2017年12月27日

天氣預報的延伸—短期氣候展望

李明營/臺南縣人,文化大學大氣科學系學士,臺大大氣科學所碩、博士。目前任職於中央氣象局,負責氣候相關業務。


圖一:理查遜的數值天氣預報之計算大廳。(美國國家海洋暨大氣總署)

氣象預報原理
說起氣象預報,就得談到氣象預報的始祖,理查遜(Lewis Fry Richardson)。理查遜是個多才多藝的英國學者,他不僅專長於數學、物理、氣象學、心理學,同時也是個和平主義者。理查遜在1922 年完成的《數值天氣預報》(Weather Prediction by Numerical Process),是現代氣象預報的最基礎原理。理查遜利用一套富含物理原理的數學方程式來解析大氣的運動,並認為只要充足的計算資源,未來的氣象變化將是可能「預測」的。因此,他構想一個計算球形大廳,這個大廳類似於地球(圖一),將全球地圖繪製在大廳內,天花板代表北極,中層對應赤道,最底層象徵南極,每個座位皆有其代表的世界座標,座位上的計算員將最近的觀測資料代入方程式中,求出未來的氣象變化;在大廳的中央,是負責資料傳遞及協調的指揮官,類似樂團指揮的角色。理查遜對於氣象預報的想法非常具有前瞻性,但在他提出時的當下是無法實現的夢想;因為,他認為要有64000 人才能完成這個構想中的任務,那是非常龐大的人力資源!理查遜的氣象預報夢想,要到1950 年才得已實現,由當時一個稱為電子數值積分計算機(Electronic Numerical Integrator And Computer, ENIAC)替代龐大人力計算,花了接近24 小時做出24小時的氣象預報。得知這個消息的理查遜,當然非常欣慰他的理論能有被實現的一天。

氣象預報的分類
若以預報時間來區分氣象預報,大致可分為三類:天氣預報、短期氣候展望和氣候情境推估(圖二)。其中,天氣預報是報章媒體最常見的氣象預報,如明天會不會下雨、接下來幾天氣溫會變冷或變熱,主要是一週或10 天內的天氣變化預測。氣候情境推估是超長期的預測,如2013年公布的「政府間氣候變遷專門委員會氣候變遷第五次評估報告(Intergovernmental Panel on Climate Change Fih Assessment Report, IPCC AR5)」中闡明,在各種溫室氣體排放的假設情境下,21 世紀末全球平均氣溫可能上升攝氏1.0~3.7 度,上下限為攝氏0.3~4.8 度。天氣預報、氣候情境推估不是本小節要談論的重點,而是要跟讀者簡要介紹「短期氣候展望」。惟受限於作者的知識及篇幅,本文只能帶您大致了解短期氣候展望的基本概念。

短期氣候展望
在介紹短期氣候展望之前,先說明氣候和天氣的差別。「天氣」是指定點和定時的大氣狀態,譬如臺北現在是晴天還是下雨,氣溫是攝氏幾度。「氣候」是用來代表天氣在一段長時間的平均狀態,目前中央氣象局最常用是世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)規範的1981~2010 年平均(每十年更新一次,2021 年時會更新為1991~2020 年平均)。譬如當您聽到氣象局說:「2017 年秋季是有紀錄以來最暖的一年,全臺秋季均溫達攝氏26.27 度,比氣候平均攝氏24.88 度高出1.39 度。」氣象局所提到的氣候平均攝氏24.88 度,就是1981~2010 年這30 年的平均值。

凡是預報大致就有一個特性,要預報的時間距現在愈久,預報準確性愈低。就目前的氣象預報技術而言,大約只能告訴您未來2 週之內的天氣變化,2 週後已超過目前天氣預報的極限。如圖二所示,2 週至1 年之間的預報,屬於短期氣候展望的範圍。但是,短期氣候展望無法得知2 週後某一天的氣溫是攝氏幾度、會不會下雨,取而代之的,短期氣候展望是「機率預報」。
圖二:無鏠隙預報概念圖。(世界氣象組織)

氣象局目前的短期氣候展望有2 種形式,分別是每週五發布的「月長期天氣展望」,及每月月底發布的「季長期天氣展望」。其中,月長期天氣展望是預報臺灣北(臺北)、中(臺中)、南(高雄)、東(花蓮)四分區,在未來第1 週、第2 週、第1~4 週的氣溫、雨量預報。季長期天氣展望相似,只是把預報時間延伸為未來第1個月、第2個月與第3個月。以2017 年11月30日發佈的季長期天氣展望為例說明,氣象局預測12月北部月平均氣溫偏低、接近正常、偏高的機率分別為10%、60%、30%(圖三A,粉紅底),在這裡的正常範圍是攝氏17.3~18.8 度(圖三B,粉紅底)。意思是說,預測12 月臺北月平均氣溫低於攝氏17.3 的機率只有10%,高於攝氏18.8 度的機率次之,為30%,介於正常範圍17.3~18.8度的機率達60%,機率最大,即12月氣溫正常略偏暖。

圖三:2017 年11 月中央氣象局季長期天氣展望(節錄)。
(中央氣象局)
氣象局目前使用的正常值範圍是根據機率分佈而來,假設溫度符合常態分佈,其機率分佈將會如圖四A,氣象局採用接近中位數的附近40% 的資料為正常值範圍,大於正常值上限(T2)為偏高;反之,小於正常值下限(T1)為偏低。但真實資料中,溫度雖接近常態分佈,但有些微差異(圖四B),這是因為氣象局使用1981~2010 年的統計資料僅有30 筆。目前短期氣候展望主要依賴幾個技術指引有:統計氣候模式、動力氣候模式、降尺度技術等......【更多內容請閱讀科學月刊第577期】

圖四:圖A 為短期氣候展望的氣候三分類示意圖;圖B
為臺北氣象站1981~2010 年的12 月溫度之機率分佈圖,
縱軸為次數,橫軸為氣溫(攝氏度)。(中央氣象局)



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