为什么科学家不能准确地预测天气?

作者:威廉·哈里斯

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是的,我们知道,当你在为准确的天气预报处理所有变量时,很难在脸上保持阳光的微笑。
乔治·道尔/盖蒂图片社

虽然大多数科学家都因理解我们复杂的宇宙而受到尊敬(爱因斯坦实际上是一个英雄),但气象学家经常遭到嘲笑。我们怎么能把人送上月球,或者提前几年预测行星排列,却仍然无法做出准确的天气预报?

首先,在该表扬的地方表扬表扬:天气预报员在过去20年里有了显著的进步。他们今天发布的三天预测比20年前发布的一天预测要好。它们还能更好地提供恶劣天气的提前预警,将预警时间缩短了一倍龙卷风警告并给予人们额外40分钟的躲避时间洪水

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现代气象学家如果没有数值预测该网站使用数学方程式来预测天气。这样的预测需要强大的计算机和从陆地、海洋和空中收集的大量观测数据。一个气象站永远不可能收集这么多信息。相反,全球数千个监测站相互连接,并将它们的数据汇集在一起。其中一些气象站——地面风表(气象学家称之为风速计)、雨水收集器和温度传感器——与业余气象观测者使用的类似。另一些则被绑在浮标上,躺在遥远的海上。还有一些人乘坐商业客机或轮船,在乘客和货物从A地运往b地时收集天气数据。最后,气象卫星和气球提供来自大气层上层的信息。卫星在太空轨道上拍摄地球的天气,而气球则监测特定位置的高空数据。

总的来说,所有这些传感器和仪表每天产生超过100万次与天气有关的观测数据。一台普通的电脑——你在当地电子商店买的那种——会因为所有这些数据而窒息。幸运的是,气象学家可以依靠超级计算机,这种速度极快的机器每秒可以执行数百万次计算。在美国,这些计算机被安置在位于马里兰州坎普斯普林斯的国家环境预测中心(NCEP)。在那里,天气观测数据流入超级计算机的大脑,它使用复杂的数学模型,根据传入的数据预测天气状况如何随时间变化。计算机的输出构成了全美广播和电视频道几乎所有预报的基础。

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部分乌云密布,有可能出现混乱

尽管我们尽了最大努力来预测天气,但像这样的场景——田纳西州纳什维尔市中心附近。2010年5月7日,坎伯兰河水位上涨到70多年来的最高水平——这仍然是我们未来的一部分。"width=
尽管我们尽了最大努力来预测天气,但像这样的场景——田纳西州纳什维尔市中心附近。2010年5月7日,坎伯兰河水位上涨到70多年来的最高水平——这仍然是我们未来的一部分。
杰夫根特纳/盖蒂图片社

你可能会认为国家环境预测中心的超级计算机永远不会出错,但即使是它们的能力也无法应对人类面临的巨大挑战天气预测。这是因为他们必须考虑到几个大规模的现象,每个现象都由多个变量和因素决定。例如,他们必须考虑如何太阳会加热地球的表面上,气压差将如何形成风,水的变化阶段(从冰到水或水到蒸汽)将如何影响能量的流动。他们甚至不得不尝试计算地球在太空中旋转的影响,这使得地球表面在大气之下移动。在这些复杂的计算中,任何一个变量的微小变化都能深刻地影响未来的天气。

在20世纪60年代,麻省理工学院的气象学家爱德华·洛伦兹对这个问题提出了一个恰当的描述。他称之为蝴蝶效应他指的是一只蝴蝶在亚洲扇动翅膀可以极大地改变纽约市的天气。今天,洛伦兹被称为混沌理论这是一套描述高度复杂系统(如天气系统)的科学原理,在这些系统中,初始条件的微小变化会彻底改变最终结果。由于混乱,天气预报的准确性是有限的。洛伦兹将这个限制设定为两周。

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现代气象学家使用最先进的技术和技巧来控制混乱,例如集合预报该报告由几项预测组成,每一项预测的出发点都略有不同。如果集合中的每个预测看起来都一样,那么天气可能会“表现良好”。如果任何预测看起来完全不同,那么天气更有可能“表现不佳”。

气象学家还依靠多普勒雷达来更有效地监测天气状况并改进预报。多普勒雷达需要发射机向天空发射无线电波。这些波撞击大气中的物体并反弹回来。远离发射机返回的波与云向发射机移动返回的波不同。雷达中的一台计算机将有关反射无线电波的数据转换为显示云量、降水波段以及风速和方向的图片。

由于这项技术,气象学家现在可以比以往更好地预测天气,特别是当他们限制对未来的预测时。例如,在12小时内,气象学家对一般情况和趋势提供相当可靠的预测。不幸的是,由于混乱,他们永远无法绝对确定地预测天气,这就是突如其来的风暴——龙卷风和洪水般的暴雨——在几乎没有预警的情况下继续摧毁社区的原因。出于这个原因,最好还是带把伞,即使天气晴朗。

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  • 染料,李。“我们能控制天气吗?”也许吧。”ABC新闻。2005年8月3日(2010年6月29日)http://abcnews.go.com/Technology/DyeHard/story?id=1001079&page=1
  • 不妥,Richard。“预测并非易事。”《科学美国人》介绍天气:我们能做什么,不能做什么。2000年春季。
  • 罗森菲尔德,杰弗里。《怒吼的蝴蝶》《科学美国人》介绍天气:我们能做什么,不能做什么。2000年春季。
  • 威廉姆斯,杰克。天气预报。《复古图书》,1997年出版。

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