從混沌效應(yīng)到預(yù)測(cè)未來(lái)

丁一匯

地球的大氣環(huán)流系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，充滿了多種不同時(shí)間和空間尺度的變化，形成了人類感知并預(yù)測(cè)不同天氣與氣候現(xiàn)象，而這些變化也伴隨著諸多不確定性。這就是現(xiàn)在時(shí)常被提起的“混沌效應(yīng)”。“混沌效應(yīng)”起源于1903年前后法國(guó)數(shù)學(xué)家邦加萊的發(fā)現(xiàn)，但它的實(shí)際應(yīng)用則得益于氣象學(xué)的研究。

隨著現(xiàn)代氣象科技的發(fā)展，人類逐漸摸索到大氣演變與變化的奧秘，并有一定能力處理大氣的混沌問題。其中，一個(gè)關(guān)鍵的問題是改進(jìn)初始觀測(cè)場(chǎng)。航天技術(shù)的發(fā)展使人造衛(wèi)星服務(wù)于氣象，通過運(yùn)行在極地軌道和地球同步軌道上的氣象衛(wèi)星，人類可以不問斷地跟蹤地球大氣的風(fēng)云變幻，對(duì)天氣現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)記錄和觀測(cè)，并配合全球地面和大氣的觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地獲知全球氣象、水文和環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用和多樣本、多模式集合方法，可制作更可靠的氣象與水文預(yù)報(bào)，使我們可以更為精確地得到降雨與水資源的分布規(guī)律和未來(lái)變化，繼而規(guī)劃種種水利工程。從簡(jiǎn)單的攔河筑壩到“南水北調(diào)”那樣全國(guó)性的跨流域調(diào)水項(xiàng)目，“治水”因有氣象學(xué)的助力而更加有效和可靠。到2022年以后，中國(guó)即將建成的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬器，將可以如“CT”掃描一般更精準(zhǔn)地“照出”地球各圈層運(yùn)作和變化的情形。

另一方面，氣象學(xué)知識(shí)的普及正引起人們對(duì)天氣與氣候演變的巨大關(guān)注。比如，大家關(guān)注“南澇北旱”的季風(fēng)雨帶分布，可能讓許多人聯(lián)想到中國(guó)全境正在走向干旱化。然而，氣象學(xué)家根據(jù)長(zhǎng)期的資料與證據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)的降水分布實(shí)際上有著周期性的變化規(guī)律，同時(shí)還有趨勢(shì)性的演變。前者一般被認(rèn)為是自然因子的影響，后者則與全球氣候變暖造成的全球水循環(huán)變化有關(guān)。例如，每隔大約40年，長(zhǎng)江和華南地區(qū)便會(huì)迎來(lái)一個(gè)雨水豐沛的時(shí)期。在呈現(xiàn)周期性降水變化的同時(shí)，也可以觀測(cè)到副熱帶地區(qū)降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而中高緯地區(qū)降水呈增加趨勢(shì)，這是因?yàn)槿驓夂蜃兣谷蚪邓畮Оl(fā)生“干者愈干，濕者愈濕”變化的結(jié)果。對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)來(lái)說(shuō)，對(duì)未來(lái)旱澇情況的認(rèn)識(shí)與預(yù)測(cè)，肯定會(huì)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供珍貴的指引。

在第60個(gè)“世界氣象日”到來(lái)之際，我們用這一冊(cè)《知識(shí)就是力量》雜志，聚焦于“氣候和水”的主題，帶你領(lǐng)略為了應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，人類怎樣在新的全球變化的視角下，去審視地球上不斷變化的天氣、氣候以及循環(huán)不息的水。