由“蝴蝶效應”探索數值天氣預報

神秘的蝴蝶效應

“一只在亞馬孫雨林中的蝴蝶偶爾扇動幾下翅膀，就可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風。”這就是美國氣象學家愛德華·洛倫茲提出的“蝴蝶效應”。那么他是怎么發現這只蝴蝶的呢？答案就是“數值天氣預報”。

所謂數值天氣預報，是通過建立數學模型，模擬大氣運動的過程，并利用大型計算機進行數值計算，預測未來一定時間段內的大氣運動狀態和天氣現象。

1961年，愛德華·洛倫茲在進行數值天氣預報時發現，微小的初始變化隨著時間的積累可能引起顯著的連鎖反應，導致預報結果大相徑庭，進而發現了這只隱藏在深處的小蝴蝶。當時的計算機非常原始，數值預報的模型也相對簡單。隨著科技的進步以及超級計算機在氣象領域的應用，數值天氣預報得到了快速發展。

我國數值天氣預報有實力

我國的數值天氣預報發展較晚。科學家通過自主創新，突破了一系列關鍵核心技術，形成以全球區域一體化高精度的國產數值預報體系，可以預報未來一周甚至更長時間的天氣趨勢。區域模式的分辨率高達3 000米，與此同時，更高分辨的1 000米模式也在試驗中，暴雨和臺風路徑預報的準確率有較高提升，彰顯了國家氣象科技的“硬實力”。

為什么天氣預報時有不準

既然數值天氣預報已經如此先進了，為什么我們感覺天氣預報還是不準呢？這時就要回到我們開頭提到的蝴蝶問題了。

首先，數值天氣預報依賴于實況信息，然而由于地形差異、海拔高度以及儀器偏差等原因，實況的數據可能存在微小的偏差。舉例來說，當地面露點溫度偏差 1 ℃，大氣中能夠產生對流的能量會增加很多，這就關系到一場局地的強對流是否能夠發生。

其次，數值天氣預報的方程只是大氣的近似描述，舍棄了一些數學方程無法描述的信息，這就好像在數值模式中隱藏了更多小小的蝴蝶。比如我們能看到數值模式對臺風等大尺度天氣運動有形象的描述，然而對龍卷風等小尺度的對流模擬不夠精細，它們就像是從預報網格中逃離的蝴蝶，讓人難以捉摸。

可見，當前數值天氣預報只能近似地描述天氣過程，無法得到完美的預報。隨著科技的進步，預報員也在不斷發展新方法和新技術來進一步補充預報網絡，使天氣預報更加精準。

（本文由天津市氣象學會推薦供稿。作者單位：天津市氣象臺）

（責編：張海蓉）