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天文台於報章刊登的文章 Newspaper Articles by Hong Kong Observatory


天氣預報的挑戰

岑智明

當天氣急劇變化,預報又未能準確反映,大家很自然會想起「天有不測之風雲」這句說話。究竟這話有沒有科學基礎?天氣預報往往不能夠完全準確,這是否計算出現問題,或是科學尚有不足之處呢?

還記得上中學第一課物理的時候,就是唸牛頓力學。從牛頓定律,就可以準確計算每一件物體的移動,從砲彈到火箭,以至行星的軌跡和速度,一切都在掌握之內。雖然二十世紀科學出現了相對論及量子力學等新理論,但牛頓力學在一般日常生活上的應用,包括天氣預報、建築設計、飛機工程等,仍然適用。近年來,隨著高速電腦的發展,以牛頓力學為基礎來模擬天氣的變化,一般稱為「數值天氣預報」,已經成為預測天氣的一個主流。

為了使「數值天氣預報」更加準確,科學家雙管齊下:一方面深入研究大氣的複雜及微妙的變化,例如颱風內部結構,雷暴生消過程等,務求精益求精,改善模擬天氣的方法;另一方面加強氣象觀測,例如增加觀測點,發展衛星及雷達技術等,從而獲得更多氣象資料,以供預報之用。其實,氣象人員在過去十多年來不斷朝著這兩個方向發展及改進,現在要準確預測全球未來數天的天氣情況,已經相當有把握。當然,要達到更完善及更精確的「數值天氣預報」,需要有比現在更快速的電腦配合,才可以充分發揮。

如此說來,我們是否能夠準確預測未來一個月、甚至未來一年的天氣變化呢?「天有不測之風雲」這句話會否成為歷史?直至十九世紀末,科學家對傳統力學的理解頗為簡單:無論是大氣、鐘擺、火箭或行星的運行,只要能掌握箇中原理,便可以準確預測它的變化。然而,在過去數十年,科學家開始發現牛頓力學所描述的世界,並非如此簡單,從而出現了一套「混沌」理論。

發展「混沌」理論其中的一位先驅者是氣象學家愛德華.洛倫茲(Edward Lorenz)。1960年代初,洛倫茲利用計算機進行「數值天氣預報」試驗。他發覺只要輸入的資料存在些微差異,便足以令計算結果出現極大分別。這正表示,由於實際上氣象以至任何觀測都存在誤差,「數值天氣預報」在一定程度上也具有不可預測性。「差若毫釐,謬以千里」正好形容這種情況。洛倫茲這個發現,很多人稱為「蝴蝶效應」。這名稱或許出自洛倫茲在1972年以「可預測性:一隻在巴西翩翩起舞的蝴蝶可否於德克薩斯州引起龍捲風?」為題的演說,但它亦與洛倫茲的發現有明顯的關係。圖中酷似一隻蝴蝶的圖案其實就是洛倫茲的「數值天氣預報」試驗得出來的數據。蝴蝶左右兩翼代表了他發現的兩組由於些微的改變,而導致極不相同的計算結果。

表面上,「混沌」理論看來非常深奧,但其實它與我們日常生活息息相關。從浪花的變化、龍頭上水滴的節奏、閃電的位置、到股票市場的波動、「六合彩」攪珠的結果,都存在「混沌」理論所描述的不可預測性。

由於「混沌」理論的出現,氣象學家近年已考慮到觀測資料不足對「數值天氣預報」的影響,從而評估每一個預報的可信性。但無論如何,「混沌」理論已對長期天氣預報的發展起了很大的影響。它清楚地表示:我們在預測天氣或其他自然現象的能力頗為有限。在我們不斷努力追求更準確預測的同時,看來亦必須認識存在於大自然的極限。古語有云:「知之為知之,不知為不知,是知也」是否就是這個意思?

洛倫茲的「數值天氣預報」試驗得出來的數據,
圖案看來酷似一隻蝴蝶

洛倫茲的「數值天氣預報」試驗得出來的數據,
圖案看來酷似一隻蝴蝶



﹝文匯報 2000年3月17日﹞


※ 多謝文匯報之允許,轉載以上的文章。

最近修訂日期: <2014年4月1日>