[科普中国]-世界气象日：气象科技如何捕捉台风？

3月23日是世界气象日，气象科学技术对人类最大的贡献之一，就是对台风一类灾害性天气的预测。那么，天气预报系统的运作机理是怎样的？它又是如何预测台风的呢？近代以来，随着雷达技术，卫星技术以及计算机技术的进步，人类建立起了空地一体的天气数据采集网，动态更新的预测预报网，畅通无阻的情报通信网。这三张大网让人类不光能从地面获知大气层的变化动态，更能从遥远的太空俯瞰广大的地表区域，实现对灾害性天气事件的预防和日常天气的预报，。降水、雷暴、台风、花粉、虫害、山火，如今的气象预报技术，早已超越了一时一地的天气预测，转而向高精度、多功能、长跨度方向发展。今天小编就以台风的预测为例，跟大家聊聊现代气象预报的那点事儿。· 先来看看天气预报体系是如何运转的？天气预报的实现，简短来说就是一个数据采集，分析处理，对外发布，实时修正的动态过程。现代的天气预报硬件设施系统，主要分为地上气象观测站，地面气象雷达系统，高层大气气象观测，气象卫星以及数据解析中心等几种分工不同，各有侧重的观测网络体系。地上气象站主要负责采集各地的气压、气温、湿度、风向、风速、降水量、积雪深度、日照时间、云量以及空气质量等气象数据。与其他几种系统相比，传统气象站的科技含量似乎没有那么高，但是它提供的数据却是天气预报的基础和依据。它犹如遍布人全身的皮肤一般，可以全天候感受周身的风吹草动，虽然没有眼的锐利，脑的灵动，仍然是体系中绝对不可缺少的重要组成。地面气象雷达系统通过建立在各地的雷达设施向所在空域云层发射厘米级波长的电磁波，来观测数百公里范围内云层中的凝结核、冰晶以及雨滴或雪花的形成情况。图1. 左：地上气象站， 右：地面气象雷达站，图片来源：网络高层大气气象观测主要通过释放无线电探空仪和布置风廓线雷达实现。前者可以认为是地面气象站的高空版，可以实现收集约三十千米高空处气象数据的功能。后者可以认为是地面雨雪气象雷达的孪生兄弟，主要测量高空中的风速和风向等信息。通常，风廓线雷达是由一组雷达阵列所构成，这样一来不同角度发出的电磁波信号就可以精确的确定云层的空间位置和移动速度了。图2. 左： 风廓线雷达阵列， 右：无线电探空仪，图片来源：网络图3. 雨雪气象雷达和风廓线雷达的工作原理各种雷达系统好比人的听觉。我们仅凭声音的频率、响度以及发声习惯就能辨别声音的远近，说话人大致的年龄，甚至区分出熟人的脚步声。雷达系统的工作原理与听觉系统极为类似，不同的是雷达系统还需要先发出信号，再“听取”反射回的信号。气象卫星位于这个由低到高层次分明的观测网络的最上方，主要负责监测大范围区域内的气象变化，特别是台风一类的灾害性气象事件。如果用感官进行比喻的话，那气象卫星毫无疑问相当于人类的视觉。我们站在高岗上向下一望，方圆几十里的城镇农舍、田野河流都尽收眼底。气象卫星在太空中向下一望，云层在数天内的变化趋势，大范围的海水温度分布，森林火灾的预警和监测，农业害虫的迁徙，火山活动的监测，海水潮位的异常变化都难逃气象卫星法眼。气象卫星通常会搭载高精度的可见光成像相机以及红外线成像相机，前者用于白天条件下的观测，后者用于夜间观测。气象卫星也会搭载与地面雷达系统类似的微波发射装置，从太空向云层发射电磁波信号来探测云层中的气象信息。以超级计算机作为核心的信息处理中心堪称整个气象监控与预报网络的大脑。各级观测设施，装置中收集到的无数琐碎信息，经过超级计算机的运算，多重因素复合作用下的复杂动态过程亦可轻松模拟。小到当天某时某地的天气精准预报，大到全国范围内整个季节中降水量与往年平均值的相对大小，超级计算机统统可以自如应对。因此，世界各国的大型超算平台都与当地气象部门形成紧密合作，气象预报已经成为了超算应用的核心场景。· 了解了气象预报系统的组成和运行机制，我们来谈谈台风的预测。在台风的生成乃至孕育阶段，我们就可以通过当年气象数据与往年的对比及计算，判断该年台风发生的风险、频率、危害性等等。当台风开始形成，上升气旋刚有一点规模时，遍布全球的气象观测站以及气象雷达就能够捕捉到气候异常变化的蛛丝马迹。等到气旋基本形成，开始快速移动、开疆拓土的时候，气象卫星早已从近千公里高的太空轨道定位到它的真容，台风中心路径自然一览无余。结合各种观测渠道的数据，超算系统便能够提前预知乃至模拟台风的动向，最终实现对台风推移路径的把控。图4. 台风的一生尽收眼底，来源：日本气象厅官方网站当然，不得不指出的是，高精度的台风预报目前还存在一定提升空间。毕竟，一个横跨数千公里的狂暴能量团，包含着太多的不确定因素，例如前进路线的地形，前方水域的温度、洋流，前方空域的气象状况等等。即便是最先进的超级计算机系统，也难以在高精度下实现这么复杂的多场耦合、多因素作用条件下的模拟预测。不过，人类技术的进步是永无止境的，下面的图5是来自日本气象厅的日本国内台风预报误差统计情况，可见从1980年到2015年的35年间，24小时台风路线预报误差已经从200千米以上下降到了100千米以内。2009年开始的120小时路线预报，误差也不过是400千米，考虑到台风动辄上千公里的直径，这个误差也不算是不能接受了。图5. 来自日本气象厅的日本国内台风预报误差统计，来源：日本气象厅官网· 天气预报偶有失准？转变观念，实时关注最新天气预报才是王道！古人通过对物候规律和气象规律的长期观察，也曾积累了一定的天气预测经验。“早霞不出门，晚霞行千里”，“有雨天边亮，无雨顶上光”，这些农谚不光朗朗上口，细究还真有几分科学道理。“竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知”，妙趣横生的画面背后还包含着亘古不变的物候学规律。不过，受到科技发展水平的局限，古人的这点气象以及物候知识，远远不足以指导生产生活。在气象科技领域，人类已从数百年前的无知懵懂到进入新世纪后的小有所成。如今，气象相关技术进步的脚步仍然坚定向前，天气预报的精准度和有效预测时间还会逐渐增加。奋斗在上述各大气象系统的气象工作者们，借助科技武器，为我们的生活生产保驾护航，应该受到我们的理解和尊重。同时，在信息化数字化背景下，利用好智能手机等实时通讯工具，转变我们接收天气预报的习惯，变定时关注为实时关注同样可以提高天气预报相对我们自身的精确程度。归根到底一句话，少一些粗心和抱怨，多关注实时天气预报。作者| 张昊 大阪大学产业科学研究所助理教授文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”