今日天氣預報

早由古代開始，人們已經採用各種各樣的方式預測天氣變化，從而確保耕種豐收，採割順利。不過，由於未能以科學方式理解大氣系統的互動，古人往往只能明白四季氣候的概況，預測亦較為模糊。

今時今日，我們已習慣了由各地天文台所發佈的天氣訊息，並以這些資訊提早計劃日程。然而，從天氣預報的科學方法，到各地天文台的設立，歷史也不過百年。閱讀天氣的科學，到底經過了怎樣的進程？而且，為何天氣預報總是不太準確？我們不妨沿着歷史細訴，觀察氣象科學的發展。這不僅是一套科學實踐方法的歷史，更是人類如何探索、描述周遭環境的歷史，由此生成一套獨特的天氣圖像。

另一邊廂，天氣逐年變熱，未來也似乎會繼續升溫，全球暖化的問題可謂刻不容緩。從每日天氣到長期氣候，我們可以如何理解氣候變化，各國政府面對怎樣的困境，又將以什麼方法解決當前問題？

現代天氣預報源起

在現代的氣象預測出現之前，早有各種預計天氣的方法。在公元前四世紀，古希臘哲人亞里士多德撰寫《天象論》（Meteorology），首次總括當時對氣象的觀察及理解，並提供相應的解釋，包括形容了水循環的過程。當中，Meterology一字由metéōros及logia兩詞組成，意指對高空之物的研究。

不過，直到二十世紀初期，現代的天氣預報才真正開始萌芽，並以挪威卑爾根大學的一群學者為首。在這群學者之中，威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）是當中的重要人物，他與父親一同於卑爾根大學開設地球物理研究所，聚集起一班有志研究氣象的學者，甚至與美國合作，逐步建立天氣預報的整個基建系統。正是透過成立機構、創造概念、招收學生、採用嶄新科技，氣象學的成果才逐漸拓至全球。

「氣象學的目標，在於描繪一切與大氣相關的事物，不論地點，全天候服務。」一九六〇時，第一顆氣象衛星TIROS-1發射至太空後，兩位氣象學家如此宣稱，表現了氣象學的雄心壯志。透過氣象學研究，科學家希望能夠掌握大氣層的微小變動，撰寫相應的數學模型，從而成就短期及長期的天氣預報。問題倒是，為何天氣預報需要採用人造衛星？又或者更確切地說，為何氣象預測必須通過人造衛星監測及電腦運算？

年少時，皮耶克尼斯跟隨父親到巴黎參加科學展覽，展示一套流體力學模型，作品大受歡迎。正是這套模型，讓皮耶克尼斯開始研究真實的液體流動，亦即大氣及海洋兩個範疇。後來，皮耶克尼斯師從龐加萊（Henri Poincaré）和赫茲（Heinrich Hertz）。法國數學界本來相信拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）的想法，認為只要能夠擷取某一時刻，宇宙裡所有粒子的資訊，就能夠準確預測出未來的一切發展。龐加萊則透過三體問題的研究，將這種決定論基調打破。皮耶克尼斯則在氣象學模型中，揉合了兩者的想法：只要對於某一時刻的大氣資訊有足夠的理解，並對大氣狀態的法則有足夠的理解，就能夠對天氣進行預測。於此，「足夠」這一個詞語，正好展現了龐加萊的影響，以至皮耶克尼斯自己進行天氣預測時所發現的不穩定性，不過這一套說法依然一直主導天氣預報的發展，直至一九六〇年代。

在研究初期，皮耶克尼斯就把焦點放於漩渦之上，接合了海洋學及大氣科學，並由此引導出環流理論，將海洋視為一個質量不一致的水體，能夠影響大氣的溫度及濕度，從而借冷風熱風的對流，解釋海陸風、熱帶氣旋等天氣現象。為了進行天氣預報，皮耶克尼斯積極推動設立於各地氣象監察站，並依靠監察站的數據，以嶄新的方式展示風向轉變，將同等強度的風以線條串連，令風勢的流動和形狀顯現，與此前只逐一顯示風勢方向及強度的做法不同，從描述的取向改作預測。這種表現方式，正是後來我們熟悉的氣象圖的雛型。皮耶克尼斯將整個氣象模型的互動關係化簡，提出了七道非線性的原始方程式，透過七項變數（氣壓、溫度、密度、水量及風、東、北，及高度），就能預測大氣變化。正是由於非線性的特質，必須待電腦研發以後，才能借助其運算能力，強行解拆算式，計算出天氣預報的結果。

皮耶克尼斯後來成了卑爾根學派的代表人物，因其國際影響力，主導了許多氣象學的發展。卑爾根學派後來更提出了鋒（weather front）的概念，理解冷熱氣團的互動，也成為現代天氣預測的一大支柱。當然，一個學派的興起，往往就代表另一派備受忽視。卑爾根學派強調的，是地面氣象觀察及分析（surface weather observation and analysis），以地面氣象站為基礎。另一邊廂，同時代的維也納學派則認為，地面的天氣變化實是由平流層中的冷熱空氣平流所引起，而卑爾根學派只着重於二維平面，指責他們未能解釋平流層的壓力變化。隨着觀察工具越發準確，卑爾根學派也把自己的觀察領域逐步提升，統合了兩個學派的成果，令現代天氣預報逐漸鞏固成形。

蝴蝶拍翼

為何天氣預報總會失準？卑爾根學派的科學方法，強調只要對氣象資訊有「足夠」的理解，就能進行準確的預測。然而，及後的科學發展，卻清楚地將這種看法打破，令由拉普拉斯以來的機械論宇宙觀不再生效，無法以決定論預測未來。

一九六〇年代，氣象學家羅倫茲（Edward Lorenz）以一台電腦，鍵入十二道方程式，以數學模型模擬空氣中的大氣流動，並以圖像方式呈現。相對於每次運算均展示所有變數的數值，羅倫茲要求電腦只列印其中一項變數，並以空格及a字表示數值位置。隨着運算時間過去，電腦就會印出一行行的空白跟a字，而a字位置的變化正好表示了某種隨時間發展的大氣趨勢，可以用作天氣預測之途：例如，羅倫茲發現，當a字從高至低下降，一路並未反彈，之後就會連續升跌兩次，有某種重複的樣式。

羅倫茲在數值天氣預報上有了重大的貢獻，不過他由此引伸而出的工作，卻開創出一門影響力巨大的學科：混沌理論（Chaos theory）。羅倫茲採用上述的電腦模型進行天氣模擬時，往往會先鍵入各個變數的初始數值，並由此生成後來的天氣圖像。只要採用相同的初始數值進行模型，多次模擬下來，生成的圖像也會是一樣的。不過，羅倫茲某日偶然決定，直接採用程式運行中段的數據開始執行，並輸入了上一次模擬結果的打印數據，結果竟然與一直以來得出的模擬效果截然不同。本來，這次模擬的結果與上一次的走勢依然略為相似，然而隨後就逐漸變異，走線逐漸岔開，數個月後連樣式也不再相同。經檢查發現，實驗結果的不同，不是因為機器失靈，原來當日的數據打印為0.506，準確至小數點後三位，而正確的數字則為0.506127，準確至小數點後六位。因此，僅僅是千分之一、極其微小的差異，往後的天氣走勢就會全面改變。

由此，羅倫茲就發現了長期的天氣預報並不可能。那些微小變動就能造成最終狀態的巨大差別，羅倫茲將之理解成「對初始條件的敏感性」（sensitive dependence on initial conditions），或者更為人熟悉的名字，則是蝴蝶效應（Butterfly effect）。按照混沌理論的理解，在非線性的系統中，微小的侵擾在足夠長的時間後就會使系統完全偏離本來的狀態。

在這種情況下，無論全球天氣監測站所量度的數據有多準確，描述大氣變化的方程式有多繁複，負責進行天氣預報的超級電腦運算能力有多出眾，我們依然無法從當前的數據，預測數天後的天氣發展。每一個微小的差異，都會回饋在整個大氣系統之中，長遠來說，一切的系統都會走入混沌，難以預估。至此，即使是皮耶克尼斯相對寬鬆的天氣預測觀，也宣告無法生效了。在七天以外的預測，就是人們極目也不可見的混沌。

模擬地球

天氣我們尚可理解，畢竟那就是即時而可親身感知的資訊。一般的天氣報告，也往往聚焦於近期的天氣概況，而不會提及較為長期的氣候變化。面對極端天氣所引發的災難，諸如颱風、旱災等等，我們尚且有親身的體驗，然而氣候變化卻難以感知，遑論提出例子。正因為時間規模的問題，我們總是較著重於天氣變化，而忽視了動輒以月以年變動的氣候。然而，我們也可以知道，許多科學家經已嚴正地提出全球暖化的問題，並表明我們必須馬上着手解決，否則地球將陷入無可逆轉的危機之中。假如天氣預報尚且難以準確，氣象預測到底又如何實現？

由於計算的是地球整體的長期變動，氣象預測的數學模型可說要比天氣預測更為複雜，除了大氣狀況，更要兼顧海洋、陸地表面、海上浮冰及生物等的互動，並以數學模型表述，等同於創立一個地球的雙生。不過，也因為以長遠預測為目標，氣候模擬並不需要過分準確，同時也不受蝴蠂效應所影響。相較於初始條件，氣候模型更為着重於外力作用（external forcings），比如地球與太陽的距離、地表的樹木數量、大氣層內的二氧化碳含量等，這些外力作用能夠改變天氣的形態及性質，從而更動氣候。

在一九六〇年代，司麥格令斯基（Joseph Smagorinsky）及真鍋淑郎（Manabe Syukuro）於華盛頓天氣局開始建造地球模型的工作。一九六五年時，二人解決了基本的方程式，發展出一個三維的模型，不過這時候他們所造的地球沒有陸地又或海洋，一切都取其平均數，混成一個沼澤，只會與大氣層交換濕氣，卻不會吸收熱力。隨着電腦運算能力上升，有意建構氣候模型的群組於全球冒起，建設出多種相近的模型。為何會有多套氣候模型呢？那是因為，組成模型的方程式共有兩種，一種是描述物理的方程式，另一種則是用作參數化（parameterization）的方程式。後者以觀察為基礎，用以簡化一些繁複得無法採用電腦運算的算式，從而估算結果。不同的氣候模型，就會採用不同的參數化算式。正因如此，氣候預測往往會採納二十多個模型的結果，將之平均化，從而獲得結論。

正是透過這些模型，我們才明白碳排放對於整體氣候的深遠影響。在氣候模型中，有兩種測試二氧化碳對氣候影響的方法，一種為瞬態實驗（transient），另一種為均衡實驗（equilibrium）。前者會逐步增加二氧化碳含量，並模擬整個氣候如何變化，後者則會一下子增加二氧化碳，並觀察氣候需要多久才能達致一個新的平衡點。一九八〇年代末，科學家採用瞬態模型時發現，假如模型裡包含海洋，全球暖化的實際效應就會推遲數十年才會出現。那是因為，海洋會吸引多餘的熱力，並在及後才逐步影響氣候。必須強調的是，這不是代表全球暖化不會出現，而是我們當前對地球氣溫的觀察，時間上其實是滯後的，也因此今日碳排放的效應可能在數十年後才會彰顯。

按照真鍋淑郎的模型，假如全球二氧化碳含量提升一倍，整個地球的溫度將會上升約攝氏3.3度。不過，整個模型並未計算人類的影響，包括燃燒化石燃料及森林砍伐的影響。對照過去的資料，我們就可以知道，現今地球升溫的趨勢，並未能以地球自然週期為由解釋，因此一切皆是由人力所引起。從農耕時代到工業革命，乃至今日的全球化世代，人為因素如何影響全球？

（原刊《Sample 樣本》第十三期〈今日天氣預報〉）