上,就成了天气图。预报员通过对天气图的分析,就像“警察抓小偷”一样,在天气图上捕捉主导天气变化的幕后“元凶”——天气系统,并通过跟踪它的踪迹、动向、变化规律来预报天气。这种天气图预报方法主观性较强,不同预报员得出的预报结论往往也不尽一致。

    20世纪后半叶开始,气象科学家开始探索建立“天气预报工厂”,将已知的大气运动规律编制成计算机程序,即数值预报模式,让计算机来 “制作”天气预报。经过几十年的研究,这种模式在预报业务中所发挥的作用越来越大,而且日益成为天气预报技术发展的主流。但是鉴于(1)对大气规律的掌握还不是很完善;(2)提供给计算机“制作”预报的“原材料”数据质量不尽完美;(3)计算机技术方面的先天局限。目前数值预报方法的短期预报准确率约为80%左右。

    那么,假设将来有一天,以上这些问题都圆满解决了,天气预报是不是就百分之百准确了,而且想预报多久就多久呢?关于这类问题,数学家庞加莱曾提出过混沌性的存在,但是一直没有找到足够的证据来证明。混沌性是指动力系统在确定性规律控制下运动,其行为会伴随一定的随机性。混沌系统的运动行为先天具有不可预测性。1963年,气象科学家洛伦兹在计算大气对流运动时,无意中发现了这个可以证实混沌性存在的证据——混沌吸引子。其实它就是对流系统状态随着时间运动的轨迹图,这个轨迹在有限的范围内不断延伸,但是永远不会重复,整体外形很像一只翩翩起舞的蝴蝶,所以就有了大家熟知的“蝴蝶效应”的说法。大气运动的规律既不是完全的确定性,也不是完全的随机性,而是混沌性。

    混沌性证据的发现不仅影响了气象科学,而且影响到了整个自然科学、哲学。因为以往都认为事物只有确定性或随机性,洛伦兹却从科学上证明除了这两种性质之外,还有混沌性。从数学角度,描写大气运动规律的方程组是无解的(注:这里指解析解)。气象学家们通过建立数值预报模型来仿真模拟大气的运动状态,从中计算出有一定价值的解,这个解就是天气预报的依据。而大气运动规律的混沌性决定了天气预报永远会有误差。

    数值预报模型十分依赖于提供给计算机的大气状态数据,这个数据与真实大气间是有误差的。即便再小,将来它都会随着时间被“恶意”放大。因此,两周之后的天气预报就“面目全非”了。“一只南美洲亚马逊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得克萨斯州的一场龙卷风”, 这个比喻就是为了说明误差随着时间的推移具有放大性。

    随着气象科学技术的进步,天气预报的准确率也在不断提高。但大气运动混沌性的科学证据表明,即便预报员付出百分之百的努力,也不可能得到100%准确的天气预报。尽管如此,我们仍需进一步在数值模式、观测手段、计算能力等方面继续努力,以扩展预报功能、更好地服务公众。而相对于天气预报来说,气候预测所面对的问题更复杂更困难,提高准确率永远在路上。

    (第一作者系中国气象局中央气象台气象专家,第二作者系南京信息工程大学二级教授、博士生导师

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