【青談科研】改進預測模型 應對氣候變化挑戰
天氣預測是我們日常生活中非常重要的一環，若能夠掌握未來的天氣變化，將有助社會發展農業、交通、航空等領域；不過，預測天氣並不容易，甚至是一項複雜而艱鉅的科學任務。今次就和大家討論一下科學家如何通過觀測氣象儀器和電腦運算作天氣預測，探討為什麼目前仍然不能完全準確地預測天氣，以及科技如何幫助人類理解和預測氣候變化，從而幫助政府制定切實可行的應對和紓緩策略，緩減氣候危機。
如何預測天氣？
「天氣」由溫度、濕度、雨量、風速、風力和氣壓等基本氣象要素組成，我們可以通過氣象儀器及人造衛星，收集數據和監測天氣的變化，例如在地面不同的儀器，每小時、每分鐘測量天氣狀況、以海洋儀器測量海面的溫度，以及人造衛星觀測地球表面各種變量（variable）及大氣層的水氣和雲分布等。
天氣預測就是一個「計數」的過程，在結合觀察數據之下，將過去和現在的天氣變量套入代表大氣物理的多項數學方程式進行運算，也就是外界所謂的「天氣數值模型」，通過運算來預測天氣變量的發展。
隨着科技進步和經驗累積，人們現在可以利用「超級電腦」處理大量的天氣數據和執行不同的天氣模型，從各種模型中收集模擬結果並綜合內容，取得平均值後，繼而估算不同地區未來的天氣狀況，這使得預測更加準確，並且能夠應用在更多範圍，包括各種地形環境。
為什麼「天有不測風雲」？
雖然今時今日的天氣預測尚算準確，但「天有不測風雲」仍然存在，科學家至今仍然無法百分之百地預測天氣，這是由於天氣是具有「混沌性（Chaos）」的複雜系統，令預測時的初始條件中的微小誤差可以隨時間增長，並演變為完全不同的結果（如右圖）。於是，預測的準確性就會產生巨大的偏差。這也使時間範圍成為一個重要的因素，短期天氣預測（幾小時到幾天）通常比長期天氣預測（幾周到幾個月）更準確，因為在短期內，初始條件的不確定性影響較小；基本而言，兩周以上的天氣預測幾乎不可能準確。
另外，天氣亦會受到許多內外部因素影響，如地形、海洋表面溫度、太陽輻射、大氣污染和人類活動等，令我們無法完全測量和掌握所有天氣系統中的參數和變量；數據的不完整亦是令天氣預測特別困難的因素。
如何預測「全球暖化」
同學們可能會有一個疑問：我們不能準確地預測天氣，但為什麼可以肯定未來會有「全球暖化」（Global Warming）的出現呢？要解答這個問題，我們先要釐清「天氣」和「氣候」的分別。
「天氣」是指一個地區瞬時或較短時間（幾小時到數周）內的大氣綜合狀態；而「氣候」則是指一個地區在一段較長時期裏（至少30年）氣象條件的平均狀況及其變異性。簡單來說，「氣候」可以解作「平均的天氣」及其變化幅度。正如我們不能夠準確說出明年7月1日的氣溫，但卻可以肯定地說那天的平均氣溫會介乎28攝氏度至30攝氏度之間，並會比1月1日高，因這些都可以從多年來的氣象數據當中綜合概述出來。
氣候的長期變化主要是受到外部因素所影響，包括太陽光強度及反射率的變化、溫室氣體在大氣的濃度、火山爆發等，這些因素可以是自然（如太陽活動、火山）也可以是人為（如工業活動、能源使用和土地利用所導致大量溫室氣體的排放），而它們均可通過長期的觀測和數據收集而作出準確定量和定性，並按未來情境的不同假設而作出相應的預測。
氣候警鐘敲響
隨着氣候科學的演進以及累積愈來愈多的觀測資料和證據，我們不能再忽視人為因素對氣候的影響。科學家通過超級電腦模擬現實情況，在加入或撇除各種自然因素的影響後，將過去的數據進行對比，發現過去數十年的溫室氣體濃度上升是氣候變化的「元兇」，而濃度上升主要由人類燃燒化石燃料、農業及砍伐林木的排放物所致。這些氣體在大氣中產生溫室效應，阻擋部分來自太陽的熱輻射散失到太空中，使更多能量在地球系統裏面積存，導致地球的平均溫度上升，那麼，極端天氣只會愈來愈頻繁出現和變得嚴峻。
儘管要作出完全準確的天氣預測仍然是一個具有挑戰性的目標，但對於氣候變化，我們仍可以通過科學方法和大量數據來獲得相對可靠的預測，這些預測對於制定氣候變化應對策略和緩減其影響至關重要，所以研究大氣與氣候的科學家們仍然致力改進這些天氣及氣候預測模型，以更好地掌握極端天氣，應對未來氣候變化的挑戰。
◆ 授課人：戴沛權 香港青年科學院創院院士、香港中文大學地球與環境科學課程副教授
◆ 圖、文：香港青年科學院
