從混沌效應到預測未來

丁一匯

地球的大氣環(huán)流系統(tǒng)龐大而復雜，充滿了多種不同時間和空間尺度的變化，形成了人類感知并預測不同天氣與氣候現象，而這些變化也伴隨著諸多不確定性。這就是現在時常被提起的“混沌效應”?！盎煦缧逼鹪从?903年前后法國數學家邦加萊的發(fā)現，但它的實際應用則得益于氣象學的研究。

隨著現代氣象科技的發(fā)展，人類逐漸摸索到大氣演變與變化的奧秘，并有一定能力處理大氣的混沌問題。其中，一個關鍵的問題是改進初始觀測場。航天技術的發(fā)展使人造衛(wèi)星服務于氣象，通過運行在極地軌道和地球同步軌道上的氣象衛(wèi)星，人類可以不問斷地跟蹤地球大氣的風云變幻，對天氣現象進行連續(xù)記錄和觀測，并配合全球地面和大氣的觀測數據準確地獲知全球氣象、水文和環(huán)境數據。同時，通過大數據應用和多樣本、多模式集合方法，可制作更可靠的氣象與水文預報，使我們可以更為精確地得到降雨與水資源的分布規(guī)律和未來變化，繼而規(guī)劃種種水利工程。從簡單的攔河筑壩到“南水北調”那樣全國性的跨流域調水項目，“治水”因有氣象學的助力而更加有效和可靠。到2022年以后，中國即將建成的地球系統(tǒng)數值模擬器，將可以如“CT”掃描一般更精準地“照出”地球各圈層運作和變化的情形。

另一方面，氣象學知識的普及正引起人們對天氣與氣候演變的巨大關注。比如，大家關注“南澇北旱”的季風雨帶分布，可能讓許多人聯想到中國全境正在走向干旱化。然而，氣象學家根據長期的資料與證據，研究發(fā)現中國的降水分布實際上有著周期性的變化規(guī)律，同時還有趨勢性的演變。前者一般被認為是自然因子的影響，后者則與全球氣候變暖造成的全球水循環(huán)變化有關。例如，每隔大約40年，長江和華南地區(qū)便會迎來一個雨水豐沛的時期。在呈現周期性降水變化的同時，也可以觀測到副熱帶地區(qū)降水呈現下降趨勢，而中高緯地區(qū)降水呈增加趨勢，這是因為全球氣候變暖，使全球降水帶發(fā)生“干者愈干，濕者愈濕”變化的結果。對于中國這樣一個農業(yè)大國來說，對未來旱澇情況的認識與預測，肯定會為農業(yè)生產提供珍貴的指引。

在第60個“世界氣象日”到來之際，我們用這一冊《知識就是力量》雜志，聚焦于“氣候和水”的主題，帶你領略為了應對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，人類怎樣在新的全球變化的視角下，去審視地球上不斷變化的天氣、氣候以及循環(huán)不息的水。