淺談天氣預報
2016年3月7日
天氣與日常生活息息相關，市民都留意天氣預報，以安排各類活動。隨著互聯網及智能手機的普及，天氣預報變得俯拾皆是，免費的天氣資訊唾手可得。究竟天氣預報是怎樣得出來的呢？
現今做天氣預測，實在有賴電腦的幫忙，運行「數值天氣預報模式」，把大氣的變化模擬出來。由於用上電腦的關係，數值天氣預報模式有時會簡單的被稱為電腦模式。大氣的變化是受物理定律支配，理論上，我們可以根據觀測到的氣象數據來描述大氣現時的狀態，即所謂初始狀態，然後利用物理方程來計算大氣未來的狀態，即計算出未來大氣的演變。然而，電腦模式在實際計算過程中，是將整個大氣層劃分為很多網格點（見圖一），運用近似和假設來簡化物理方程，以便減省計算量。因此，電腦模式所計算出來的結果，只是未來天氣變化的一個近似。一般來說，電腦模式的分辨率越高，即上述網格點的大小越小，則得出來的預報結果就越準確。
圖一電腦模式的三維網格點示意圖。
儘管科技不斷進步，當今電腦模式的準確度仍受很多因素限制，包括氣象觀測數據的多寡、模式分辨率的高低、以及模擬物理過程和地形的像真程度等。況且預測不同的天氣現象都有其不確定性，一般來說，變化越急速、影響範圍越細小的天氣現象（例如龍捲風、暴雨、風切變等），越難預測得準確。故此，不同電腦模式得出來的結果時有差異。事實上，有一些電腦模式的濕度預測偏低，另一些電腦的溫度預測偏向較低。此外，由於電腦模式的分辨率有限，預測的網格點往往與用家關心的地方並非完全重疊。因此，國際上主要的氣象機構都會根據電腦模式的過去表現、實況觀測、預報位置等因素作出調整，即所謂「後處理」，而不會直接拿電腦模式計算出來的最初結果，亦即直接輸出，來當作預測。
香港天文台在作天氣預報時，會參考多個不同的電腦模式，當中包括香港天文台的中尺度模式，以及歐洲中期天氣預報中心、日本氣象廳、美國國家海洋及大氣管理局、中國氣象局、英國氣象局、韓國氣象廳等等的模式。這些模式對同一日的天氣可以有不同預測，在天氣急劇變化的日子，分歧尤其大，沒有一個永遠優勝，需要分別進行「後處理」。此外，每個模式隔數至十數小時便會根據最新的觀測資料作出更新，有時候某一模式即使曾經預測香港會出現極端天氣，但在下一次更新時卻不復再現。如果我們直接使用單一模式的直接輸出，便會出現預測不斷反反覆覆，這難免令人感到無所適從。因此，預報員會考慮不同模式的過去表現、穩定性、是否吻合實況觀測數據等多項因素，才可決定那些模式結果較為可信。
很多時候，我們會採用集合預報 (ensemble forecasting) 方法。集合的方式有三類（圖二）。第一，是比較多個不同的數值天氣預報模式對同一天的預測。第二是使用單一模式，比較在不同時間運行但對同一天的預測。第三也是使用單一模式，但會重覆運行這模式多次，每次會把初始氣象條件輕微的更改，最後比較同一天的預測。總的來說，就是看看各種模式結果有沒有共通的地方，有沒有相類似的趨勢，這些會被採納為最有機會出現的天氣演變情況。
圖二三類不同集合預報方式。
以熱帶氣旋為例，集合預報會提供熱帶氣旋的多個預測路徑（圖三），當中有些或許非常接近本港，但有些則距離頗遠。預報員需要綜合所有資料，判斷哪個是最有可能發生的情況，不能過份樂觀或悲觀。我們從過往研究驗證得知，集合預報方法能有效降低預測的平均誤差，提升整體準確度，唯對預測個別極端天氣如極高或極低氣溫、特大暴雨等，仍是一大挑戰。
圖三集合預報對位於菲律賓的熱帶氣旋所預測的多個預測路徑（灰色線），有些非常接近香港，有些則距離頗遠。綠色線為所有預測的平均。
近年外國的非官方天氣網站多如雨後春筍，標榜能夠預測全球各地天氣，雖然看似非常方便，但我們應留意它們多只會使用單一電腦模式的直接輸出（圖四），沒有考慮其他電腦模式的不同預報，也沒有足夠觀測資料進行「後處理」修正，因此有可能每隔數小時便改動預測，對於極端天氣時預測有、時預測無，頗難令人盡信。大家在使用這些產品時，應多加注意它們的限制，以及長期來說是否可靠和表現穩定。當然，大家可以參考各地的官方天氣預測（世界天氣信息服務網），便更為妥當。
圖四世界各大氣象機構預測天氣的過程與大部分外國的非官方天氣網站之比較。
在氣候變化的情況下，極端天氣的出現越見頻繁，即使利用當今最先進的電腦模式亦難以每次百分之百準確預測。近年預報科技的其中一個重要發展方向就是使用集合預報和概率預報。透過集合預報，預報員可以估算出現不同天氣情況的機會率，這樣除了可以根據最有可能的情況去製作預測外，亦可以概率形式表達其他發生機會較低但可帶來更大影響的天氣，例如「大雨機率為 30%」。優點是能讓大家更全面掌握各種可能發生的天氣情況，但缺點卻是有機會被錯誤解讀，例如「下雨機率為 10%」是否代表不需要帶雨傘呢？因此在將來廣泛採用前，需先在宣傳和教育方面多下點功夫。
蔡子淳、李立信
現今做天氣預測，實在有賴電腦的幫忙，運行「數值天氣預報模式」，把大氣的變化模擬出來。由於用上電腦的關係，數值天氣預報模式有時會簡單的被稱為電腦模式。大氣的變化是受物理定律支配，理論上，我們可以根據觀測到的氣象數據來描述大氣現時的狀態，即所謂初始狀態，然後利用物理方程來計算大氣未來的狀態，即計算出未來大氣的演變。然而，電腦模式在實際計算過程中，是將整個大氣層劃分為很多網格點（見圖一），運用近似和假設來簡化物理方程，以便減省計算量。因此，電腦模式所計算出來的結果，只是未來天氣變化的一個近似。一般來說，電腦模式的分辨率越高，即上述網格點的大小越小，則得出來的預報結果就越準確。
圖一電腦模式的三維網格點示意圖。
儘管科技不斷進步，當今電腦模式的準確度仍受很多因素限制，包括氣象觀測數據的多寡、模式分辨率的高低、以及模擬物理過程和地形的像真程度等。況且預測不同的天氣現象都有其不確定性，一般來說，變化越急速、影響範圍越細小的天氣現象（例如龍捲風、暴雨、風切變等），越難預測得準確。故此，不同電腦模式得出來的結果時有差異。事實上，有一些電腦模式的濕度預測偏低，另一些電腦的溫度預測偏向較低。此外，由於電腦模式的分辨率有限，預測的網格點往往與用家關心的地方並非完全重疊。因此，國際上主要的氣象機構都會根據電腦模式的過去表現、實況觀測、預報位置等因素作出調整，即所謂「後處理」，而不會直接拿電腦模式計算出來的最初結果，亦即直接輸出，來當作預測。
香港天文台在作天氣預報時，會參考多個不同的電腦模式，當中包括香港天文台的中尺度模式，以及歐洲中期天氣預報中心、日本氣象廳、美國國家海洋及大氣管理局、中國氣象局、英國氣象局、韓國氣象廳等等的模式。這些模式對同一日的天氣可以有不同預測，在天氣急劇變化的日子，分歧尤其大，沒有一個永遠優勝，需要分別進行「後處理」。此外，每個模式隔數至十數小時便會根據最新的觀測資料作出更新，有時候某一模式即使曾經預測香港會出現極端天氣，但在下一次更新時卻不復再現。如果我們直接使用單一模式的直接輸出，便會出現預測不斷反反覆覆，這難免令人感到無所適從。因此，預報員會考慮不同模式的過去表現、穩定性、是否吻合實況觀測數據等多項因素，才可決定那些模式結果較為可信。
很多時候，我們會採用集合預報 (ensemble forecasting) 方法。集合的方式有三類（圖二）。第一，是比較多個不同的數值天氣預報模式對同一天的預測。第二是使用單一模式，比較在不同時間運行但對同一天的預測。第三也是使用單一模式，但會重覆運行這模式多次，每次會把初始氣象條件輕微的更改，最後比較同一天的預測。總的來說，就是看看各種模式結果有沒有共通的地方，有沒有相類似的趨勢，這些會被採納為最有機會出現的天氣演變情況。
圖二三類不同集合預報方式。
以熱帶氣旋為例，集合預報會提供熱帶氣旋的多個預測路徑（圖三），當中有些或許非常接近本港，但有些則距離頗遠。預報員需要綜合所有資料，判斷哪個是最有可能發生的情況，不能過份樂觀或悲觀。我們從過往研究驗證得知，集合預報方法能有效降低預測的平均誤差，提升整體準確度，唯對預測個別極端天氣如極高或極低氣溫、特大暴雨等，仍是一大挑戰。
圖三集合預報對位於菲律賓的熱帶氣旋所預測的多個預測路徑（灰色線），有些非常接近香港，有些則距離頗遠。綠色線為所有預測的平均。
近年外國的非官方天氣網站多如雨後春筍，標榜能夠預測全球各地天氣，雖然看似非常方便，但我們應留意它們多只會使用單一電腦模式的直接輸出（圖四），沒有考慮其他電腦模式的不同預報，也沒有足夠觀測資料進行「後處理」修正，因此有可能每隔數小時便改動預測，對於極端天氣時預測有、時預測無，頗難令人盡信。大家在使用這些產品時，應多加注意它們的限制，以及長期來說是否可靠和表現穩定。當然，大家可以參考各地的官方天氣預測（世界天氣信息服務網），便更為妥當。
圖四世界各大氣象機構預測天氣的過程與大部分外國的非官方天氣網站之比較。
在氣候變化的情況下，極端天氣的出現越見頻繁，即使利用當今最先進的電腦模式亦難以每次百分之百準確預測。近年預報科技的其中一個重要發展方向就是使用集合預報和概率預報。透過集合預報，預報員可以估算出現不同天氣情況的機會率，這樣除了可以根據最有可能的情況去製作預測外，亦可以概率形式表達其他發生機會較低但可帶來更大影響的天氣，例如「大雨機率為 30%」。優點是能讓大家更全面掌握各種可能發生的天氣情況，但缺點卻是有機會被錯誤解讀，例如「下雨機率為 10%」是否代表不需要帶雨傘呢？因此在將來廣泛採用前，需先在宣傳和教育方面多下點功夫。
蔡子淳、李立信