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撰文:陈敏仪     2013年12月  

你可有玩电脑模拟游戏的经验呢?在虚拟世界驾驶火车,建造城市,甚至管理国家,过程既有趣又有挑战性。你会否想更进一步,化身大自然之母,呼风唤雨,模拟天气的变化呢?若你有兴趣,便要认识一下数值天气模式。


原理
天气其实反映大气的状况,大气变化受物理定律如牛顿运动定律、气体定律、热力学方程及连续性方程等支配。若我们把三维的大气层划分成很多网格点,并从观测数据推算出如气压、温度、风、大气密度及湿度等气象参数于各点之初始值,便可根据上述方程计算各参数未来的数值,从而预测天气。

 

图一
图一 全球数值天气预报模式的三维网格示意图 (资料来源:COMET网站)
  

历史
挪威气象学家皮叶克尼斯于1904年提出以上概念。其后英国气象学家理查逊设计了详细的计算程序,以数值方法寻求近似解。由于当时未发明通用电脑,运算又十分繁复,他用了差不多6星期的计算时间才能完成6小时的天气预测。不过,由于其预测的气压变化达145百帕斯卡,误差远超正常,因此当他于1922年出版其计算方法时,并未受到重视。其后气象学家查尼与数学家冯纽曼等简化了所用的数学模型,并由第一部通用电脑 – 电子数值积分计算机 (ENIAC) 执行,终于第一份电脑计算的数值天气预报在1950年出现了。

在数值天气模式投入业务运作的初期,有些预报员对它抱怀疑的态度,但随着电脑运算能力增加、数值天气模式技术改良及天气观测数据数量和质量的改进,数值模式的准确度大大提升,它已成为预报员不可或缺的伙伴。

模式输出后处理
有些时候,预报员参考数值模式时,会察觉模式有系统性偏差。另外,对同一网格内的地点,电脑模式只会预测同一个天气状况,若果网格范围内实际的地形及地表特征等变化很大,模式预报的地面气温、风向及风速等会与实况有很大差异。针对这些情况,我们会对模式输出进行后处理,减低模式预报的误差,增加模式输出的应用价值。


图二
图二 经后处理的模式预测与实况观测较为符合


局限
虽然天气模式不断进步,但我们使用时仍要了解它的局限,例如:模式的物理过程经过简化,未能完全反映真实的大气过程;模式不能分辨细于其分辨率(即网格点之间的距离)的天气;观测数据会有误差及覆盖范围不足的情况,影响模式的表现;最重要的是大气属于混沌系统,即是说:只要初始值有些微误差,预测的值可以出现很大的误差,因此限制了远期天气预报的准确性。


应用
数值天气模式除了用于日常预报外,也可变成大气实验室,作出现实中难以进行的模拟,例如研究海面温度上升对热带气旋发展的影响。电脑天气模式的预报资料亦会利用于运算海面波浪、风暴潮等专门预报模式。数值天气模式技术亦应用于气候模拟,协助研究气候变化及全球变暖等课题。如果你对数值天气模式有兴趣,或许你可以想想它还有那些其他用途呢?




资料源自由美国国家海洋暨大气总署以及美国商务部透过合作协定而提供部分资助的大学大气研究联盟COMET®网页http://meted.ucar.edu/。©1997-2013 大学大气研究联盟版权所有。
 
 



 

最近修订日期: <2014年4月30日>