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〉)

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