中科院院士穆穆详解天气预报误差是如何产生的

2022-12-02 10:16:39

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·数值天气预报实际上就是把数学、物理学、化学等等结合起来,用描述大气运动的数学、物理的方程组进行求解。

·大气科学界正在做的一件事情就是无缝隙的预报系统,希望能够把像龙卷风这种时间尺度只有几分钟、十几分钟,台风时间尺度为几天等的变化都能够无缝隙地进行预报。

大气科学研究到底关注什么?大气科学的研究对人类生产和生活有怎样的影响?天气预报产生误差的根源在哪里?大气科学界正在做哪些方面的研究来改善弥补误差?

11月19日,中国科学院院士、大气动力学家、复旦大学大气与海洋科学系特聘教授穆穆在2022复旦大学管理学院科创周系列活动中,就“大气与未来地球的宜居性”为题发表演讲,分享了他对于上述问题的思考与观点。以下为演讲全文。

大气科学主要做三件事

我今天讲的内容大概分三部分,首先是序言部分。我们大气科学研究的对象就是大气这个圈层,当然也要考虑到它和其他圈层相互作用,像海洋、陆地等等。大气科学主要是要研究发生在大气圈层里面的动力学问题、物理问题、化学问题等等。所以,我们是建立在数学、物理学、化学以及计算机科学基础之上的一门学科。同时,大气科学还有非常好的传统,一旦有新的技术诞生以后,比如计算机、无线电技术、雷达技术、卫星技术,以及现在非常热门的AI、大数据等等,这个学科都会非常及时将这些新的技术运用到其中。

大气科学主要做什么事情呢?我通俗地给大家总结了一下。第一件事情,我们要看“老天爷的脸色”,这主要是指我们要去做观测,而且要做观测的设计。第二件事情,我们要“摸老天爷的脾气”,也就是要认识与理解大气。第三个是“猜老天爷的心思”,主要是指我们要做数值模拟,同时还要做预报预测。

大气科学主要做了什么事情?这可以分成两个方面。一方面,我们可以对高影响的海气环境事件做出有价值的预报,像台风、龙卷、雾霾、气候事件ENSO以及海洋上的风暴潮等等。另外一个非常重要的方面,是如何应对气候变化,包括各行各业、国家的、政府的政策制定,以及现在我们所关注的碳中和、碳达峰等等,都是大气科学构建宜居地球重要的内容。

人类是非常惜命的,地球上的大气是我们生命的保护伞,没有这个大气层,我们地表的平均温度大概是零下18度,2020年地表的平均温度是14.9度。另外,大气层相当于4.5米厚的混凝土,它能够挡住来自太空的宇宙射线、带电粒子、紫外线等等。我们常常用风云变幻、气象万千形容大气。大家可能不知道,在任意时刻地球上发生着1800场雷雨,平均每天有4000场雷雨,而一个中等强度的台风24小时释放的能量相当于英国和法国一年的能源需求。当然,很遗憾,我们现在还不能够利用这种能源。

马克·吐温有一句非常有名的话:每个人都谈论天气,但是很少有人为它做点什么。从现在的科学认知水平来说,他似乎说对了一半——现在,人类影响了天气,影响了气候。未来,我们人类能为天气气候做出自己的贡献。

大气层是复杂的天气气候系统当中最为活跃的一层,它跟海洋、陆面等等发生相互作用,所以构成了我们现在的天气气候系统。我这里特别强调了一下海洋,因为海洋是以其巨大的热能在驱动大气的,它的密度比大气高得多。举一个例子,一升海水温度假如下降一度,它散发出来的热量就可以使3600升的空气温度升高一度,这就是我们在研究大气的同时也要研究海洋的原因。天气气候变化是关乎未来地球人类命运的,随着气候的变化,热带气旋的强度会增加,而全球变暖使得冰雪圈会融化,也会带来更多的洪水、沙漠化等问题。像去年7月20日的郑州特大暴雨带来的人员伤亡、财产损失是非常巨大的。

今年我们在长三角、在长江流域都感受到了夏季北半球的高温热浪。在7月21日到8月30日的最高气温实况图上,对角线上面西北和东南都是高温热浪、维持时间很长的。长三角地区、长江流域最高的地方甚至超过了30天。北半球的其他地方,像欧洲、南美也受到高温热浪的影响。英国气象局7月18日发布了历史上第一个异常高温红色警告,部分地区气温首次突破40度。大家要知道,英国是很多阿拉伯国家的富豪去夏季避暑的地方,今年,他们这个愿望在很大程度上落空了。

除了高温热浪,冬季暴雪同样形势严峻。大家也许看过电影《后天》,2018年迷你版的《后天》正在现实当中上演。除此之外,还有干旱。2019年9月份到2020年2月份,南半球的澳洲干旱大火使得动物流离失所。所以可以毫不夸张的说,地球上人类排放的温室气体关系着人类的未来命运。上世纪90年代的研究认为全球变暖导致冰雪融化,地球也许最终会变成一个水球。到本世纪初的时候,电影《后天》上映,这部影片认为地球有可能变成一个冰雪世界。去年有一部很热门电影《沙丘》,认为随着温度的升高,地球也许会变成一个荒漠化的星球。当然这都是一些研究,并没有定论,但关系到人类怎么去应对气候变化。

大气科学三方面的贡献

大气科学对我们人类社会现在已经做出来的主要贡献的第一个方面,是预报和预测。“预报未来”大概是人类永恒的追求之一。天气预报是猜老天爷将来的心思,气候预测还要考虑海洋,所以我们实际上是在猜老天爷与海龙王的心思,这在希腊的神话里面是有类似的故事的。衡量一门科学是不是成熟的标志大概有两个方面,一个是对未来发生的事件能够做出有价值的预报,第二个是对尚未发现的现象做出能够被将来的观测所证实的预言。人类历史上,天文学一开头是走在前面的,后来海洋学去预报潮汐,现在能够预报天气,进行气候预测,这是大气科学研究做出的贡献。美国国家科学委员会的一个报告评价,认识和预测天气方面的进步是20世纪科学最显著的成功之一。而世界气象组织把天气预报也评价为是20世纪最重大的科技和社会进步之一。

大气科学是一个小学科,但是可以不谦虚的说,我们还是做出了比较大的作为。我们国家科学技术奖励的最高层次是国家最高科学技术奖,到2020年为止,一共有35名获奖者,我们这个非常小的学科有2位获奖者,一位是著名的气象学家叶笃正先生,一个是曾庆存院士。这也是我当年在中国科学院大气物理研究所工作时候的两位老师。

天气预报的历史可以追溯到1916年到1918年英国数学家理查森第一次做的数值天气预报,当时因为是用计算机算的,所以是失败了。上世纪50年代,查尼和冯·诺依曼用人类第一台电子计算机成功地开展了第一次数值天气预报。数值天气预报实际上就是把数学、物理学、化学等等结合起来,用描述大气运动的数学、物理的方程组进行求解。高速电子计算机做出预报的流程大概是这样的,一开始,我们要观测获取资料,通过资料同化,输到模式里面去,做出预报,最后输出结果。

这里我稍微谈一下我们这个数值天气预报的重要性。这是一个非常值得提的一个例子,去年5月22日,在甘肃白银开展了一次100公里的山地马拉松比赛。气象预报给出了大预报,但是由于比赛的场地是山地,我们还不能做出精细化的预测,但是我们还是比较好地预报出了锋面过程。有气象知识的选手就准备了冲锋衣,就逃过了一难。但是,不懂锋面过后一定有大风降温的选手,在马拉松比赛当中着装太单薄,很多人失去了生命。

现在我们谈一谈在科学特别是全球变暖和气候变化方面大气科学所做出的贡献。去年诺贝尔物理学奖颁给了Manabe和Hasselmann以及Parisi,Parisi是做分析性科学复杂性的,而前面两位都是大气科学家,颁奖的原因是对地球气候的物理建模、量化可变性和预测全球变暖做出了重大贡献。诺贝尔奖是没有大气科学奖的,但是我们做的是物理学问题、化学问题。

跟管理科学有关系的是2018年的诺贝尔经济学奖诺德豪斯,他是把气候变化纳入了长期的宏观经济分析,构建了一个经济学模型,获得了诺贝尔经济学奖。

在保护人类生态环境方面,我们知道,高空的臭氧是好的,因为它可以阻挡短波紫外线,保护人类和生态系统。但是在近地面的臭氧不是一个好东西,因为它可以危害人体健康,甚至对农作物生态系统都造成很不好的影响。1995年诺贝尔化学奖表彰了三个大气化学奖,他们的主要贡献是发现南极臭氧层空洞的形成主要是和人类排放的像冰箱所谓的冷凝剂氟利昂有极大的关系,他们的工作促进了《蒙特利尔议定书》的签订,因此淘汰了大约99%的消耗臭氧层物质。所以,他们这个贡献对人类社会的发展是巨大的。

大气科学的机遇与挑战

第三个方面是大气科学面临的机遇与挑战。虽然我们的模式取得了很大的成就,甚至都获得诺贝尔奖,但是随着全球变暖,我们近些年来全球各地的极端天气气候事件频发,对它的预报出现频频失误。

人类历史上经历过很多次极端天气灾害,去年5月18日,北极观测到了最高的热浪,莫斯科也创下了纪录,刚才谈到的澳大利亚大火也带来巨大的生态灾难。但是,我们坦率地说,我们预报水平还达不到我们人类所要求的精度。我们国家也是极端天气气候事件的高发区,比如去年郑州暴雨它的落区和强度,我们都预报得不尽如人意。虽然大范围的天气形势我们能够预报出来,但是没有预报出具体在什么样的地方下这么大的暴雨。当然后来2021年10月,山西的暴雨我们气象部门预报的还是相当的不错的。长三角都比较关注的台风问题,虽然24小时的台风路径预报平均水平大概是小于100公里了,但是也还有很多预报非常差的例子。所以有一个笑话,老百姓说,幸亏我们没有住在“局部”这个地方,否则我们天天就要下雨了,因为以前我们的预报是说局部地区有时有阵雨。

为什么我们的预报会有误差呢?有三个方面。一个是观测有误差,任何仪器观测都有误差的。第二个我们的模式有误差,我们认识这个自然界还不全面,不充分。第三个就是天气气候系统是一个非常复杂的、非线性系统。说起复杂性和非线性,就要提到劳伦兹的蝴蝶效应,这是指德克萨斯的一只蝴蝶扇一扇翅膀,有可能影响到在纽约有一场暴风雨或者龙卷风。而在研究气候时,要考虑海洋的因素,并不能真正发挥这么大的作用,但是无论如何,这说明了这些非线性构成的重要性。

地表是非常复杂的,云也是非常复杂的,这些系统在我们的预报模式里面描述起来,都是非常困难的。在地球科学世界难题当中,第一个问题是,我们是否可以阻止全球气候变化?与之相连的就是,我们能够把过量的二氧化碳存到什么地方。第三个是我们能不能很好地做出预报。第四个也与未来气候变化有关:假如南北极的冰、地球上的冰川都融化了,我们的海平面能升到多高?对于像上海这样的滨海城市有多大的影响?……这都是非常有挑战性的问题,但是关系到人类的生存,关系到地球是不是还继续宜居。

大气科学是跟数学、物理紧密相连的,像数学难题里面有一个非常有名的N-S方程的问题,这个问题的解决和天气气候能不能够很好的预报、能够预报多长时间是紧密相关的,所以我们也期盼着数学家能够做出贡献。

现在,大气科学界在做的一件事情就是无缝隙的预报系统,我们希望能够把像龙卷风这种时间尺度只有几分钟、十几分钟,到台风时间尺度为几天,再到气候半年、一年以及到年代性的变化、气候预测都能够无缝隙地进行预报。当然,这是一个非常有挑战性的、需要慢慢努力的课题。

在这个方面,我所领导的课题组大概在做两件事情。

我们预报总是有不确定性的,那这个不确定性怎么办呢?考虑到我们的观测有误差,所以我们要用另外的办法,也就是用概率预报去做。现在大家能够看到,比如明天的降水概率是40%、25%,温度多高的概率是多少,这都是用概率预报做出来的。概率预报实现的方式就叫集合预报。集合预报怎么去做?我们课题组正在努力做这方面的工作。我们提出来一个方法叫CNOP(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,条件非线性最优扰动)方法。另外,我们可以去做目标观测,这也是提高台风预报的方法。2020年、2021年以及2022年我们做的几次台风目标观测,效果是比较理想的,关于它的效果我们已经有文章发表了。

另外一个方面,我们也在关注北极。这是提高15天到30天,甚至更长时间天气预报的关键途径之一。很多研究发现乌拉尔阻塞现象对我们冬季的极寒天气有很大的影响,我们的研究发现在北极地区,就是格陵兰海、巴伦支海和鄂霍茨克海这三个区域海冰的情况对我们阻塞预报有很大的影响。所以,我们希望,我们的工作也能够为将来在北极做观测提供科学指导。

(作者穆穆,系中国科学院院士,发展中国家科学院(TWAS)院士,中国工业与应用数学学会会士,复旦大学特聘教授。现任国际气象学和大气科学协会(IAMAS)执委会委员,中国IAMAS委员会主席,国家自然科学基金委员会地球科学部第八届专家咨询委员会委员。)

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