專家詳解極端天氣預報難題:一隻蝴蝶搧動翅膀,但我們缺乏追蹤技術

2021年07月21日21:32

  原標題:專家詳解極端天氣預報難題:一隻蝴蝶搧動翅膀,但我們缺乏追蹤技術

  “在天氣預報中,暴雨預報被公認為世界性難題”。7月20日18時,鄭州市氣象局在其官方微博中發佈了這樣一條消息。

  該局發出這樣一句感概的因素,來自於此前的預報偏差:鄭州氣象局曾發佈7月19日-21日天氣預報稱,預計累積降水量90~150 毫米,局地150~200毫米,最大雨強40~50毫米/小時。

  但實際情況卻差距甚大:僅7月19日20時-20日20時,鄭州近七成測站降雨超過250毫米,其中鄭州市尖崗達到681.3毫米,而最大小時雨強也超預估數倍:7月20日16時-17時,鄭州雨強達到201.9毫米,突破中國大陸小時降雨量曆史極值。目前,這場持續性的暴雨已造成25人遇難7人失聯。

  四川省氣象局原副局長馬力接受21世紀經濟報導記者專訪時稱,暴雨天氣的預報難點主要集中在三個層面:定點、定時、定量,尤其是類似鄭州這樣的極端情況,由於非常罕見,過去缺乏經驗積累,很難準確預報。

  暴雨預報是世界難題

  《21世紀》:如何評價此次鄭州的降雨過程?

  馬力:這是一次非常極端的天氣過程,鄭州的最大小時降雨量為201.9毫米,已超過1975年8月5日河南林州1小時降雨量198.5毫米的記錄,超過我國陸地小時降雨量極值。

  因此,我們不能用正常的標準去衡量,認為城市的防汛能力有問題,一個小時高達200多毫米的降水量絕對將造成城市嚴重內澇。

  舉例而言,目前成都若一小時降水超80毫米,城里排水就會出現問題,交通也會阻塞,200毫米是非常極端的。

  21世紀:分析一次天氣變化過程的難點在什麼地方?

  馬力:氣象部門做天氣預報,公眾常見的時間尺度是未來72小時天氣預報,尺度再縮小,是48小時到24小時的短期預報,更近一點,是臨近的短時預報,同時根據情況發佈預警信號,如暴雨,大風,雷電預警,並以分顏色劃分危害程度。

  分析一次天氣變化過程,其涉及因素非常多,從大的趨勢看,如今年的氣候大背景是降水帶偏多在北方,北方來的冷空氣和南方的暖空氣,其接觸面大部分都在黃河流域,那麼我們可以重點關注該區域。但要進行預報,不僅要關注天上的變化,還要考慮青藏高原積雪情況、兩極情況、海水溫度情況,厄爾尼諾情況等,甚至包括地面植被覆蓋情況。

  目前,在預報的技術手段上,是依據數值預報,我們把大氣運動看為流體,用流體力學方程寫出來,里麵包含時間變化項,解出方程組,就可以得到未來時間的天氣數據。

  但這些數據非常大,一天的預報可能需要10個G甚至100個G以上的數據,因此我們也可以說,一個國家的天氣預報的準確性,與一個國家計算機的性能有關係,經過多年發展,我國的超級計算機運算能力已經非常先進。

  在計算方式上,一般會採用多個數值天氣預報模式,將水汽、溫度、動力等要素輸入,像解數學方程一樣得出數值,但這一計算過程如打靶,差之毫釐謬以千里,初始值的一點點誤差,會造成結果誤差非常大。這個問題如何解決?我們在輸入初始值時,一般會輸入40幾個相似值,最後輸出的結果,也是四十幾個,再用統計方法,綜合得出最有可能的結果。

  21世紀:這次鄭州遭遇非常罕見的極端暴雨天氣過程,為什麼說對它的預報是非常困難的。

  馬力:以目前的技術水平看,暴雨天氣的預報準確性不高,它的難點是在定點、定時、定量上,即時間、範圍、雨量三個維度。

  比如,我們只能預報出某月的幾號到幾號將會出現降雨這樣一個大致的趨勢,大致的強度,如中到大雨或是暴雨也可以報出來,以及大致降水範圍。但是,在這個範圍的準確經緯度,和它開始、結束的時間,以及可能發生的極端性問題,則無法準確預計。比如,我們可以預計19日到21日,在鄭州有一次明顯的降水過程,但具體幾點鍾開始、結束又是什麼時間,最大降水強度在哪裡,是不可準確預報的。

  尤其是在降水強度上,類似鄭州這樣超過曆史極值的極端天氣預報十分困難,因為極端天氣的曆史記錄非常少,無論是數據資料還是影像資料都很缺乏,我們對它的認識還十分不到位,所以更談不上把握它的規律並作出預報。

  導致鄭州暴雨的因素可能涉及亞歐範圍

  21世紀:這意味著目前我們在技術上還存在非常多的困難?

  馬力:一場暴雨天氣的發生,有若干條件,有時滿足了大部分條件,就會發生降水天氣過程,但未必變為很強的降水,有非常巧合的成分,比如氣流太強不行,會把水氣吹到其它地方,太弱也不行,不會造成天氣劇烈變化。

  數值天氣預報仍是暴雨預報的主要依據,我們也應用用衛星雲圖和多普勒雷達,如果是靜止衛星,可以1小時發送一張圖,而雷達6分鍾就出一張圖,再加上我們地面自動站,一分鍾一次採集信息,這些方式結合起來,構成了臨近氣象預報的基礎。即使使用多種手段,但天氣是瞬息萬變的,臨近預報如果要非常準確,就要對雲滴進行監測,雲滴一開始比針尖還小,它會在天氣變化過程中逐漸長大,同時還要算上升氣流的情況,上升氣流何時托不住雲滴,才能計算出雲滴下降變為雨滴的時間。

  但目前達到定點、定時、定量是不行的,我們可以去無限地接近這個目標,但或許很難完全準確。

  比如,雷達到雲裡面打了一束波,遇到雲滴後反射回來,分析回波強度,如果強度很強,就可推算出可能會出現暴雨。但雷達和衛星雲圖,解決的是強天氣的有無問題,雲滴產生50毫米到200毫米降水量的回波強度,卻幾乎沒有太大的差別。

  從鄭州此前發佈的預警信息看,也預報了有暴雨天氣,但短時預報的誤差性太強,天氣變化是瞬間過程,越到臨近時間,降雨的範圍和強度其實越是隨機的,也越考驗我們的觀察能力。尤其這次鄭州遭遇的是非常極端的天氣情況,過去發生很少,我們沒有積累足夠的經驗和數據資料,是難以去預報的。

  21世紀:在未來有可能真正做到定時定點定量預報嗎?

  馬力:如果要真正去分析,我們起碼要獲得亞歐範圍的大氣環流強度來判斷,要根據全球各個國家共享的站網數據,但很多站網的建設情況較落後,我們能獲得的資料並不充分。因此,儘管我們說,這是一場發生在鄭州的暴雨極端天氣過程,但實際上牽扯了整個亞歐範圍的天氣變化過程,可能是一隻蝴蝶搧動了翅膀,而我們缺乏的是追蹤技術。

  面對未來,我們對極端天氣的認識、發生發展規律認識需要加強,尤其是在全球氣候變化的情況下,極端天氣將多發,對人類活動的影響進一步加大,人工智能技術或許將是一種新手段,或許能夠幫助我們更加準確的知道那隻搧動翅膀的蝴蝶,究竟引發了怎麼樣的天氣變化過程。

  (作者:李果 編輯:杜弘禹)

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