【格致论道讲坛】我们能够准确预报台风登陆，为什么却很难预测一场暴雨呢？
The following article is from 格致论道讲坛 Author 信欣
“只要大家学会看雷达图，以后自己也可以做一些短期临近的预报。”
信欣
中国气象局华风影视公司气象服务高级工程师
大家好，我是信欣，今天我想分享有关天气的知识。
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缤纷多彩的天气
首先，我们来看一看这几张图片，大家应该都很熟悉。
雨（左上）、雪（右上）、雷电（左下）和雾（右下）
比如下雨、下雪，冬天的大雾，还有夏天的雷电，这些都是常见的天气。
冰雹
当然，还有一些我们不常见的天气。上图中所展示的天气我们可能相对见得多一些，这是冰雹。下的冰雹看起来像元宵一样。
短时强降雨
图片中所展示的是短时强降雨，正好拍到雨降落下来。强降雨出现的地方就是天气预报“最爱报”的局部地区，一般“局部”指的就是短时局地的强降雨。
下击暴流
上图展示的是下击暴流。图中有一团东西从乌云中“Duang“地落到了地上，然后四散开来，这就是下击暴流。它里面有一个非常强的下沉气流，落地之后就会打开，就像大家玩过的水弹往地上一扔会炸开一样。下沉气流散开的一瞬间，阵风会非常强，可以达到15级甚至16级，能够摧毁很多东西。当时在湖北监利，就是下击暴流导致了“东方之星”沉船，一下就把船给吹翻了。
超级单体风暴
这张图片看着挺像龙卷风，但它并不是龙卷风，而叫超级单体风暴。这里可能会出现很强的短时强降雨，出现下击暴流和冰雹，当然也会出现龙卷风。龙卷风就是从超级单体风暴里孕育出来的。
那么，正宗的龙卷风长什么样呢？就是下面左图中所展示的样子。右图是一个盗版的龙卷风，不是真正的龙卷风。
龙卷风（左）和尘卷风（右）
左图中的龙卷风是一个很粗壮的黑色的漏斗云连接到地面，这是一个很强的龙卷，它非常粗。龙卷也有瘦一点、比较细长的。这个龙卷的强度已经到达了最强级的状态。右图中所展示的是尘卷风，看着和龙卷风有点像，也是一个空气涡旋转起来。
尘卷风和龙卷风的区别在哪儿？首先是天空状况不同。龙卷风是在积雨云里面出现很强的对流，是在阴云密布的情况下出现的。而尘卷风的背景是晴天，它是由于光照的加热导致地表受热不均形成的。
其次是伸展方向不同。尘卷风是从地面向天空伸展上去，而龙卷风是从积雨云里面伸展下来。所以，龙卷风是从天而降的，尘卷风是拔地而起的。虽然长得比较像，但它们两个是完全不一样的。
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水是天气变化的核心
其实天气的变化大多都和水有关系。比如，雨和雪是降水天气，这种天气一般是由于水汽直接凝华或者凝结的情况。如果在地表附近出现这种凝华的现象，那就是霜。所以，雨、雪、霜等都是因为水汽凝结或凝华而产生的天气现象。
一般冷暖空气相遇的时候会发生抬升，抬升的过程当中水汽会逐渐从气态变成液态，还会从液态变成固态。所以，云里面存在水蒸气、小水滴和小冰晶这三种形态。
如果温度比较低，从高空下落的雪花和冰晶没有来得及化就落到了地上，那就是下雪。如果温度比较高，它在落地之前化掉了，那就是下雨。如果往上追溯，天上下的都是雪。因为夏天的时候低空的温度比较高，从地面一直到空中几千米的温度都大于零度，所以它在下落过程当中慢慢化掉了，就形成了降雨。这就是雨和雪的差别。
这里也会出现暴雨和强对流的问题。大气是一个立体的结构，如果从地面一直到高空，整个大气的水汽都非常充足，并且动力抬升条件非常好，通常会形成强降雨，即暴雨。
如果动力条件很好，而中层的大气、即更往上的大气比较干燥，这时往往容易形成强对流，比如冰雹或者非常强烈的雷雨。这些天气一般就是中层的干空气和下层的暖空气结合形成的。
一般情况下，每年夏天是最容易出现暴雨的时间段。
大家可以想象一下，平时洗澡洗脸的时候，你是怎么拧毛巾的？首先，毛巾需要足够潮湿，有足够多的水。其次，需要有足够大的劲。如果毛巾很干，我们再怎么用力拧也拧不出水来。如果这条毛巾比较潮湿，但不是特别湿，我们可能也拧不出水来。
形成暴雨的关键
所以，降雨首先要有大量的水汽在低空输送和聚集，同时还有一个持续的抬升，把它们抬到空中，让它们成云致雨。在这样的情况下，再加之具备有利的地形，往往就会形成很强的降雨。
比如北京的西侧和北侧是太行山和燕山的山脉，如果刮来东南风，就会在迎风坡处产生抬升。在这种情况下，往往会在北京海淀、昌平，甚至一直到北边的密云附近形成一条西南-东北向的强降雨带。所以，北京的降雨强度在局部经常不是一样的，这和地形有很大的关系。
降雨的强度一般怎么衡量呢？大家经常会听到天气预报通报下小雨、中雨、暴雨等等。我们可以在观测场拿集水瓶集雨水，经过24小时的累积后，如果累积降雨量达到了50到99.9毫米，一般就叫暴雨。如果累积降雨量超过了100毫米，不到250毫米，就叫大暴雨。累积降雨量大于等于250毫米的就叫特大暴雨。1毫米是每一平方米收集到1升水，所以1毫米其实也不少，而50毫米的雨就是相当大的量。
冰雹形成示意图
再给大家介绍一下冰雹。冰雹很有意思，它长得很像元宵，形成的过程也和滚元宵非常相似。图片中这个长得像烧杯一样的东西是积雨云，经过冷暖相会之后产生上升，上升后里面有很多小冰晶，它们就在里面不断地生长、长大。这个长大的过程就像滚元宵的过程，越滚越大。
大家可以想象一下，一部分水汽在小冰晶上面直接凝华，小冰晶有一个增长。同时，这些小冰晶之间互相碰撞，碰到最后它们就长大了。长到足够大的时候，原来的云托不住它，在重力作用之下，它就掉了下来，掉到地上就是冰雹。这就是冰雹的生成过程。
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天气是如何预报？我们自己能预测天气吗？
那么，我们怎么预报这些天气呢？其实现在天气预报就是把所有的大气状态用数学和物理的方法进行描述，然后再用计算机计算出来。
大气运动方程组计算出天气
这个过程就是下图中的第四类方法，叫做动力（数值预报）的方式。这需要大量的计算，人很难计算出来，所以需要超级计算机来进行计算。如果初始的观测场的数据不全，或者资料不准确，就会降低天气预报的准确性。
天气预报的方法
我们还有其他的方法来预测天气。比如历史相似法，气象部门每天都会画天气图，我们能不能找到与历史上某一天相似的天气图和天气形势？这就需要我们费劲找，还真有可能会找到。
找到之后我们会发现，当时的天气情况是这样，现在的天气情况和当时很像，那之后的第二天、第三天和第四天发生了什么，我们是不是可以把当时的天气报告直接抄过来，就可以做出来天气预报了？
理论上确实可以这样做，但很可惜的是，没有任何两个天气是完全一样的，可能某些天气的大形势非常接近，但里面的很多细节都是不一样的。这就像一对双胞胎，看起来长得一样，两人也会有细微的差别，他们的性格可能也不一样。所以，往往最后表现出来的天气也会有偏差。
还有一种预测天气的方法叫统计法。我们统计过去每年这个时候的天气，再平均下来推测这个地方是一个什么样的天气。
比如，现在是6月份，我想在8月份去某个地方玩，现在天气预报一般报7天内和15天内的天气，如果想知道一两个月后的天气怎么办？我们就可以看历史平均的状态。
如果这个地方当时没有特别剧烈的天气变化发生，符合平均状态，那这个预报就是有效的。但是，有可能那个地方碰巧突然发生了天气变化，这个预报肯定就不准了。所以一般在预报当中，我们会用统计法作为参考去做一下长远预报，看看每年到这个时候可能会发生什么。比如，7月下旬和8月初的时候，一般北京容易下暴雨，这是一个气候统计上的概率。
另外，还有一种预测天气的方法是外推法。基于现在的卫星、雷达能监测到已经发生的天气，再根据目前发生的情况去推导未来的天气可能会怎样演变。如果这个系统移动得非常稳定和匀速，那推导未来天气的准确率会很高。但如果它发生了一些突然的变化，比如走着走着减弱了，或者突然之间发生增强了，往后推演就会产生比较大的偏差。
我给大家简单介绍一下雷达图，如果大家会看雷达图，以后自己也可以做一些短期临近的预报。
雷达图怎么看
这是一张雷达图，图片中的颜色代表雷达发出的一个波遇到了物体之后散射回来。比如，用雷达发出一个波遇到了降水粒子，打到粒子上弹回来，这就叫后向散射。经过散射后，雷达又接收到这个波之后就可以反推。
如果这个降水粒子很大，雷达图上的颜色一般就会比较红，比较鲜艳，甚至会呈现出紫色。紫色对应的是个头大的冰雹或者是强降水，红紫波对应比较强的瓢泼似的大雨，黄色对应雨滴到地上能打出泡泡的情况，绿色对应的是比较稳定的绵绵细雨，蓝色对应的是似有似无的毛毛雨。
不过，雷达图一定要动起来看，如果单看一张，我们无法知道雨未来会往哪里走。这是一次很强烈的强对流天气过程，通过这张图，我们能看出来这个系统在往画面的右侧走。再看一下起始时间是19点，结束时间是20点半，也就是在一个半小时内，它大概会从广东的高要一带一直移动到中山附近。如果它继续匀速往下推，估计在晚上9点半的时候就能推到深圳，那天晚上深圳确实出现了很强的对流。
所以，大家一看到雷达图上有这种红色的信号朝着你所在的地区过来，就能知道天气马上会变得很糟糕，一定要找到一个安全的地方躲起来。
超强台风威马逊的雷达图
这是另一种螺旋状的雷达图，展示的是2014年的超强台风威马逊。它是一个明显的螺旋结构，而且它里面有很多条螺旋雨带，就像人的肌肉一样，一条一条的。在它的中间位置有个圈，那个圈是眼区，眼区周围的地方叫眼壁，就像人的眼皮一样。眼壁区是风雨最强的地方，而眼区里的风雨其实很弱，甚至是晴天，一点儿风雨都没有。
如果大家去海南、广东或者福建玩，遇到了这种台风，看到雷达图上这一圈东西过来了，那么风雨就会特别强，一定要躲起来。如果你发现风雨突然小，这不代表台风过去了，而是因为你可能就在眼区里面。这个时候千万不要往外跑，因为可能再过半个小时或者一个小时，当眼区后半部分上来的时候，风雨又会变得特别强，会面临非常大的危险。所以，一定要找一个坚固的房屋躲起来。
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天气预报为何会不准？
接下来我讲一下为什么天气预报会不准。以现代的科技水平来说，我们确实报不准，这是事实。首先，给大家展示均为80%的两个数据。降水有无的准确率达到80%。强降水，即暴雨的不准确率是80%。
预报难度不同，准确率不同
其实，这两者的预报难度是不一样的。如果只判断降水与否，而不考虑强度，这是很简单的。这就像做判断题，只需要判断是对还是错就可以了。
但预报是很难的，就像试卷中最后一道大题，而且是非常难的一道大题，请你论述某件事情，这就很容易预报不准确。所以，根据情况的难度不同，准确率也是不一样的。
而影响比较大的恰恰是暴雨。因为平时预报下小雨没什么影响，大家觉得天气预报不准，恰恰是在出现暴雨的时候。
那么，降雨为什么预报不准呢？其实降雨也可以分成两种类型：锋面降水和暖区对流降雨。
靠谱的锋面降水
靠谱的锋面降水就是冷暖空气相遇，因为暖的空气轻，所以它会在冷空气上面爬升，形成锋面降水。冷暖空气相遇之后，冷空气推着暖空气走，我们可以根据它的速度去反推它什么时候能到一个地方。这个预报的准确率非常高，预报员也特别喜欢预报这样的天气，报出就是十拿九稳，直接拉高了整体的准确率。
不靠谱的暖区对流降雨
还一种很令人讨厌的降雨，就是不靠谱的暖区对流降雨。一开始大量暖湿空气在底层堆积，在堆积过程中受热膨胀后就会上升。但是问题在于，无法知道它何时开始抬升。再过一会儿随着降雨的展开，它的气温会下降，上升能力减弱，这阵雨就过去了。所以，暖区对流降水很难预测起止时间。
还有一种可能就是报不准，预报会产生偏差。预报的偏差有两个方向。一是测不准，初始观测出现误差。二是算不准，在计算迭代中产生误差。
首先是测不准。我们都知道地球上70%的面积是海洋，陆地上可以有观测站，但不是所有的陆地都有观测站，比如青藏高原、撒哈拉沙漠的观测站就很少，而海洋上更是几乎没有观测了。所以，我们要通过卫星和雷达的数据、主要是通过卫星的数据反演。但是，这个数据也可能会有偏差，仪器的观测也不是100%精准的，一定会有测量的误差。
其次是算不准。在计算过程中有一大堆方程组，其实那个方程组本身是无解的，我们为了求出一个近似解，在取近似值的过程中就会产生误差，越累积到后面误差就越大，这呈现在天气预报里就很“要命”。
其实，天气预报的误差就像传话。比如，班主任今天和第一排的同学说了一句话，可能这个老师有口音，发音不太标准，他想说其实一个人，就变成了71个人，这就是初始观测误差。传到最后这句话就变成了骑着一个人，意思完全不一样了。
所以，一般短期的天气预报，即1-3天的天气预报的准确性是比较高的。而对于4-7天的预报，我们会发现有时候过两天再看，它就发生了变化。现在也在做15天以上的预报，但是准确率就会进一步下降。所以，一般时间越远，天气预报就越不准。
另外，形势越复杂的预报越不准。比如，这个形势有降雨的倾向，也有晴天的倾向，它们混杂在一起，这可能导致预报变得非常复杂，也可能报不准。所以，在目前的科学水平之下，天气预报很难做到100%准确。
天气的尺度不一样，它的预报难度也不一样。小尺度的天气系统特别难预报，而大尺度的天气系统就相对好预报。比如，预报台风可能会在哪里登陆，一般会报得比较准确。但如果要想突然把一个龙卷风报出来就非常困难，可能只能在它即将发生或者刚刚发生的时候才能发现。因为它的生命的时间和空间的尺度都非常小。一个龙卷风的水平尺度通常只有几十米，大一点的能达到几百米，最胖也就能达到1公里，而台风的尺度是几百公里。所以，越小的天气系统越难把握和捕捉，而越大的天气系统往往越容易预报。
图片中展示的是美国的一个龙卷风。这个地方有一个旋转的东西，就是龙卷，这个叫钩状回波，这里面产生了一个碎屑核。刚才说过颜色越红、越鲜艳，代表里面降水的物质越大。但这里面其实不是降水，而是把地表的大量尘土碎屑，甚至一些更大的瓦片等东西全部吸到了一起。所以我们在图中能看到红色和紫色，里面可能也夹杂着一些冰雹，形成一个涡旋的龙卷。这种强对流就像大家烧开水的时候冒泡一样，你知道会冒泡，但是不知道它会从哪里冒出来，这就是预报的难点。
所以，在现在的情况下，天气预报已经在努力地做到最准，但是一定会有不准的时候，也希望大家能够多多理解。谢谢！
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