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专家详解极端天气预报难题: 一只蝴蝶扇动翅膀 但我们缺乏追踪技术

2021-07-22 03:29:12 21世纪经济报道 

“在天气预报中,暴雨预报被公认为世界性难题。”7月20日18时,郑州市气象局在其官方微博中发布了这样一条消息。

该局发出这样一句感概的原因,来自于此前的预报偏差:郑州气象局曾发布7月19日-21日天气预报称,预计累积降水量90~150 毫米,局地150~200毫米,最大雨强40~50毫米/小时。

但实际情况却差距甚大:仅7月19日20时-20日20时,郑州近七成测站降雨超过250毫米,其中郑州市尖岗达到681.3毫米,而最大小时雨强也超预估数倍:7月20日16时-17时,郑州雨强达到201.9毫米,突破中国大陆小时降雨量历史极值。目前,这场持续性的暴雨已造成25人遇难7人失联。

四川省气象局原副局长马力接受21世纪经济报道记者专访时称,暴雨天气的预报难点主要集中在三个层面:定点、定时、定量,尤其是类似郑州这样的极端情况,由于非常罕见,过去缺乏经验积累,很难准确预报。

暴雨预报是世界难题

《21世纪》:如何评价此次郑州的降雨过程?

马力:这是一次非常极端的天气过程,郑州的最大小时降雨量为201.9毫米,已超过1975年8月5日河南林州1小时降雨量198.5毫米的纪录,超过我国陆地小时降雨量极值。

因此,我们不能用正常的标准去衡量,认为城市的防汛能力有问题,一个小时高达200多毫米的降水量绝对将造成城市严重内涝。

举例而言,目前成都若一小时降水超80毫米,城里排水就会出现问题,交通也会阻塞,200毫米是非常极端的。

《21世纪》:分析一次天气变化过程的难点在什么地方?

马力:气象部门做天气预报,公众常见的时间尺度是未来72小时天气预报,尺度再缩小,是48小时到24小时的短期预报,更近一点,是临近的短时预报,同时根据情况发布预警信号,如暴雨,大风,雷电预警,并以颜色划分危害程度。

分析一次天气变化过程,其涉及因素非常多,从大的趋势看,如今年的气候大背景是降水带偏多在北方,北方来的冷空气和南方的暖空气,其接触面大部分都在黄河流域,那么我们可以重点关注该区域。但要进行预报,不仅要关注天上的变化,还要考虑青藏高原积雪情况、两极情况、海水温度情况、厄尔尼诺情况等,甚至包括地面植被覆盖情况。

目前,在预报的技术手段上,是依据数值预报,我们把大气运动看为流体,用流体力学方程写出来,里面包含时间变化项,解出方程组,就可以得到未来时间的天气数据。

但这些数据非常大,一天的预报可能需要10个G甚至100个G以上的数据,因此我们也可以说,一个国家的天气预报的准确性,与一个国家计算机的性能有关系,经过多年发展,我国的超级计算机运算能力已经非常先进。

在计算方式上,一般会采用多个数值天气预报模式,将水汽、温度、动力等要素输入,像解数学方程一样得出数值,但这一计算过程如打靶,差之毫厘谬以千里,初始值的一点点误差,会造成结果误差非常大。这个问题如何解决?我们在输入初始值时,一般会输入四十几个相似值,最后输出的结果,也是四十几个,再用统计方法,综合得出最有可能的结果。

《21世纪》:这次郑州遭遇非常罕见的极端暴雨天气过程,为什么说对它的预报是非常困难的?

马力:以目前的技术水平看,暴雨天气的预报准确性不高,它的难点是在定点、定时、定量上,即时间、范围、雨量三个维度。

比如,我们只能预报出某月的几日到几日将会出现降雨这样一个大致的趋势、大致的强度,如中到大雨或是暴雨也可以报出来,以及大致降水范围。但是,在这个范围的准确经纬度,和它开始、结束的时间,以及可能发生的极端性问题,则无法准确预计。比如,我们可以预计19日到21日,在郑州有一次明显的降水过程,但具体几点钟开始,结束又是什么时间,最大降水强度在哪里,是不可能准确预报的。

尤其是在降水强度上,类似郑州这样超过历史极值的极端天气预报十分困难,因为极端天气的历史记录非常少,无论是数据资料还是影像资料都很缺乏,我们对它的认识还十分不到位,所以更谈不上把握它的规律并作出预报。

郑州暴雨影响因素涉及整个亚欧大气环流

《21世纪》:这意味着目前我们在技术上还存在非常多的困难?

马力:一场暴雨天气的发生,有若干条件,有时满足了大部分条件,就会发生降水天气过程,但未必变为很强的降水,有非常巧合的成分,比如气流太强不行,会把水气吹到其他地方,太弱也不行,不会造成天气剧烈变化。

数值天气预报仍是暴雨预报的主要依据,我们也应用卫星云图和多普勒雷达,如果是静止卫星,可以1小时发送一张图,而雷达6分钟就出一张图,再加上我们地面自动站,一分钟一次采集信息,这些方式结合起来,构成了临近气象预报的基础。即使使用多种手段,但天气是瞬息万变的,临近预报如果要非常准确,就要对云滴进行监测,云滴一开始比针尖还小,它会在天气变化过程中逐渐长大,同时还要算上升气流的情况,上升气流何时托不住云滴,才能计算出云滴下降变为雨滴的时间。

但目前达到定点、定时、定量是不行的,我们可以去无限地接近这个目标,但或许很难完全准确。

比如,雷达到云里面打了一束波,遇到云滴后反射回来,分析回波强度,如果强度很强,就可推算出可能会出现暴雨。但雷达和卫星云图,解决的是强天气的有无问题,云滴产生50毫米到200毫米降水量的回波强度,却几乎没有太大的差别。

从郑州此前发布的预警信息看,也预报了有暴雨天气,但短时预报的误差性太强,天气变化是瞬间过程,越到临近时间,降雨的范围和强度其实越是随机的,也越考验我们的观察能力。尤其这次郑州遭遇的是非常极端的天气情况,过去发生很少,我们没有积累足够的经验和数据资料,是难以去预报的。

《21世纪》:在未来有可能真正做到定时定点定量预报吗?

马力:如果要真正去分析,我们起码要获得亚欧范围的大气环流强度来判断,要根据全球各个国家共享的站网数据,但很多站网的建设情况较落后,我们能获得的资料并不充分。因此,尽管我们说,这是一场发生在郑州的暴雨极端天气过程,但实际上牵扯了整个亚欧范围的天气变化过程,可能是一只蝴蝶扇动了翅膀,而我们缺乏的是追踪技术。

面对未来,我们对极端天气的认识、发生发展规律的认识需要加强,尤其是在全球气候变化的情况下,极端天气将多发,对人类活动的影响进一步加大,人工智能技术或许将是一种新手段,或许能够帮助我们更加准确地知道那只扇动翅膀的蝴蝶,究竟引发了怎么样的天气变化过程。

(作者:李果 编辑:杜弘禹)

(责任编辑:张洋 HN080)
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