古代天气预测

自古以来,人类的生活与天气息息相关。农民耕作收成,皆看天气的变化。早在殷商年代(公元前13世纪)的甲骨文中,已经有关于天气观测和天气预测的文字纪录。有研究表明,公元前1217年的中国不仅有连续10天的天气实况记录,而且还作出10天的天气预报,可见古时对天气的重视。

在古文《论衡·明雩》(约公元88年)中,有记载孔子预报天气的故事:

孔子出,使子路赍雨具。有顷,天果大雨。子路问其故,孔子曰:「昨暮月离于毕」

(来源:《孔子圣迹图》三十四 观象知雨)

孔子外出,叫子路携带雨具。过了一会,果然下起大雨。子路问这是什么缘故,孔子说:「昨晚月亮靠近毕宿的位置」。毕宿是中国古代二十八星宿之一,位于金牛座。古人通过观测月亮与星宿的相对位置来预测天气,这是累积长期观测经验而来的方法。古人把毕宿看作天上的雨星,这正是孔子预测下雨的由来。除了靠观看星宿外,古时亦会以二十四节气来推算天气变化。例如在东汉末年,诸葛亮“借东风”,火烧赤壁,打败曹军,便是利用冬至前后当地的天气变化规律,来把握东风到来的时间。此外,农民透过经年累月的观察,得出了不少易于记忆的农谚,帮助预测天气的变化。

农谚是民间经代代流传下来的生活智慧,当中有不少是关于天气或气候的。很多气象农谚是可以利用科学解释的。例如,“无风起横浪,三天台风降”,这是说如果不刮风而海面出现涌浪,那便三天内会有台风到。以科学的解释是,台风中心附近的大风在海面刮起大浪,这些大浪移动速度较台风快,逐渐远离台风的中心而形成涌浪。在台风来临前,涌浪先行到达,做成未见台风先见涌浪的情况。另一个气象农谚例子是﹔“东虹日头,西虹雨”,这是说如果东方出现彩虹,则会见到阳光,而如果西方出现彩虹,则快有雨。彩虹是由于阳光穿过雨区中的小水滴产生折射而成的光学现象。东虹的出现,先决条件是东面有雨而西面有太阳。阳光从西面照向东面,经过东面空气中小水滴折射而形成彩虹。由于天气系统一般由西向东移动,所以东面的雨区会继续向东远离,而本地的天气便会好转。反之,西虹出现时,东面的太阳照向西面的雨区而形成彩虹,而西面的雨区会向东移近,故此预计本地会下雨。这首农谚所描述的情况,与另一首农谚“朝霞不出门,暮霞行千里”十分相近,皆是指示什么时候出门天气比较理想。当然以上几首气象农谚所描述的只是一般状况,仍然会有例外情况出现。

(左) 东虹出现时雨区远离;(右) 西虹出现时雨区移近


天气观测的发展

单靠经验,始终有其局限,难以仔细预测未来天气的变化。换句话说,古时的经验方法,大多只做到定性的预测,还未做到定量的预测。要做到定量预测,首先要进行定量观测,即利用气象仪器进行测量。

根据记载,中国早在东汉时代已经用“相风鸟”来测风向,相信亦有利用量雨器来测量降雨量。大约在16世纪开始,西方科技迅速发展,陆续发明不同类型的气象仪器,用来探测温度、气压、风向、风速等,亦经耶稣传教的途径把气象仪器传入中国。这些仪器主要用作测量地面的气象情况。及后发展出利用风筝和气球把气象仪器带到上空来探测高空的天气情况,使气象探测的范围更广泛。

中国古代用来测风向的相风鸟 (来源:http://weather.sz.gov.cn/szsqxjwzgkml/szsqxjwzgkml/qt/kpfw/content/post_5618480.html)

众所周知,地球陆地的面积只占全球表面积的三成左右。只在陆地的气象站进行天气观测始终有不足之处。第二次世界大战后,遥感技术不断发展,首先出现天气雷达,可以探测一、 二百公里内雨区的位置及走向。后来更有气象卫星,从太空观测整个地球的云团分布,是现代观测天气不可或缺的仪器。

(左) 位于大老山的天气雷达站;(右) 雷达图像显示2020年8月19日影响香港的台风海高斯

地球同步卫星能拍摄整个地球的云团分布(来源:中国气象局 风云4A气象卫星)

联合国世界气象组织现时负责统筹世界各国和组织的天气观测合作,建立了一个全球观测系统,目的是综合所有观测系统,并促进观测仪器和方法的标准化。对于地面的气象观测,按规定是每三小时全球同时进行观测一次,并经特定网络交换数据,使所有气象中心能掌握每三小时的全球天气变化。现时观测技术多元化,观测范围广阔,观测频率更密,为定量预测提供了必需的气象数据。

全球观测系统(来源:世界气象组织)


近代气象科技发展

有了天气观测资料,便可以制作天气图,来追踪天气系统的走向,从而预测天气的变化。利用地面气压数据,可以划出高气压及低气压(包括热带低气压)的位置,并按温度及云量等数据来找出冷锋或暖锋的位置。由连串的天气图,可以追踪高压区、低压区、冷锋和暖锋等天气系统的移动方向和速度,从而估计这些天气系统为地区所带来的天气变化。例如,当一道冷锋到达时,温度会明显下降,而一个低压区移近时,多会带来降雨,甚至雷暴。在无线电广泛流行之前,实时收集不同地方的观测数据难以实行,故此天气图在19世纪初诞生时都是事后绘制的。

香港天文台现存最早的天气图 (来源:香港天文台)

现代天气预测,主要是靠电脑模式,相关技术叫数值天气预报。首先是收集天气观测的数据,然后利用电脑来分析现时的天气状况(技术上叫“初始条件”),再按照物理定律来计算未来天气的演化。利用电脑模式的运算结果,便可以制作显示未来天气的预测图。

利用电脑模式结果制作不同的预测图 (来源:香港天文台)


天气预报的不确定性

既然有电脑模式,为何天气预测仍有误差呢?这要从电脑模式的特点来解释。大气变化在时间和空间上是连续的,但是电脑模式并不能完全模拟连续的变化。主要原因是电脑模式只能把大气分成很多网格,来模拟每一网格内的气压、温度、湿度等变化。网格的大小越大,同一范围的网格数目便越少,模拟大气连续变化的能力便越低。反之,网格的大小越小,同一范围的的网格数目便越多,模拟大气的连续变化的能力便越高,但这对电脑运算能力的要求亦越高。

电脑模式采用三维网格 (来源:香港天文台)

虽然现今的气象观测技术已经很不错,但始终收集得来的数据未能完全覆盖整个三维大气层的每一角落,特别是海洋上和高空,所以利用并非十足完备的观测数据所制作的初始条件,并非能完完整整的代表初始的实况。由于初始条件多少有差异,随后利用物理定律来计算的未来天气情况亦不能避免出现误差。

另外,大气是一个混沌的系统。相信大家都听过蝴蝶效应,混沌理论的创始人爱德华•罗伦兹曾这样说:「一只蝴蝶在巴西拍一下翅膀会不会在德克萨斯州引起龙卷风?」这实际表示,开始时气流的些少变动(蝴蝶翅膀产生的气流变动),随时间会可能变得越来越大(龙卷风)。这听起来有点夸张,但实际表示在混沌的系统中,开始时的细少误差,会随时间而增大。把这套用到电脑模式中,即是说模式中初始条件的误差,会可能随着预测时间增长而增大。当预测的误差增大时,会使得预测的准确度减低。这正是电脑模式预测的限制,亦是天气预测的一大挑战。

蝴蝶效应示意图。蝴蝶翅膀产生的气流变动,可能演化成龙卷风。

二、三十年前,电脑预测的技术较现时低,当时收集到的天气数据亦较现时少,电脑模式预测时效并不长,大概在两、三天左右。近年收集到的天气数据量达几何级数的增长,由较大量数据分析出来的初始条件的误差比以前小,而电脑模式的预测时效亦加长了不少。虽然如此,电脑模式的预测误差依然存在并仍会随时间而增大。

(左) 较准确的电脑预测接近实况的变化; (右) 较差的电脑预测逐渐偏离实况的变化


集合预报

若果电脑预测的误差不大,预测算是准确,否则误差变得颇大,预测便不可靠。那么怎样可以预知电脑预测是否可靠呢?现时一般的做法是应用“集合预报”。集合预报是指运行多个在初始条件上略有不同的模式以作预测,以此推算未来天气中可能出现的情景,并计算出每一情景出现的机会。假若有多个情景的预报互相较吻合,他们的预测较可信。而假若个别情景的预报明显偏离其他情景,这个别情景的可信度便较低。举一个例子,利用集合预报的方法来预测热带气旋的走向时,大部分的情景预测该热带气旋会移向福建,但个别情景预测该热带气旋会移向海南岛。那么预报该热带气旋会移向福建的可信度较高,而预测该热带气旋移向海南岛的可信度较低。

集合预报中的不同预测情景

要表达预报的可信程度,我们一般会计算出预报的概率。概率高则预报可信度高。举一例子,在2020年12月31日香港天文台的温度显著下降至最低的8.1°C,在5天前的概率预报图显示2020年12月31日的最低温度较大机会在8°C左右,与实际情况吻合。当然亦要指出,集合预报并非万能,依然存在不确定性。比如同样在2020年12月26日的概率预报,显示2021年1月4日的预测最低温度较大机会在13°C左右,但这个第9天的预测并不太准,实际最低温度是16.9 °C,与预测相差约4°C。

2020年12月26日发出的最低温度概率预报 (来源:香港天文台)


总结

随着天气观测和电脑模式的发展,现时的预报准确度较以往高。但是大气始终是一个混沌的系统,为天气变化带来不确定性,亦为预报员带来不少挑战。虽然集合预报让我们进一步了解预报的概率,为预报员增添信心,但是预报的不确定性仍然存在。近年不少研究着手利用人工智能,特别是深度学习的方法,应用在天气预报上。究竟人工智能可否解开混沌系统的魔咒呢?我们拭目以待。


参考

1. 温克刚主编,2003,“中国气象史”,气象出版社

2. 中国天气网,“我国古代的气象观测”
http://www.weather.com.cn/jiangsu/qxkp/rdzt/03/1826382.shtml

3. 李迪,1978,“中国古代关于气象仪器的发明”,大气科学,2(1): 85-88 (http://www.iapjournals.ac.cn/dqkx/cn/article/doi/10.3878/j .issn.1006-9895.1978.01.10). doi: 10.3878/j .issn.1006-9895.1978.01.10 (in Chinese)

4. 香港天文台,“制定天气预报”,
https://www.weather.gov.hk/en/education/weather/forecasting/00134-formulation-of-weather-forecasts.html

5. 香港天文台,“蝴蝶效应、集合预报及概率预测”,https://www.weather.gov.hk/en/education/weather/forecasting/00136-butterfly-effect-model-ensemble-and-probabilistic-forecast.html


作者︰
香港天文台台长郑楚明先生