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第7章 气象预测(4)

中期数值天气预报是随着大气探测、计算机和通信技术及气象科学发展起来的。由于一些灾害性天气均为中期天气过程,所以从20世纪70年代以来,世界上一些发达国家都加强了对时效为10天左右的数值天气预报的研究和试验工作。

我国是世界上自然灾害最多的国家之一。暴雨、台风、寒潮、暴风雪等灾害都给国家和人民带来了巨大的损失。因此我国的中期数值天气预报系统的研制极为迫切。经过科技工作者的努力,1991年我国第一代具有中等分辨率的中期数值天气预报T42L9业务系统投入使用,并开始向全国各级气象台(站)发布中期天气形势分析报告。几年后,我国第二代中期数值天气预报T63L16业务系统研制成功。该系统预报水平可与当代中期数值预报的最高水平ECMWF(欧洲中期天气预报中心)预报模式媲美。它以我国自行研制的银河—Ⅱ巨型计算机(四台计算机,每秒可运算10亿次)为主,配接有各种不同的计算机。此系统包括要素库、预处理、客观分析、初值化、预报模式、图形系统、业务监测系统等部分。中期数值预报产品通过工作站,以各种形式输给中央气象台预报员使用,各大区域中心和省、地气象台也可以收到其传送的资料。不用说,中期数值预报的产品通过加工处理后,可以在各级新闻媒介播出。总而言之,我国的中期数值天气预报水平已经接近于国际先进水平。

声音、花香与气象预测

众所周知,大自然的声音和花香,都是借助空气这个媒介传递给人的听觉和嗅觉的,因而空气的物理属性(例如“温度”)对声音和花香的传播肯定有一定的影响。反过来说,利用声音和花香的传播情况,也可对某些气象要素进行预测。

听声音,测天气

声音是发声体以声波的形式所进行的力量传播。一般来说,声音传播的距离大或是速度慢,能量消耗就大,倘若声波的能量全部消耗在传播途中或是声波改变方向,人的耳朵就听不到声音了。

研究表明,声音的传播速度与温度是成正比的,在近地层中,当气温随高度增加而降低时,声音的传播速度随高度增加而减小,声音的射线就会向上弯曲(俗称“声音起飞了”);反之,当气温随高度增加而升高,声音的传播速度就会随高度增加而增加,声波射线呈向下弯曲状,给人的听觉就是“声音在下沉”。

在阴雨天气的白天,空气温度相对较低,越靠近地面,空气温度越高,声音的射线向空中弯曲,因而地面上的人就不容易听到远处的声音。在天气晴朗的傍晚,太阳落山以后,地面热量开始向空中辐射,使得在一定范围内,空气温度随着高度增高而上升,声音射线向下方弯曲,声能多半沿地面传播,能量损失小,人耳便容易听到声音。

闻花香,知冷暖

在花圃或公园里工作的人多有这样的体验:当气温较高时,随处都可闻到花的香气,而且香气较浓;而当气温较低时,则只能在花的附近才能闻到香气,香气也比较淡。花香的浓淡,真的与气温有关吗?

要回答这个问题,先得弄清“花香”是怎么回事。原来,在大多数花卉的花瓣里,有一种油细胞,能不断分泌出有香味的芳香油。这种芳香油易挥发,扩散到空气中的芳香油分子,刺激人的嗅觉器官产生芳香的感觉,这就是花香。所谓的香气浓淡,不过是进入人的鼻孔中的芳香油分子的多少罢了。实验证明,当其他环境因素(如风力、温度、空气悬浮物)完全相同时,芳香油分子的扩散快慢主要受气温的影响。气温越高,分子无规则运动的速率越大,扩散进行得也就越快。当然,扩散快慢还与花卉本身分泌的芳香油分子密度(也即花卉品种)有关。

正是因为气温对花香扩散有较大的影响,所以古人常常用花香的浓淡来判断气温的高低。南宋诗人陆游在《村居书喜》中有两句诗:“花气袭人知骤暖,鹊声穿树喜新晴。”诗人用物候现象推测天气情况,现在看来,也颇有些科学依据。

专家系统向我们走来

天气预报的制作过程离不开气象专家。他们或者在某一领域有特殊的专长,或者在不同领域方面有特别的宏观把握能力,但是你可能没有听说过一个叫天气预报“专家系统”的东西,它不是真正活生生的专家,而其实际能力却又类似于专家,甚至超过了专家。

气象专家系统的出现不到20年,它实际上是一个具有大量专家知识的计算机程序系统。这种专家知识不仅有专用的气象知识,还有丰富的实践经验。

就像当前的智能计算机已经模糊了人与机器的界限一样,这种计算机系统可以进行模拟和扩展,并进行思维推理,完成接近于专家水平的工作。专家系统一般由六个部分组成:

一是知识库。它是用来贮存专家知识的,并且是专家系统的核心。知识库中存放的知识数量越多,权威性越大,其性能就越好。

二是数据库。它贮存有各种必需的资料,以及系统推理的一些数据。

三是推理系统。在数据库的帮助下,知识库的知识得以调用,然后进行逻辑推理,得出结论。

四是知识获取系统。它是得出结论的系统。

五是输出解释系统。它实现了人机对话,对推理的结论作出解释。

六是预报信息采集系统。此系统可以补充新知识,修改旧知识,归纳总结出新知识。

气象专家系统有许多特长。它可以综合许多专家的知识,因而有博采众长、集思广益的特色。而且,一些有很高水平的预报员的经验经过定量化后可以纳入计算机程序,通过分析再得出预报结论。气象专家系统能不时地吸收和应用新的科研成果,具有不断更新的功能;它操作方便、使用迅捷、效果明显,在天气预报方面实现了一种新的突破。

气象专家系统是现代计算机应用科学与气象学相结合的新兴产物。它的出现显示了现代天气预报科学的新水平。目前,气象专家系统在我国已经得到了广泛的运用。一些省气象站、军队气象单位也建立了各自的气象专家系统。但是,专家系统毕竟不是人,不是专家;该系统的使用离不开人,进行逻辑推理、模拟预报员的思维,毕竟有一定的局限性。所以说,专家系统,也只是提高天气预报水平的一种方法,而不是最终的预报方式。但是,既然计算机在大气探测和天气预报的应用方面开了大门,日后,深入的研究与发展则是挡不住的趋势。我们相信,将来天气预报的自动化、现代化水平会更高,气象专家系统扮演的角色会越来越重要。

未来能准确预知天气吗

天气预报是也只是预报,它只是对未来天气现象的一种预测性描述,并不等于将来的真实情况。我们所得出的天气形势分析,与天气的发展变化也并非是一一对应的关系。这一切都表明了预报的性质特点:它本身就具有不定性。

我们所做的一切,只能是尽可能地提高预报水平,尽可能地接近将来天气的真实状况;人们永远办不到,也不可能完完全全、一蹴而就地实现没有任何疏漏,没有任何错误的100%的预报。

明白了这一点,就知道了天气预报有时不准是很正常的现象。但天气预报从当前来看,失误仍然比较多,其原因在哪些方面呢?这儿有几点供大家参考:

首先是因为人类目前的认识水平仍然很有限。人们还没有完全了解和掌握天气现象的各种规律,对大气现象产生的背后原因、演变过程的认识仍很肤浅。我们还没有完全弄清地球大气运动和太阳、月亮及其他天体运动的关系;海洋、地球表面与人类活动的关系也并不是十分明了。说到底,气象科学作为一门综合性的实用科学来看,它涉及的学科面很广,它的完善还需要别的学科来促进;而且一些实用的技术学科,如计算机也需要发展,这一切都在一定程度上限制了气象科学的发展,影响了天气预报的水平。

其次是因为天气现象本身的原因。天气现象发生的面广,局部地区有的持续时间又短;而且地球表面不同地区、不同高度的差异性大,反映在天气现象上,就出现了更复杂的情况。天气现象变幻莫测,令人捉摸不定,我们只能大体地、有代表性地把握不同天气形势,根据获得的很有限的气象资料进行预报。

再次就是预报工具有局限性。我们的各种气象仪器并不是完美无瑕的。

它们所获取的值也只是近似的,不能说没有误差。我们的一些预报方法,如数值预报模式,其使用的微分方程本身只是一种形式,在解方程时需要简化,又免不了带上一定的误差。这些误差或大或小、或多或少地影响了天气预报的准确性。而且,我们的气象资料在传送过程中,有时可能会出现错误。1976年7月31日,美国丹佛发生洪水灾害时,丹佛气象预报台的雷达信息通过电话传送时出了故障,导致了139人在这场洪水中丧生,一直到洪水结束时,气象台才发布洪暴警报。

还有一点,与预报的具体情况有关。天气预报,特别是短期天气预报,它所使用的工具无非是天气图、卫星云图、数值预报指导产品等。而对于这些工具的正确使用,常常与预报人员的理论水平、业务专业水平、工作经验有很密切的联系。对于同一次预报,不同的人可能会得出不同、甚至完全相反的结论。而这些结论,并不能以倾向性的大小来衡量预报的正确与否。特别是在天气会商的过程中,有时候少数人的意见、大家不太重视的预报结论,恐怕还真与实际天气情况吻合。因而,在天气会商的过程中,切莫过分轻视那些“孤掌难鸣”的意见。

但是天气预报毕竟不是迷信,而是科学,对于科学就应该有科学的态度。

天气预报的失误在所难免,但是气象工作者不能由此而裹足不前,灰心丧气。

从气象预报的发展史来看,人类天气预报的水平愈来愈高,愈来愈准,这是不可置辩的事实。现在人类虽然还没有能力驯服天气这只脾气难以捉摸的怪兽,但是能够预报,这是大家必须首肯的事实。

应该树立这种观点:天气预报不仅可以做,而且可以做得很准。当前我们天气预报所以有一些失误,除上述原因之外,还有一点,就是我们的人力、物力有限。例如对高空的探测,平均每隔200公里左右才有一个站,它们获取的资料毫无疑问不具体、不全面,特别是对局部地区的大风、暴雨、冰雹等天气经常无能为力。海洋、荒漠、高山上的探测局限性更大,而海洋观测,仅凭几只船舶则显得太“势单力孤”了;在太平洋和南半球还存在有大量的空白区,这样条件下的天气预报不准当然是无法避免的。但是,如果在空中的气象仪器再密集些,气象仪器的精度再高一些,探测的内容再多一些,不用说,那些小天气状况,就不会逃过我们的眼睛了。我们把天气预报做得更准确一些,是完全可能的事。

天气变化不管多么变幻无穷,它终究只是一种大气现象。而这些现象总有其发生、发展、变化的规律,而这些规律当然可以为人们所认识。我们有理由相信,随着现代科技的发展、人类认识手段的提高,大气演变的规律一定会被人们了解得更清楚。到那时,天气预报的水平一定能让人满意。

还要附加一点的是,不同的天气系统寿命本身有长有短,相应的天气预报也有不同的期限。有些小范围内的天气现象,如大风、雷阵雨,其有效预报期限有短于两小时的。有人说发布2~4小时天气预报准确率高,称之为“甚短期预报”,是很有道理的。当然,预报本身也存在着辩证的性质,长期天气预报看似难度大,准确性不高;但如果把它视为气候预报,则完全又是一码事了。

天气预报技术还在不断地发展中,一些国家正在研制和开发新的预报服务项目。据称,美国的“局地气象观测和预报服务”计划(PROFS)便是其中之一。

为了提高探测的精度,气象学家把大气层分得更细,约有16层,是以前的两倍多,每层网络间距为84.45公里。在实验中,气象中心从气象卫星那儿收到可见光图像和红外图像,每过五分钟可以得到一次信息。另外新式多普勒雷达站、各层地面观测网都将测得的各高度气象数据输给中心。每隔20分钟,一个叫辐射廓线仪的装置还会传来不同高度的温度、湿度数据。大量的计算机气象模式得以建立,不同的气象信息被输入进去进行模拟。

据说,计算机模拟技术可以预报两周以内的天气。有意思的是,有人认为,要想提高局部天气观测水平,必须发动家庭计算机,并且有几家私人信息网已被列入了国家天气局的天气方案中。未来的预报真正如何,我们满怀美好的希望。

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