地球科學

氣象預報為什麼會不準?

天有不測風雲,儘管人類試圖發展更好的觀測工具或電腦模式, 氣象預報仍然經常失準,尤其台灣每年夏秋 都會遭遇颱風,更可能因此使生命財產的損失加倍。 氣象單位難道沒有辦法預報得更準確一些嗎?

撰文/李名揚
2009-10

地球科學

氣象預報為什麼會不準?

天有不測風雲,儘管人類試圖發展更好的觀測工具或電腦模式, 氣象預報仍然經常失準,尤其台灣每年夏秋 都會遭遇颱風,更可能因此使生命財產的損失加倍。 氣象單位難道沒有辦法預報得更準確一些嗎?

撰文/李名揚
2009-10

重點提要

■氣象預報是先利用工具觀測大氣的各種資料,輸入電腦進行複雜運算,再由專業人員根據電腦運算的結果進行修正。
■台灣的颱風路徑預報能力已是世界第一,降雨預測能力也與先進國家並駕齊驅,但誤差還是很大。
■氣象預報會根據最新的觀測資料不斷修正,所以一定是越新的預報越準確。

莫拉克颱風重創台灣,中央氣象局成為眾矢之的,有人責怪氣象局一開始預報的降雨區域不對,也有人拿著雨量數據「指證歷歷」地砲轟氣象局「雨量明明是兩千毫米,氣象局卻只報了幾百毫米」。氣象局的預報確實不夠準確,但是預報不準的原因在於影響天氣的因素太多、太複雜,儘管人類不斷從軟體與硬體改進電腦模式計算的結果,仍無法達到很好的準確度。「人定勝天」這回事在氣象預報上似乎仍有很大努力空間。

現在的天氣預報主要是根據「數值天氣模式」預測的結果來加以詮釋。要進行數值天氣預測,首先需將地表上方的大氣空間劃分成很多個小格子(見右頁下圖),並利用各種觀測工具,取得大氣三維空間的分佈資料,再分析並計算出每一格中的各種大氣數據,接著將這些數據輸入超級電腦,由電腦根據已經設定好的大氣方程式進行極為複雜的運算,算出未來可能的天氣變化。

實務上為了減少計算負荷,氣象單位會依距離遠近,對地球上的不同位置採用不同的分格方式。以台灣而言,距離台灣越近的大氣狀況對台灣天氣的影響越大,因此氣象局劃分的格子就越小,以便進行較詳細的計算。做法是先在全球模式以55公里見方為一格計算一次,然後在區域模式赤道到庫頁島、印度到關島的範圍內,以45公里見方為一格再算一次,再縮小範圍以南海到日本為對角線的矩形,以15公里見方為一格再算一次,最後台澎金馬地區縮小到以5公里見方為一格算最後一次,得出最高解析度的計算結果。

在立體空間垂直方向的分格也是採用類似的概念。由於90%的空氣集中在離地表100公里以內,而影響地面天氣的因素幾乎全部發生在高度僅10幾公里的對流層,因此越接近地表處,分格也就越細。不同電腦模式依其精度需求而有不同的分格數,從20格到90格都有,氣象局目前是分成30格。

預報得從觀測做起

分格之後,就要靠觀測資料分析推導出每一格的氣壓、溫度、濕度、水平風場、垂直風場等各種大氣資料,然後輸入電腦進行計算。中央氣象局颱風及劇烈天氣課課長陳怡良指出,在台灣的氣象預報中,觀測是最受限制的部份,因為台灣的東方是廣大的太平洋,無法設置觀測站,缺乏觀測數據,偏偏影響台灣最嚴重的天氣災害──颱風,卻大多數來自東方海面。

觀測大氣的方法可分為傳統和非傳統方法。傳統方法包括地面測站及探空氣球,是直接以儀器測量各種大氣資料;非傳統方法則有雷達及衛星,得到的資料必須經過複雜的換算才能使用。

地面測站主要是測量地面的大氣資料,台灣有20多個人工地面氣象測站,另外還有自動地面測站,總計100多個,預計數年內要增加到200個。自動測站雖然方便,但有些大氣參數尚無法以儀器有效量測,還是要依靠專業人員進行觀測,例如雲在天空中的覆蓋量及雲狀,與天氣變化關係密切,就只能以人力觀測;另外又如多方位、遠距離的能見度,也只能由有經驗者根據目測來推斷。

高空觀測則是以釋出探空氣球的方式進行,在氣球上升的過程中,以GPS定位衛星測定氣球位置,同時測量高空的各種大氣數據並以無線電傳回地面接收站。

當颱風接近時,也可以派出飛機穿越颱風,測量沿途各種大氣數據,不過這種方式很危險,需要性能較佳的飛機。台灣現在主要以飛機在颱風周圍空投「全球衛星定位式投落送」(GPS Dropsonde),它在降落到海面之前,會一路測量各種大氣數據,並以無線電波將信號傳回。

上述方式都是直接以儀器測量各種大氣數據,雷達和衛星就不一樣了。雷達會發出電磁波,並接收天空中水滴(雲)反射的回波,據以計算水滴的大小及位置。台灣目前有七座氣象雷達站,其中氣象局有四座、民航局一座、空軍兩座,每座雷達均可測量約400公里範圍內的水滴情形。

但雷達有其使用上的局限。首先,雷達回波的強弱代表的是水滴大小,而非水滴數量,因此無法知道雲的濃密度;其次,雷達掃描的範圍容易受地形阻礙,在掃描範圍以外的地方就得不到資訊;雷達回波信號的辨別力有限,無法分辨是大水滴或是雲層中特殊的「融化層」現象,只能靠經驗判斷;此外,若測得較強的雷達訊號,有可能只是雲層靠近雷達站的一側水滴較大,造成另一側的資訊失準。

台灣的氣象雷達目前已全部升級為都卜勒雷達,除可看出水滴大小外,還可推算水滴的移動情形:當雲層在天空中移動而與雷達站之間的距離產生變化時,雲層反射的雷達波就會因都卜勒效應而改變波長,可據此計算雲層的位移。氣象局希望未來能將現有雷達再進一步更新為「雙偏極化雷達」,這種雷達除了辨別水滴大小外,還可看出水滴形狀,可大幅提高降雨情形的研判能力。

氣象衛星是近年來蓬勃發展的觀測工具,有些氣象衛星藉由測量雲層放出的紅外光來測量雲頂高度,因為高度不同的雲,溫度不同,放出的紅外光頻率也不同。另外有些則可測量雲層反射陽光的強度來計算雲層厚度,越厚的雲層反射的陽光越多。有些衛星也會像雷達一樣主動發射電磁波,再接收回波,可以測量大氣中的水氣濃度,若使用的是穿透力強的高頻電磁波,甚至可以測量低層雲中的水滴、冰晶。還有一種是直接觀測海面的波浪高度,據以推算海面風場的方向與強度。


無可避免的誤差


影響天氣的因子非常多,計算非常複雜,因此在1940年代電腦出現後,科學家就開始設計數值天氣預報模式的雛型,以電腦進行運算,不過當時觀測資料及電腦運算速度有限,因此在建立數值模式時用了很多假設,也省略了很多因子。隨著觀測技術與電腦雙雙進步,現在能夠取得的大氣因子大幅增加,電腦運算速度也今非昔比,使計算結果較為接近未來發生的情況,但還是經常發生預報不準的情形。


這裡有計算精度的問題、有科學理論不足的問題、也有觀測誤差的問題。首先,觀測資料不可能完全正確,不論是用傳統儀器直接測量到的大氣數據,或是雷達、衛星測量後計算得到的數據,隨著儀器的特性,都可能有誤差。


空間取樣也會有誤差。雖然對全部地球的大氣來說,5公里見方已是很小的格子,但這其實仍是很大的範圍(幾乎和板橋市差不多大),不論用單一、平均或是哪一種觀測數據來代表整個格子的情況,都必定會產生誤差。儘管每個因子的誤差可能都很小,但當電腦將它們納入而進行複雜運算時,就可能將誤差放大。


除此之外,要把各種觀測資料輸入電腦,讓電腦得以有效綜合這些觀測成為初始資料,以進行模式計算的「資料同化技術」,也還有很大的進步空間。


再來,天氣演變的科學理論及計算方法發展至今仍不完備,特別是有一些次網格尺度的物理效應難以適當表達。例如有些對流雲遠小於5公里見方的最小網格,卻會在水氣凝結成水的過程中放出很多熱量,對整個網格的大氣狀況造成影響,對此現象只能用假設的方式推估對流雲的影響大小,將其當成計算過程中的一項參數,誤差自然在所難免。


又如積雲會影響颱風路徑,因此也必須將積雲產生的效應加以參數化,放入計算式中,可是當地面與高層大氣對流很強時,積雲參數化的誤差就會變大。再者如太陽輻射的強弱,也必須換成參數,代入計算式。這些參數化的過程,都會產生難以控制的誤差。


電腦的計算速度則是最終也是最根本的問題。由於因子之間的交互作用非常複雜,預報天氣的計算式無法得出一個真正正確的結果,只能使用適當的數值運算方法,透過一遍遍反覆計算,每次做一些小調整,將誤差慢慢縮小到可以接受的地步,因此非常耗費計算資源。理論上,若能把擷取資料的格子縮到最小,就能得出誤差最小、最接近真實的結果;但實務上,這樣會使電腦運算量太大而變得不穩定,最後算出不合理的結果,反而不能採用。因此只能權衡電腦的能力,在電腦的運算速度極限下,盡可能地把空間格子縮到最小。


颱風路徑多難預測?


對於氣象預報這些無可避免的誤差,民眾平時的感受或許還不強烈,但遇到像颱風這種激烈天氣現象時,這些誤差就很容易被察覺,甚至放大檢視。


台灣所在的西北太平洋地區是全世界發生颱風頻率最高的區域,最近30年平均每年發生27個颱風,其中3~5個會侵襲台灣。偏偏台灣正好位於北方大陸冷高壓和南方太平洋高壓的交界處,又在這兩個高氣壓所產生的鋒面尾端,天氣系統非常複雜,也使得侵台的颱風不論路徑或強度都變化多端(見左頁圖),增加了颱風預報的困難度。


預報颱風的首要之務是為颱風定位。但颱風並不是如電視上所看到的一個大環流這麼簡單,而是在大環流系統中有許多小環流,形態也可能很不對稱(見下圖)。到底哪一個環流才是颱風中心,各國氣象單位的看法往往不盡相同。陳怡良說,颱風眼非常清楚的颱風,也許各國氣象單位的定位只會相差數百公尺,但例如今年7月影響台灣地區的莫拉菲颱風,氣象局和美國的定位很接近,日本和中國的定位很接近,而這兩組定位相差了近90公里。


掌握了颱風中心(不論正確與否),下一步就是預測颱風路徑。颱風路徑主要是受到更大環境的導引氣流與颱風交互作用的影響,各國的氣象單位都會先將所有收集到的大氣資料輸入電腦,計算出可能路徑。由於收集資料與電腦計算需要幾個小時,等電腦計算結果出來,已經有了一些更新的觀測資料,此時預報人員必須根據最新的觀測資料,來修正電腦模式算出的颱風路徑。


此時,氣象人員的專業能力就特別重要了。以中央氣象局而言,他們除了以自己的電腦模式做為根據,也會參考世界各國的電腦模式,以及美國、日本、中國的氣象單位所做的預報,再由氣象人員做綜合研判。例如和最新的觀測資料相比時,有某個國家數小時前的電腦模式預報得特別準,他們就會優先考慮該國的模式。根據統計發現,經氣象人員修正後的颱風路徑誤差,平均比電腦模式算出來的減少了10幾公里。


隨著科技進步,各國近年來對於颱風路徑預報的誤差都在降低,台灣進步得尤其明顯,對於西北太平洋地區的颱風路徑預報,中央氣象局已經連續五年世界第一(見左上〈台灣、美國、日本近年颱風路徑預報誤差〉)。氣象局氣象資訊中心副主任程家平認為,這和氣象局自行研發的「颱風分析與預報資訊系統」(TAFIS)有很密切的關係,因為這套系統使得預報員能更有效率地運用各種電腦模式的計算結果以及其他氣象單位所發佈的預測結果,讓人力和電腦達成最緊密的結合。


但即使是世界第一,氣象局在颱風登陸前24小時發佈的颱風預報,與颱風實際登陸位置,平均仍有約100公里的差距。在台灣,這意味著24小時前預報將在花蓮北部登陸的颱風,最後可能是從基隆登陸,或是登陸時間提前或延後了數小時。


颱風路徑經常不如預期的原因有很多,例如台灣多高山,當颱風外圍環流接觸到這些高山時會受到阻礙,進而影響颱風的行進;又若是颱風從海面吸收水氣的條件不一樣,也可能影響颱風的動能;另一種可能是觀測時,氣象雷達受限於仰角,觀測不到颱風底層的環境而導致誤差。這許多變數是現代科技還無法掌握的。


每個颱風預報的難易度也不盡相同,而且有可能相差非常多,由左上〈台灣、美國、日本近年颱風路徑預報誤差〉可以發現,近年來各國氣象單位對颱風路徑預報的誤差雖然都逐漸縮小,但有時會同步上升,這通常是因為該年出現了難以預測的颱風,各國都一樣掌握得不好,所以誤差同時提高。


例如2008年侵襲菲律賓的風神颱風,當時各國氣象單位的推測都很接近,認為它在菲律賓東方海面就會往北偏移,結果它完全不按預期,一直往北北西偏西北前進,到香港登陸(見上圖),跌破所有氣象專家眼鏡。陳怡良笑說,2008年各國颱風路徑預報誤差都偏高,風神為此「貢獻良多」,當年西北太平洋共有27個颱風,美國所做的五天颱風路徑預報,光風神一個的誤差就佔了總誤差的1/10。


以電腦模式預測颱風路徑既然會出現這麼大的誤差,那能不能使用經驗法則來判斷颱風動向?陳怡良表示,這仍然是很困難的事,因為有時看起來路徑很相似的颱風,到了台灣附近的表現卻完全不同。例如2005年侵台的泰利、龍王、海棠三個颱風,在台灣東方海面的路徑頗有幾分相似(見右圖),可是颱風中心靠近台灣陸地後,海棠打了一個轉再按照原來路徑前進,泰利轉向較南邊的位置登陸台灣,而龍王則是直線前進。這樣的不同表現,就造成降雨區域及雨量都不一樣。


但是就算颱風路徑非常相近,也可能造成完全不同的降雨情形,例如2008年侵台的卡玫基和薔蜜這兩個颱風,登陸位置都在宜蘭與花蓮交界處,但是薔蜜颱風在北部、東北部、東部和中部山區降下大雨,而卡玫基颱風的登陸地點附近雨勢不大,反倒是造成南部地區大淹水(見上方〈卡玫基與薔蜜颱風的路徑與降雨〉)。


氣象預報的終極挑戰:降雨


颱風路徑若預報不準,自然會影響雨量的預報,但即使路徑一如預期,雨量預報仍然未必準確。雨量預測仍是現今氣象預報最困難的部份,不只是颱風帶來的降雨,一般降雨也一樣不準。


降雨預報的「準確度」是採取「預兆得分」的方式評估,就是預報單位事先預測會降下雨量高於某值的區域範圍,再跟實際的降雨範圍比較(見左方〈預兆得分怎麼算?〉)。目前美國和台灣50毫米雨量的預兆得分都只有0.2~0.3。


雨量特別難預報的原因,首先是因為造成降雨的原因──雲的作用太過複雜且無法觀測。雨是水氣凝結成的水滴,必須先有直徑0.2微米以上的微粒做為「凝結核」,水氣附著在上面後,經過不斷碰撞及合併,聚集成為直徑20微米的「雲滴」,若繼續發展成為直徑2000微米的雨滴,就會落下。從凝結核到雨滴的過程經過非常多的粒子交互作用,體積增加了一兆倍,發展時間卻只需要數十分鐘到數小時,而我們無法觀測這些過程,只看得到整體表現。


其次,台灣的地理位置在高氣壓、鋒面這些中緯度天氣系統的尾端,天氣系統到此已是強弩之末,變化多端;加上台灣多高山,氣流過山時速度會減緩,造成後方氣流阻滯而舉升,形成對流,可是對流的發生又與大氣穩定度有關,難以掌握。


還有一種情況特別麻煩,就是台灣的測站雖然密集,但測站之間仍至少相距10幾公里,所以可能恰好有一朵5公里大小的雲位於測站之間,沒被觀測到,卻降下了一小時60毫米的大雨,這也是雨量不容易預測的重要原因。


目前全世界的氣象單位都僅預報降雨機率,只有中央氣象局因應政府單位的需求而在颱風來臨前預報降雨量。其實以現有的科技水準,各國氣象單位僅能事先評估會下大雨或小雨,做定性的預報,但要預估大雨會下多大、多久的定量預報,已經超出現有科學的能力。


不過有一點可以做到,美國也已經在進行,就是當天氣系統已經在發生時,例如雲層已經開始變化,此時可以較明確地知道馬上要下大雨,也可估計雨量,就立刻提醒民眾注意。這項預測主要是依據雷達觀測的結果,目前氣象局僅能在豪雨降下前40~50分鐘推算出來,程家平表示,希望未來能提升雷達觀測與分析能力,在六年內提前到豪雨降下前2~3小時即可推算出來並發佈警戒。更長遠的目標則是將雷達觀測結果和電腦模式結合,提供機率預報,如此可將警戒時間再提前到6小時甚或12小時,但這項工作難度相當高,需要更長的發展期。


氣象局已打算將整套電腦數值模式從現在的第四代提升到第五代,將50毫米以上的大雨預報能力預兆得分從現在的0.2提升到0.26,另外也要將目前以縣市為單位的氣象預報分區,縮小範圍到以鄉鎮市為分區。程家平指出,這兩項目標都很艱鉅,也牽涉到預報作業流程的變革,尤其是縮小氣象預報分區範圍,在台灣極為複雜的地形分佈狀況下,初期一定會有些鄉鎮市的預報不準,氣象局已有挨罵的心理準備。不過隨著經驗的累積,氣象局應可逐步掌握引致預報不準的根源,進而提升整體預報能力。


正確看待氣象預報


氣象預報有一大特性,就是預報的時間距離越短,準確度一般也越高,24小時前的預報一定比48小時前的預報準,因為不斷有新的觀測資料進來,可據以修正先前的預報。但竟然曾有民眾向氣象局反映:「你們的預報能不能不要經常變來變去?」可見許多民眾對於氣象預報仍有著錯誤認知,希望氣象局「說了就算」,而不了解動態氣象預報的必要性。


就像這次莫拉克颱風,氣象局在8月5日上午颱風距離台灣還有1000多公里時,研判颱風會往北部海面前進,因此特別提醒北部地區注意大雨;但從當天下午發現颱風路徑有偏南趨勢,就開始提醒南部地區也要注意,並且在6日預報南部地區將有800毫米的超大雨量,之後雨量不斷上修,在7日南部地區才剛開始下雨時,已經預報將有破千毫米的雨量。可是許多民眾只對一開始的預報特別注意,將「氣象局說北部會下大雨」銘記在心,卻未注意後續的更新預報。事實上,當颱風越接近台灣,民眾越應該注意最新的氣象預報,而不是看了先前預報與自己所住地區無關或雨量不大,就掉以輕心。


以現在的科技水準,很難完全預知颱風動向、強度、雨量等,因此先進國家的氣象單位都會以「機率預報」的方式,預報颱風路徑、雨量的各種可能,提醒所有可能範圍內的民眾都要注意防颱;而且不只是颱風,平常的降雨也以機率預報為主。如果民眾老是希望氣象局能明確講出「明天會不會下雨?會下多少雨?」其實在現階段是不符合科學精神的。


莫拉克颱風已經過去,災害已經造成,政府和民眾能從中學到多少經驗,並如何將這些經驗應用到未來的防颱措施上,是下一次颱風來襲時馬上就可以檢驗的事。政府應將氣象局的雨量預報和國家災害防救中心的洪水、土石流潛勢區結合,當氣象局預報將有豪大雨時,拿出魄力及早撤離警戒區的居民,氣象局也應協助民眾確實了解氣象預報資訊需不斷更新的觀念,以做出正確的自保動作,才能避免或減少生命與財產的損失。