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2010年4月3日 星期六

風雲難測

天氣預測非一般簡單
今年以來,天災發生得特別的頻密,一雨成災、
颱風過境、海嘯、地震等等之后,損失的不止是財產,人命傷亡才是人類心中的最痛。飽受天災蹂躪,災民紛紛抱怨:為何無法作出準確的氣象預報,減少財務、性命上的損失?
“天有不測風雲”,即使是再先進的觀測工具、越來越繁複精密的電腦運算,都敵不過大自然。
“人定勝天”這句話,沒有辦法用在變幻莫測的氣象預測上!

颱風帶來豪雨水災,造成財物、人命上的龐大損失,也代表了現有的人類科技,仍無法準確預測颱風。
是澳洲沙塵暴掀開了序幕,接下來,各種天災陸續上場,菲律賓、越南、南太平洋薩摩亞群島、印尼巴東、柬埔寨、寮國、印度、意大利不約而同的都遭受天災的折磨。天災說來就來,老百姓叫苦連天,不管是黃沙滾滾、狂風大作、暴雨連綿、地動山搖,只能眼睜睜的看著家園被毀壞、家人丟命,面對發怒的大自然,人類真的是很渺小、很渺小。
為何日益精密的現代科技,仍無法事先測出天災的發生呢?
質疑氣象局預報
今年8月,莫拉克颱風出乎意料的重創南台灣,由于大火災來得又快又急,民間措手不及,損失慘重,台灣中央氣象局成為眾矢之的,連馬英九都撂下重話,質疑氣象局為何無法在發佈颱風警報時,就做出比較精確的預報。
由于中央氣象局開始時強調嘉義以北會出現超豪大雨,南台灣的雨量不大,但結局卻是南轅北轍,南台灣的單日降雨量創下新紀錄、總累積雨量也是30年以來的最多,3天就下完了一整年的雨量,造成災情慘重,面對如此大的誤差,叫人傻了眼!
面對民間的悲憤,乃至總統的放重話,中央氣象局表示颱風本來就難以預測,他們已經盡了力。
科技輔助仍有限制
“天有不測之風雲”這句話說中了天氣預測的難度,人類現有的科技仍是無法和變化莫測的大自然角力。
天氣預報不準,常見的理由包括了計算精度、科學理論不足,還有觀測誤差在內,這也意味著,我們還是無法掌握大自然的內在規律變化。
一談到天氣預報,我們的腦海中就會出現古人觀天象判斷晴雨的畫面,甚至不少人以為天氣預報是觀測天象而來的,大家都錯了。
現代的氣象預測工具包括了探測站、氣球、衛星、雷達等,收集了大氣資料之后再用電腦分析、運算這些龐大的觀測數據,一名氣象研究員在預報之前,都要看上百多張的天氣圖,才能夠作出天氣預測,絕不是觀天象、捏指一算如此的簡單。

預知天氣好處不盡


這是台灣中央氣象局在莫拉克颱風登陸前的24小時圖測,圖中的圓圈是預測風眼的範圍,非颱風圈,距離颱風登陸的時間越久,颱風眼越難定位。
馬來西亞是塊福地,既沒有颱風,也沒有地震,只是年杪季候風時,東海岸水災,年年如是,東海岸居民也已經習慣,及早作好預防。由于一年到頭都是炎熱,天氣預報對我們來說,只是雨天和晴天的差別,但在一些常年遭受天災,或者是一年四季分明的國家,天氣預測,或稱之為氣象預測,卻十分重要,人民的衣食住行都要看天氣做人。
人民出門之前要看天氣才能決定穿多厚的大衣,或是需不需帶傘、雨衣;中國、印度、孟加拉的農夫不論是耕種、收成都要看老天爺的臉色,不然一個水災、干旱,把他們的心血毀于一旦!
由此可知,天氣預報的重要性可見一斑,只不過氣象變化莫測,難以預測。
以台灣莫拉克颱風為例子,為何台灣氣象局測不到,但美國CNN卻預測得如此準確?難道是觀測的科技不如人,還是另有隱情?

颱風路徑不易預測


目前,各國的氣象預測多採用“數值天氣預報”,即把全球大氣分成許許多多的小格子,再把每個小格子收集到的大氣資料輸入電腦,由電腦運算出未來的天氣走勢。
預測颱風的路徑,本來就不容易,而台灣獨特的地理,更是難上加難。要測颱風,得先從台灣的地理位置談起。
台灣位于西太平洋地區,是全世界最常發生颱風的地帶,在最近30年,每年都有27個颱風,其中3至5個颱風會轉向吹襲台灣。
颱風頻密,加上台灣位置又正好夾在北方大陸冷高壓和南方太平洋高壓的交界處,不但天氣系統十分複雜,同時颱風的路徑、強度都難以預測,增加了颱風預報的困難度。
預報颱風,最重要的要找出颱風中心,術語是為颱風定位,先找出颱風眼所在,才能測出它可能的方向、路徑。
在氣象圖中,颱風眼不是好像我們常在電視上看到一個白色的大環流,而是大環流當中還有許多小環流,形態也不對稱,研究員先要鑑定到底哪一個才是颱風眼?
由于各國氣象局的看法不同,它們定位的颱風眼也不同,即使是風眼非常清楚,但定位不同,各國氣象局得到的觀測數據也有異,所以颱風路徑的預測結果也不相同,相差數百里不出奇。
除此之外,颱風路徑又受到大環境的導引氣流和颱風的交互作用的影響,所以各國氣象局的做法是把事先收集到的大氣資料輸入電腦,之后才計算出可能登陸的路徑。
惟,把龐大的資料輸入電腦需要數個小時的運算,所以第一輪觀測路徑計算出來之后,又會有第二批觀測資料進來,而這批資料又要送入電腦運算,以修正之前計算出來的颱風路徑,如是者,一再的修改,所以越接近颱風登陸,反而預報越準,就是這個道理。

依靠超級電腦分析


台灣一年到頭都有颱風,圖中紅色圓圈是氣象局定位的颱風眼,不同的颱風,有不同的難度,就如2001年潭美颱風,定位所得的颱風眼幾乎接近雲層的邊緣。
目前全球的天氣預報主要是根據“數值天氣模式”預測的結果,再加以詮譯。
這種模式主要把全球的大氣空間劃分成很多個小格子,越靠近地表的格子越細,才能採集到更精確的大氣數據,而這些小格子也是按照不同的超級電腦細分出來,從20格至90格都有。
格子越細,代表收集的大氣數據越多,解析度也越高,也更加能夠掌握天氣的變化,但也表示電腦需要運算的數據更多。
劃分格子之后,再利用各種觀測儀器取得大氣資料,分析和計算出每一格中的各種大氣數據,接著把這些數據輸入超級電腦,電腦根據已設定好的大氣方程式進行極為複雜的運算,才能算出未來可能的天氣變化,一點都不簡單。
“天有不測風雲”,說明了大自然的內在律動變化莫測,即使人類使用最現進的科技,也無法100%準確的作出天氣預測。
要測出颱風路徑,一點都不簡單,先要找出颱風眼所在,再收集週邊的大氣數據,加上地面、空中的大氣數據,交由電腦運算,才計算出颱風可能的方向。

氣象衛星增準確度

至于以雷達和衛星收集大氣數據的做法就不同了。
雷達會發出電磁波,接收天空中的水滴(雲)的反射回波,以此計算出水滴的大小和位置,並推算出水滴的移動情形,才能夠計算降雨量。
比較準確的方式是除了辨別水滴的大小之外,還要看出水滴的形狀,藉此判斷雨量的多少。
氣 象衛星是這幾年來發展最為蓬勃的觀測工具,一些衛星是藉由測量雲層放出的紅外光來測量雲層的厚度,它們也可以像雷達般發射電磁波,以測量大氣中的水氣濃 度;部分衛星還具備穿透力強的高頻率電磁波,這種電滋波可以測量低雲層中的水滴、冰晶,同時觀測海面的高度,藉以推算出海面風場的方向與強度,提高了準確 度。
無論如何,不管是傳統,還是非傳統,所有的工具都只是觀測“大氣的現況”,所有收集回來的數據都必須輸入電腦運算之后才能作天氣預測。

兩傳統法採集數據


在發怒的大自然面前,人類的力量是多么的渺小。
各國的氣象局到底如何採集大氣觀測數據?傳統方法有兩種,一種是設立地面測站,另一種是探空氣球,直接以儀器測量。
人工地面測站和自動地面測站主要是測量地面的大氣資料;高空觀測則是在氣球上升過程中,以全球定位系統(GPS)測定氣球位置,並同時測量高空中的各種大氣數據,再以回線電傳面地面接收站。
當颱風靠近時,一些國家也會派出性能高超的飛機穿越風眼,測量和收集沿途各種數據,但這種做法有一定的危險性。
也有國家派出飛機,但不是穿越颱風眼,而是在颱風四周圍空投“全球衛星定位投落送”(GPS Dropsonde),這個儀器在降落到海面之前,會一路測量各種大氣數據,並以無線電波回傳。


科技極限預測或偏差

天氣本身是變化無常的。實際上,人類對氣象的變化,已掌握了一定程度,但卻苦于無法取得更大突破,因為每一次的氣流現象或氣象狀況都是獨一無二,沒有絕對相同。
所以,每一次不同天氣狀況都只能供參考、汲取經驗,即使是全世界最好的科學家,也只能依據從過去至今的大氣狀況來“預報”天氣,這是人類科技上的極限。

溫室效應,被認為是造成極端氣候的間接原因。全球江、河、湖、海的水分蒸發,影響了氣候,令人更難以掌握它的變化。
何天氣的預測無法100%準確?在技術上,天氣預報不準可以歸咎于超級電腦的運算受到限制、輸入的觀測數據有誤差、空間取樣不完全、積雲效應、太陽輻射強弱等等,既有人為因素,也有不可逆轉的大自然因素。
人為因素包括了現有的科技還只能探測大氣的部分特征,無法探測出大範圍的狀況,所以監測數據出現誤差是不足為奇的。
無法精準預測
而各國在探測地球表面,或者是高空的大氣狀況,都以探測大氣層為準,90%的大氣總質量集中在離地表的15公里高度內,99.9%在50公里高度以內,超出2000公里高度以上,大氣極其稀薄。
在探測過程中,會不會遺漏一些小的天氣系統的觀察,還是疑問。
還有一點,要知道,空氣是流體的一種,本來就難以預測,濕度、氣壓、方向、壓力等,都會造成不同變化。
目前人類可以理解,以及大致推測大部分的流體力學現象,不過還是無法精準預測,特別是紊流(即亂流,造成颱風的主因)。
難收集完整資料
以颱風來說,即使判斷的颱風眼定位只有1%的不同,但在自然尺度中,就是數百公里的誤差,整個颱風的路徑就此完全走樣。
這種“差之毫厘,失之千里”錯誤,向來都被各國氣象局視為難題。
連帶的,預測降雨量也是全世界氣象局最感棘手的事,現有的精確度少過50%。
即使是氣象觀測站,也很難收集完整的資料,因為一些特別的區域,如高山、海洋和高空,是不可能密集設立觀測站,既然資料不完整,運算再精密的電腦也無法作出精準的預測。

人為因素致天災頻繁


天災頻仍,但人類的科技有限,我們只有把它歸咎于大自然在反撲。
最后,不可以忘記的是人類活動、城市化發展、地球大氣狀態都會影響氣候的變化,而溫室效應造成的全球氣候變暖,導致大氣的水循環,如江、河、湖、海的蒸發、冰山融化等等,都對氣候帶來很大的影響,也增加了預測的難度。到底颱風、龍捲風、地震、海嘯……與溫室效應有多大的關係?雖然沒有確鑿的科學證明,但越來越多專家相信有很大的關聯。
地球在迅速暖化
巴西利亞大學氣候變遷博士、地質學家羅德里格斯(Saulo Rodrigues)指出,地球暖化的問題,必須從不同時間點來評估。
如果是從地球過去數十億年的歷史來看,地球正在逐漸冷卻;但若從近幾十年的情況來分析,地球在迅速暖化,與前者的自然趨勢相反。
地球氣候在19世紀后葉脫離小冰河期,溫度逐漸上升,但間中也出現起伏。
據科學家統計,全球平均地面溫度自19世紀末以來上升了攝氏0.30至60度,最近40年來則上升了攝氏0.20至0.30度。
不過他們也說,地球平均溫度上升,不一定代表地球上每一地區溫度皆上升,有些地區溫度明顯上升,有些不明顯,當中又以區域性氣候的變化最明顯,種種變化,只會讓氣候變得更難以捉摸。
以巴西為例,雖然科學家不可以咬定最近襲擊巴西南部地區的龍捲風和暴風雨現象是地球暖化的后果,但卻不能否認越來越多極端的氣候事件,越來越常在同一時間發生。
颱風導致哀鴻遍野
據2007年聯合國政府間氣候變遷小組(IPCC)第四次評估報告就指出,氣候變遷對某些自然系統已造成不可挽回的損害。
相信這也是導致極端氣象事件頻頻發生的原因。
剛過去的9月,突如其來的颱風,造成菲律賓、越南、柬埔寨、寮國蒙受重大損失,哀鴻遍野。
巴西去年底在南部聖卡塔里納州(Santa Catarina)和今年初在北部及東北部地區發生的水患,數以千萬計的災民生計受打擊,而其南部也飽受龍捲風的侵襲,數十座城鎮毀于一旦。
而這些在同一時間內發生的天災,讓人覺得天災頻仍,並把這種極端的氣象事件歸咎于大自然反撲。

雨量難預測有原因


科學家研究出,颱風帶來的低氣壓會引發隱地震,而隱地震不但破壞力低,且能夠釋放地底能量,有助減少大地震的發生。
颱風路徑的預測到底準不準,也會影響雨量的預測,兩者是互相關連的。若果說,颱風的路徑難以預測,那么,降雨量的多少更是無從預測,降雨量是氣象預測中最難的一環。
為何降雨量如此的難以預測?當然是因為雲層過于飄渺不定、複雜且難以觀測。
到底雨是如何形成的?這得從肉眼觀察不到的細微之處開始解釋。
雨是水氣凝結的水滴,必須先有直徑0.2微米以上的微粒作為“凝結核”,水氣附在上面后,經過不斷碰撞及合併,聚集成直徑20微米的“雲滴”,若是繼續發展成為直徑2000微米的雨滴,就會落下,這就是下雨。
從雲至雨的過程可以很快,只需要數十分鐘至數小時,但其中的變化卻是十分激烈的,僅是從凝結核到雨滴的體積變化就是1兆倍,但變化過于細微,人類觀測不到過程,只看到結果。
以人類現有的科技水平,預測會不會下雨是綽綽有余,但預測降雨量有多大、大雨會下多久等,則超乎了現有的科學能力。
無論如何,通過雷達觀測,各國氣象局能夠在豪雨來臨之前,根據雲層的變化,作出豪雨和降雨量的預測,但有關的預測是在豪雨前的1小時才能作準!

颱風或助緩解地震


水災,往往伴隨著颱風而來,但颱風的路徑不易預測,同時降雨量多少也被各國氣象局視為棘手的難題。
相對于大氣中的颱風,人類對地底下的地震,了解的更加有限。目前科學家只肯定了有斷層,必定有地震,但對于地震時斷層如何斷裂、地球板塊如何擠壓碰撞等的地底活動,仍是個謎。
有關地震的預報,是全球性課題,如今人類還是無法做到精確預測地震的震級、時間和地震,預報地震的準確性只有20%幾率罷了。
許多時候,我們會發現颱風、地震常常會一起出現,但無法找出兩者有何關係,但,如今科學家發現,或許颱風與地震有某種聯繫。
研究顯示,颱風帶來的低氣壓,可以引起“慢地震”,即是斷層破裂得比較慢,或是發生時間比較長,破壞力不大的地震。
一般來說,普通地震是在數十秒內釋放出儲存的所有能量,但慢地震則是用上數十分鐘、數小時,數天甚至整個星期來釋放能量,所以它也被稱為“靜地震”。
測試出慢地震的重大意義在于:讓地殼底下的能量得以慢慢釋放出來,平衡了地底能量的累積和釋放管道,降低了發生大地震的疑慮。
台灣中央研究院地球科學研究所的研究顯示,不是每一輪的颱風都會引發慢地震,也不是說最大的颱風就能夠引發慢地震,但低氣壓會造成海底的逆斷層,加上斷層上累積的應力到了臨界點的話,就會發生慢地震。
此項研究有助人類揭開更多有關板塊移動、板塊邊界的各種奧秘,對未來掌握的地震訊息有很大的幫助!
颱風眼定位、降雨量的多寡向來都令各國氣象局感到頭痛,人為因素,如要加強電腦運算能力、觀測數據、掌握大氣狀況等都是理由,還有就是日益擴散的溫室效應也不可忽視。
科學家懷疑,極端氣候事件頻密,如颱風、豪雨、海嘯等等的發生,是因為溫室效應造成了區域性的氣候變化所致。

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