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Vamei Z:讨论龙卷风预报问题,已触及现代科学极限
关键字: 长江长江客轮倾覆湖北监利龙卷风龙卷风预报天气雷达但对于户外的交通工具来说,短暂的警报时间可能起不了什么作用。户外的汽车很难在短时间内找到一个合格的避难所。很多户外逃生经验对龙卷风也不适用。曾经有这样的案例,车主把车停在水泥桥洞下,自以为安全。但桥洞实际上充当了一个风洞。龙卷风原本超过每小时100公里的风速在这个风洞中进一步加速,把汽车甩出去更远。走出汽车一样不安全,因为龙卷风不但能把人卷走,它所夹杂的高速碎屑能像子弹一样致命。即使航船能下锚固定船身,但这在龙卷风的强风面前微不足道。在龙卷风来袭时,任何交通工具都很危险。
龙卷风过后的汽车。
那有没有办法提前预知龙卷风到来,阻止人们外出交通呢?除了对大型的天气系统进行预判,我们现在可以用电脑程序来计算未来的天气。这样的程序被称为天气模型。天气模型的原理很简单,就是利用已知的物理规律,来在电脑中模拟气象状况。这些程序至少需要知道当前天气状况,特别是基本的物理量:风速、气压、温度、湿度。我们已经知道,对于龙卷风这样的小鱼来说,这些输入量是很难观测的。
此外还有计算成本的问题。模型实际上把世界分割成许多小格点。格点必须足够小,模型才有能力代表真实世界。这就好像许多电脑图片,你不断放大,总能看到许多小点和锯齿,它们同样是数字格点化的产物。电脑需要计算和储存格点上的信息。格点越小,计算机负担越重。但如果格点过大,那么模型就像是那些“粗糙”的图片,完全无法代表真实世界。对于龙卷风来说,它的尺寸很小,就好像是照片拍到的一个远方小身影。为了看清这个人的脸,我们必须要很高的分辨率,也就是非常密集的格点。为了能模拟几百米宽的龙卷风,模型格点距离可能要在百米甚至更小的量级。即使最强大的超级计算机,也负担不起这样精度的全球模型。
格点化的模型。
即使我们能遍地撒网的建立观测网络,电脑的运算能力都不是问题,龙卷风的预警时间也很难达到一个小时以上。天气是一个复杂的非线性系统,有所谓的“蝴蝶效应”:南美洲一只蝴蝶的振翅,能引发北美的一次龙卷风。更加严格的说法是,初始条件的细微不同,能造成未来结果的巨大差别。就拿龙卷风来说,它经常与中尺度的雷暴伴生。美国气象局看到大面积雷暴时,就会发出“龙卷风预警” (Tornado Watch)。但两次看起来几乎一模一样的雷暴,一个造成龙卷风,另一个就可能没有龙卷风的踪影。因此收到预警的地区,真正发生龙卷风的概率不到千分之一。现实世界尚且如此复杂,电脑模型就更容易犯错了。预报龙卷风时,模型可能会因为小数点十位以后的一个细微差别,导致完全不同的结果。
作家刘慈欣所塑造的“三体”世界,同样是一个难以预报的非线性系统。
横轴为时间,纵轴为温度。初始时的一点小差别,随着时间变大。
如果把物理方程拆开,会发现对于天气系统来说,地球自转是最重要的线性项,能限制误差的增长。但地球自转对天气的影响与天气系统的尺度相关。那些成功的天气预报,都局限于特定的大尺度天气系统。这些可预报的天气系统尺度大,持续时间长,比如延伸数千公里的锋面,或者持续数星期的中纬度风暴。在这些相对持久天气系统中,地球的自转能发挥作用,把这些天气现象组织成有规律的天气系统。但龙卷风尺度小,发生时间短,其“蝴蝶效应”也愈发明显,长期预报难以实现。
中纬度大尺度系统,才有比较强的可预报性。
其实在讨论龙卷风预报问题时,已经触及现代科学的极限。复杂系统的预报,无论是龙卷风、地震、金融,都将是难以解决的问题。对天气事故的问责,不应无视基本的科学事实。
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本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:李楚悦
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