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烟花和预报

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2021/07/25 Share

Disclaimer: 读了本文不仅不能呼风唤雨,而且对防风防灾可能没有什么实际的帮助,只能更好地理解预报。

在磨磨蹭蹭一天一夜之后,烟花终于在今天上午二次登陆了。从新闻中一次次的更新来看,每次预报轨迹的时间和空间范围都显示出了相当大的不确定性,是这次台风的预报尤其令人头大,还是在近期河南暴雨之后,为了更加充分地防灾,报得更加保守了?

风云本不可测

不说台风,每一个普通日子的天气预报都存在着不确定性。这往往以“说好下雨的怎么一滴都没下”的形式存在于日常生活中。这是不是当班预报员的判断失误,或是气象台的水平不够?

计算带来的误差

在现代的天气预报中,判断的基础是在大型计算机中通过气象模型来模拟大气随时间的发展所计算出的数据。(当然,基础的基础是物理公式和观测。)再完善的电脑模型,也不是真正的地球;再精确的观测,也必然存在误差。所以,计算的结果必然不能完全正确反应真实的天气;而与真实情况的偏差会随预测时间的加长而增大。

更要命的是,由于在数学和物理推导中遇到的种种复杂情况,天气系统是混沌的(chaotic)。一句话来解释:即使初始的情况只做了极为微小的变化,发展一段时间之后的结果可能会出现巨大的不同,而且难以预测。它在气象学中一个具体的耳熟能详的理论就是蝴蝶效应

这就不好办了。上面提到的误差加上蝴蝶效应,我们怎么才能知道模型计算的结果能有多靠谱?

解决办法—多算几次

反过来一想,混沌的特性反而能帮我们估计出预报的可靠程度。

说长时间的结果会非常不稳定,其实暗示了在较短时间内的预测还是有规律可循的,关键就是要知道我能够保持确信的范围在哪里。那么,我们从同一时间点开始,平行着做很多组模拟,而每组选用的初始数据稍作改动(因为观测数据本身就有随机误差,那我们理所当然可以在这个误差范围内选取不同的观测数据)。各组模拟会在发展一段时间后开始各奔东西,而短期内各组模拟互相重合的部分,就是我们能对预报持有比较大自信的部分。这也就是说,不存在完全准确的预报,而只能得到可能性最高的预测

比如这张图(俗称spaghetti plot)画的是烟花第一次登陆前,美国模型计算的21组台风轨迹。可以看出,所有的轨迹中,只有短时间内(跨过杭州湾)这一段比较集中。这也就表示,在那之后的路径,在开始计算的当时,非常难预测,不确定性非常大。

有了这种结果,我们就可以相当直观的估计出预报的确定性,也可以从中定量地算出各个置信区间的范围。于是,预报员使用这些结果,就能结合经验、判断和历史数据,绘制出新闻中看到的那些预报图

通过这些原始数据也能够看到,不管预警范围是不是保守,烟花给预报员带来的难度之大,的确是即使凭借目前全人类的气象科学水平配上任何切实际的电脑运算能力,都难以克服的

烟花的慢

不管怎么说,预计昨天半夜就能跨过杭州湾的烟花,竟然闲庭信步踱了十几个小时,接下来的预报也判断它会停留较久。它的缓慢和预报的难度之间究竟还有什么联系?

其实可以非常直观地理解。任何一个系统在短时间内都会趋于保持之前的运动(基本上像是牛顿第一定律吧)。如果速度快,那么在时间的不确定性累积起来之前,它就能前进相当大的距离,也就是说反映在轨迹地图上能够确信的距离更长了。有点像闭着眼睛骑自行车:骑得快的话,至少短时间内大致肯定是向前的;特别慢的话,摇摇晃晃,自己都不知道晃到哪儿了。慢,让不确定性更大

至于在实际的地球上,实际的这个台风烟花为什么走得慢,那就完全是另一个话题了。天气是大气中的空气和水和日光照射等等的共同结果,这里只稍微说个比较重要的影响。

对影响华东的台风路径作用最大的力量,往往是副热带高压,在台风的东北部。它周围顺时针方向的反气旋为台风提供主要的引导气流。由于高空气流(也正是造成最近在华北到东北的降雨的气流)和台风本身等种种因素的影响,华东的副热带高压被逼退到了北海道附近。这么远的距离也让烟花附近的引导气流微弱(图中看到登陆前后,台风周围流线非常稀疏),成为导致它移动缓慢的一大原因。


登陆之后,虽然风力减弱较快,但降水还会持续很久。暂时的平静天气也不要掉以轻心,因为台风的结构就是这么一层一层的洋葱

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Author:2LalA猪

Permalink:https://butteraddict.fun/2021/07/Infa-and-Typhoons/

Published on:25th July 2021, 10:35 am

Updated on:6th August 2021, 2:25 am

License:CC BY 4.0

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