2010/4/29

氣象預報 算出來的

《荀‧天論》的「天行有常」與「風雨之不時,是無世而不常有之」文辭,顯示氣候變動有周而復始的規律,也有許多難以預測的變異。近年來「氣象災害」頻傳,解答或許在於嚴謹的數學模式與觀測資料分析。
國家科學委員會主辦,台灣大學物理學系暨天文物理研究所承辦,聯合報、科學月刊、科學發展月刊、Discovery頻道協辦的「2010春季展望系列演講」,正逢「世界地球日」發起40周年。已故美國天文學家Carl Sagen從太空船拍攝地球的照片中,稱地球是「一顆淡藍色的小點」,鑑於近年地球環境問題嚴重,本次主題就略為修改文字成為「一顆淡藍色的淚珠」。上周五第一場由教育部國家講座教授、台灣大學大氣科學系郭鴻基主講「問蒼茫大氣誰主浮沈?-談氣象數學建模」。

●數學運算 估空氣裡的事

郭鴻基教授主講「問蒼茫大氣誰主浮沉—談氣象數學建模 」,吸引滿場觀眾。 記者趙文彬/攝影

人們希望「風調雨順」,但天氣總難盡如人意。郭鴻基引用漢朝王充《論衡》裡的「五日一風,十日一雨。」他說,現在的科學比以前發達許多,天氣變化能不能透過數學方法,導出一個方程式研判或預估?但就算導出了方程式,又該怎麼解?

1705年,英國天文學家Edmond Halley(哈雷)運用牛頓運動定律,預測一顆在1531、1607和1682年被看到的彗星會在1758年再次回到太陽系,它就是周期76年的「哈雷彗星」。這引出一個問題:天文學可預測76年,為何氣象學不行?

郭鴻基說,希臘哲學家亞里斯多德觀察認為,氣象是「空氣裡的事情」,隨著Galileo Galilei(伽利略)、Evangelista Torricelli (托里切利)等人對空氣的物理現象研究累積,18世紀,瑞士數學家Leonhard Euler(尤拉)運用許多偏微分方程式描述流體力學的流體塊、壓力梯度力、座標轉換和質量守恆現象;法國數學家Jean Le Rond d' Alembert(達朗伯)是第一個以流體力學模式解釋「風」的人,證實Euler的想法。後來,法國數學家Pierre-Simon Laplace(拉普拉斯)在19世紀初提出:歐洲應該設立一個資訊及時傳送整合的氣象觀測網,而當時熱力學的發展也增加人們對雲物理的了解。

郭鴻基指出,熱力學、流體力學的快速發展帶動了大氣科學。1911年,挪威學者Vilhelm Bjerknes提出氣象學的終極問題在於:如何運用儀器,正確地觀測大氣現狀和運作規律?二次大戰結束時,因空軍作戰,探空資料已很多;1950年,數值天氣預報(Numeric l Weather Prediction)模式建立,第一部用於預報天氣的電腦「ENIAC」也隨之誕生。

有了數學模式輔助,氣象科學逐漸成為實驗科學。郭鴻基認為,數學模式不只是解習題,而是有邏輯的思考過程,幫助人們了解「問題在哪裡」,進而試著解決它。拜幾何、代數、微積分、電腦計算繪圖陸續發展,電腦可以幫人們很快地計算大量數據,「數學模式」的推估更為重要。


●預測變準 但仍有誤差

郭鴻基說,其實現在的氣象科技對於3、5、7天的預報能力,準確率已經分別提高至95%、85%、70%;颱風路徑的誤差比起1990年來也減半,只是強度預報沒多少進展。即便如此,美國氣象學家Edward Norton Lorenz還是認為「就算模式與資料都是完美,預報仍有極限!」


●電腦進步 研究敲門磚

以目前的氣候,郭鴻基認為不能用全球暖化解釋所有的天氣。他舉例,美國前副總統高爾認為吐瓦魯會被海水淹沒,需要逃難到紐西蘭,但吐瓦魯卻是因「地層下陷」與風暴造成的「海岸侵蝕」,使環境惡劣,和全球暖化沒有直接相關;非洲乾涸中的查德湖應該是人口增加、過度取用灌溉水源、及區域氣候變遷影響。他強調,任何獨立天氣事件都不能直接被歸因於全球暖化。

郭鴻基指出,目前的氣候模式仍缺乏各年度之間和對激烈天氣變異的預測能力。「數學科學模式」幫助我們由片面觀察的自然界,統合了解共通完整的科學定律,但觀點要時時更新,也要嚴謹驗證資料。北極冰層在2007年達到極小值,2010年卻變多,和所有模式預測大大不同,郭鴻基認為這再次顯示我們對天氣氣候系統理解的不足。全球暖化趨勢值得關注,氣候自然變異幅度也不可輕忽,天氣預報、防災、減災更應受到最大重視。

數學模式與計算是探索科學的利器,隨著電腦的進步,計算更成為打開非線性科學研究的敲門磚。數學模式建立、計算、數位資料詮釋與驗證等過程,更是現今數理科學的典範。「生也有涯,知也無涯,」郭鴻基說自然界的觀察有侷限,「科學數學模式」可以幫助我們統合了解觀察,形成共通、完整的科學定律。

【2010-04-26/聯合報/D2版/展望】

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