數趣-10》老天變臉？ 方程組求解(轉載)

【聯合報╱本報記者郭錦萍】 2007/08/15

上圖為衛星氣象圖：我國從日本同步衛星截取的 氣象資料共有12個頻道，以光波的不同波長做區分，即可提供不同目的的觀察。圖中三張圖都是在同一時間拍攝，雷達回波（顏色愈紅表示水氣愈濃），紅外線觀 測（其中右下角那個濃色塊是太陽照在海上的反射)，用可見光拍攝（其中羽狀的雲系，是很高層、溫度在零下幾十度的雲）。 上周中央氣象局在兩天內發布帕布、梧提兩個颱風海上陸上警報，這幾天西太平洋又有一個颱風形成，中間的空檔，西南氣流讓大雨在中南部下不停，劇烈天氣如何預知，氣象局說歷史不可靠，預報都靠超級電腦算的。 「三國志」諸葛孔明觀天象、掐指算，就知道某天晚上會起風、浮雲掩月，於是派船載草人前進敵營，敵方果然因視線不良，箭亂射一通，讓孔明一下子籌到了十萬枝箭。不過這一套，面對現代天氣可就行不通了。 即時推算 數值更可靠 中央氣象局氣象科技研究中心主任鄭明典指出，以前的天氣預測可能還要靠百年統計、各種現象出現機率來推估，但現代的天氣預測，幾乎都不用這些了，而是更可靠、幾乎是即時資料推算出來的「數值天氣預報」系統。 他解釋，天氣源自大氣層的變化，這些變化都有一定的物理定律可循。數值天氣預報的基本原理，就是用一組數學偏微分方程式來描述大氣變化的物理法則。 複雜方程式 網格來解套 不過，這些數學方程式實在太複雜了，並不容易得到正確的答案，所以氣象學界就必須再透過建立在立體網格上的數值模式，利用超級電腦算出這組方程式的近似值。如果設定的方程模式夠精確，即可準確描述大氣未來的量或場（如溫度、風向、風速及溫度等）會如何改變。 用來分析天氣的基本控制方程，簡化來說，分為運動方程式（風場）、熱力方程式、水氣（物質）方程式及連續方程式（質量守恆）。但這幾組方程式，實際上是要 透過幾百萬甚至更多的計算才能求出解，但為了確保答案正確，氣象局人員會在常數做微調，若結果變動不大表示預測值準確性高。 最強的電腦 就在氣象局 鄭明典說，數值預報最重要的是氣象觀測初始值及高速運算能力，所以全世界最快、計算能力最強的電腦，前15名都是各國氣象單位的電腦，台灣也不例外，最強的電腦是在氣象局不是國家資訊中心。 至於氣象觀測初始值更會是直接影響預報的準確度，傳統的探空觀測仍是最準確的資料，但因費用太高、發展有限，並非所有國家都願支持，這從近幾年世界氣象組織少有新增測站資訊發布就可略窺一二，所以現在大多靠衛星、雷達、頗風儀等做觀測。 全世界同步 同時間測量 更重要的是，氣象是一個連續的現象，要準備預測，必須鄰近國家一起作業，把各國觀測資料都調整在同一時間測量，而且做成一樣探測距離，如平面橫直各每10或20公里，往上同距分30層，即可形一個立體四維網格。 例如，中央氣象局會截取日本同步氣象衛星五號雲量數據，及台灣四個主要雷達回波所得出的雨量資料，經物理初始化過程被納入模式內。過程中，降雨區域上空，位於抬升凝結高度與雲頂之間的濕度也會調整，降水過程的加熱率也會被調整，以符合實況觀測的雨量。 所以被輸入計算的資料就包括了熱輻射交換、水分相變、積雲對流所帶動的能量重新分佈、湍流所引發的動量、能量和水氣輸送、大氣與地面層的各種能量交換等等。這些物理過程非常複雜，目前仍然未能完全掌握，因此各類模式必須以不同的參數化系統處理。