科普：天氣預報是咋出爐的？

一個龍捲風，突然形成，快速移動，所過之處房屋被破壞，樹木連根拔起，有時甚至會造成人員傷亡，但是持續時間常常只有幾個小時左右，影響範圍也非常有限。

龍捲風（來源：維基百科）

一個颱風，逐漸形成、增強，移動速度一般不超過小汽車的行駛速度，有時候連跑步的速度比不上（煙花：你再罵？），但是中心的風力卻可以達到高鐵的速度。它可以延展上千公里，影響的區域可以超過幾個省的面積，並且持續時間很長，有的海上臺風可以持續一個月之久（麗塔：正是在下）。

1994年颶風/颱風“約翰”，從8月11日持續至9月10日

史上最長壽的颶風/颱風

（來源：維基百科）

特大暴雨突降鄭州市區，我們很難做到時間和空間上預報的精準，災難降臨時仍會令人措手不及；而對於颱風“煙花”，早在臺風仍在大洋深處發展的時候，我們便可以比較準確地預測它的動向，提前做好防範。

這是爲什麼呢？

我們經常連第二天到底會不會下雨都難以預測，有時候就像愛情一樣晴空萬里突然暴風雨，爲什麼又可以預測氣候的變化呢？

這一切，都涉及到天氣預報的尺度問題！

對於大氣中的一個系統，我們可以根據它的空間範圍和持續時間來確定這個系統屬於什麼尺度。按照大小排列，可以分爲行星尺度、大尺度、中尺度、小尺度和微尺度幾種，越大的系統，持續時間越長，影響範圍越廣，可預報性越強；反過來，越小的系統，在越小的時間空間範圍，越難預報。另外，天氣系統和氣候系統也是有所區別的。天氣系統往往限於中小尺度，而氣候則是指大尺度乃至行星尺度的情況，並且是至少長達一個月的平均狀況。

簡單地介紹一下尺度包含的幾個方面：

Part.1

空間尺度

這裏分爲水平尺度和豎直尺度。我們所熟知的各種天氣現象基本上都發生在對流層，而大氣對流層相對於整個地球表面上萬公里的尺度而言，豎直方向的延展僅有十公里上下，相去甚遠，因此水平方向的運動和豎直方向的運動通常有很大差異。

Part.2

時間尺度

越大的系統，時間尺度一般也越大。行星尺度的系統時間尺度可以達到幾個月甚至幾年，而氣候變化的週期更是可以延伸到數萬年。小尺度的系統時間尺度則僅有十幾個小時，而對於微尺度的積雲而言，其從誕生到消散的全過程也就只有短短几個小時；塵捲風這種極小的系統更是隻有十幾分鐘的持續時間。這些系統時空尺度之間的數量級差距是顯而易見的。

更廣義的尺度展示：從微粒到整個地球

有趣的是，隨着系統尺度的減小，豎直方向的典型運動速度反而會增加：大尺度豎直運動通常只有0.1米每秒，而小尺度豎直運動的速度可達10米每秒；水平方向的運動速度則變化量級不大，各種尺度的系統水平運動速度從0到100米每秒都有可能，但主要是集中在10米每秒的數量級，也就是一般的風速。各種尺度的系統水平運動速度是由水平方向的尺度除以時間尺度而得出，以10的某次方來表示數量級的大小。例如，人的走路速度數量級是10的零次方（1-2米每秒），而飛機的巡航速度數量級是10的二次方（200-300米每秒）。如果第一位不是1，按照四捨五入的規則來確定數量級，比如，5米每秒相當於10米每秒的數量級，4米每秒相當於1米每秒的數量級。

教科書上的量綱表示

學過物理的同學們可能會覺得有些熟悉——這不正是量綱分析嗎！沒錯，大氣科學的尺度問題正是需要通過量綱分析來處理各種運動方程。準確地說，大氣動力學作爲流體力學的一個分支，廣泛應用了一些流體力學方面的概念和方法。而天氣預報的兩個核心正是大氣動力學和數值統計方法。

下面我們列舉一些從行星尺度到微尺度的例子。相鄰尺度之間沒有絕對分界線，根據不同研究的習慣，存在一些交叉的部分。

（來源： physics world）

行星尺度

行星波（羅斯貝波），水平方向可以影響全球（~10000公里），豎直方向可以影響到平流層（~30公里），持續時間幾天到幾個月皆有；造成厄爾尼諾現象的沃克環流，橫跨整個太平洋（~10000公里），垂直速度0.01m/s，週期2~3年。

大尺度  

大型颱風，水平方向~1000公里，豎直方向延伸到對流層頂（~15公里），垂直速度0.1~1m/s，持續時間1天到31天皆有；冷高壓，水平方向~1000公里，豎直方向較淺，大約3~5公里（冷高壓的上面並非高壓而是低壓），垂直速度小於0.1m/s，活動時間幾天到十幾天不等。

2018年9月21日，正在逼近芝加哥市的一道颮線（來源： NWS）

中尺度  

颮（biao）線，水平方向約100公里，豎直方向約10公里，垂直速度可達1m/s，是包含多個強對流雲團組成的線狀天氣系統。一般颱風，水平方向延展100~500公里，豎直方向大約10公里，垂直速度0.1~1m/s。

小尺度  

積雨雲團、雷暴雲團、龍捲風等，水平方向僅幾公里到幾十公里，豎直方向可延伸至對流層頂，垂直速度超過1m/s，極端情形下可以超過5m/s。

塵捲風（來源：維基百科）

近年來發生了多起突發塵捲風致人傷亡事件，值得關注

微尺度  

塵捲風，普通積雲，團霧，下擊暴流等。水平、垂直尺度比小尺度系統更小，僅有幾百米甚至幾米，持續時間非常短，幾小時甚至幾分鐘都有。有時也會併入小尺度系統進行討論。

系統的尺度，決定了預報的尺度。一個市的範圍算是中尺度，那麼預報也就僅限於中尺度以上，不可能精細到涵蓋所有小尺度天氣。而全國範圍算是大尺度，預報就更不用那麼精細了。而對於一個機場，這算是一個小尺度的範圍，因此機場的氣象站會給出實時的小尺度周邊天氣預報，這種預報纔是最精細的。同樣的，系統的時間尺度也同樣決定了預報的時間尺度，對於短時間如幾小時內的預報，氣象臺就會給出比較具體的小尺度天氣預報；而12小時到48小時的預報就主要是中尺度的範圍，更長的天氣預報則主要與大尺度系統聯繫，最長的氣候預報則需要關注行星尺度系統的動態。

（來源： EOS.org）

我們之所以說尺度越大的系統越容易預報，是因爲這些系統的時間尺度比較長，運動更適合簡化處理，同時由於影響範圍太廣，預報精度要求也大大降低，只需要給出大概的影響範圍；而中小尺度的天氣系統非常多變，持續時間又比較短，往往來不及做出精細預報便突然出現，同時對這些系統預報所必需的數據精度要求也更高，才能確保每個市下面的每個區都有準確的天氣預報，而我們氣象站點的密度又不足以支持如此高精度的預報，因此說中小尺度的天氣非常難預報。比如今年五月初發生在武漢和蘇州的龍捲風事件，以及甘肅白銀越野跑活動遭遇的短時間強對流天氣，這些災害性天氣的尺度太小，目前技術手段難以覆蓋所有死角並做出及時的預報，對龍捲風發生地的天氣預報也難以做到精確到一個村的範圍。

（來源：CGTN）

做一下簡單的比喻，大尺度天氣預報猶如帶着全副武裝捕捉一頭水牛，水牛移動慢而且目標明確；而小尺度天氣預報猶如在房間裏捉老鼠，老鼠可能有十幾只而我們只有三四個捕鼠夾，並且老鼠的藏身之處也難以捉摸，這樣一來就難免會有傢俱被啃、大米被偷喫的損失。

（來源： DW）

現實中，在夏季或者熱帶地區，對流活動比較旺盛，更容易出現中小尺度的天氣系統如雷雨雲、冰雹雲等，因此在這些情況下天氣預報的準確度會有所降低。在中緯度地區和秋冬季節，由於對流活動不活躍，天氣通常是與運動更有規律的大尺度系統密切相關，諸如冷空氣、暖溼氣流等大尺度非對流系統影響下的天氣預報通常會更加準確。如何提高強對流天氣、極端天氣的預報準確度，至今仍然是大氣科學家們重點研究的難題。

參考文獻：

1。葉篤正，李崇銀，王必魁，1988，動力氣象學，科學出版社。

2.James R。 Holton， 2004。 An Introduction to Dynamic Meteorology [Fourth edition]。 Academic Press。

3。標題圖來自中央氣象臺。其他圖片來自網絡，有標註。

來源：石頭科普工作室