【石头科普】天气预报也有尺度？
一个龙卷风，突然形成，快速移动，所过之处房屋被破坏，树木连根拔起，有时甚至会造成人员伤亡，但是持续时间常常只有几个小时左右，影响范围也非常有限。
龙卷风（来源：维基百科）
一个台风，逐渐形成、增强，移动速度一般不超过小汽车的行驶速度，有时候连跑步的速度比不上（烟花：你再骂？），但是中心的风力却可以达到高铁的速度。它可以延展上千公里，影响的区域可以超过几个省的面积，并且持续时间很长，有的海上台风可以持续一个月之久（丽塔:正是在下）。
1994年飓风/台风“约翰”，从8月11日持续至9月10日
史上最长寿的飓风/台风（来源：维基百科）
特大暴雨突降郑州市区，我们很难做到时间和空间上预报的精准，灾难降临时仍会令人措手不及；而对于台风“烟花”，早在台风仍在大洋深处发展的时候，我们便可以比较准确地预测它的动向，提前做好防范。
这是为什么呢？
我们经常连第二天到底会不会下雨都难以预测，有时候就像爱情一样晴空万里突然暴风雨，为什么又可以预测气候的变化呢？
这一切
都涉及到天气预报的尺度问题！
对于大气中的一个系统，我们可以根据它的空间范围和持续时间来确定这个系统属于什么尺度。按照大小排列，可以分为行星尺度、大尺度、中尺度、小尺度和微尺度几种，越大的系统，持续时间越长，影响范围越广，可预报性越强；反过来，越小的系统，在越小的时间空间范围，越难预报。另外，天气系统和气候系统也是有所区别的。天气系统往往限于中小尺度，而气候则是指大尺度乃至行星尺度的情况，并且是至少长达一个月的平均状况。
简单地介绍一下尺度包含的
几个方面
No.1 空间尺度
这里分为水平尺度和竖直尺度。我们所熟知的各种天气现象基本上都发生在对流层，而大气对流层相对于整个地球表面上万公里的尺度而言，竖直方向的延展仅有十公里上下，相去甚远，因此水平方向的运动和竖直方向的运动通常有很大差异。
No.2时间尺度
越大的系统，时间尺度一般也越大。行星尺度的系统时间尺度可以达到几个月甚至几年，而气候变化的周期更是可以延伸到数万年。小尺度的系统时间尺度则仅有十几个小时，而对于微尺度的积云而言，其从诞生到消散的全过程也就只有短短几个小时；尘卷风这种极小的系统更是只有十几分钟的持续时间。这些系统时空尺度之间的数量级差距是显而易见的。
更广义的尺度展示：从微粒到整个地球
有趣的是，随着系统尺度的减小，竖直方向的典型运动速度反而会增加：大尺度竖直运动通常只有0.1米每秒，而小尺度竖直运动的速度可达10米每秒；水平方向的运动速度则变化量级不大，各种尺度的系统水平运动速度从0到100米每秒都有可能，但主要是集中在10米每秒的数量级，也就是一般的风速。各种尺度的系统水平运动速度是由水平方向的尺度除以时间尺度而得出，以10的某次方来表示数量级的大小。例如，人的走路速度数量级是10的零次方（1-2米每秒），而飞机的巡航速度数量级是10的二次方（200-300米每秒）。如果第一位不是1，按照四舍五入的规则来确定数量级，比如，5米每秒相当于10米每秒的数量级，4米每秒相当于1米每秒的数量级。
教科书上的量纲表示
学过物理的同学们可能会觉得有些熟悉——这不正是量纲分析吗！没错，大气科学的尺度问题正是需要通过量纲分析来处理各种运动方程。准确地说，大气动力学作为流体力学的一个分支，广泛应用了一些流体力学方面的概念和方法。而天气预报的两个核心正是大气动力学和数值统计方法。
下面我们列举一些从行星尺度到微尺度的例子。相邻尺度之间没有绝对分界线，根据不同研究的习惯，存在一些交叉的部分。
罗斯贝波示意图(来源: physics world)
行星尺度
行星波（罗斯贝波），水平方向可以影响全球（～10000公里），竖直方向可以影响到平流层（～30公里），持续时间几天到几个月皆有；造成厄尔尼诺现象的沃克环流，横跨整个太平洋（～10000公里），垂直速度0.01m/s，周期2～3年。
大尺度
大型台风，水平方向～1000公里，竖直方向延伸到对流层顶（～15公里），垂直速度0.1～1m/s，持续时间1天到31天皆有；冷高压，水平方向～1000公里，竖直方向较浅，大约3～5公里（冷高压的上面并非高压而是低压），垂直速度小于0.1m/s，活动时间几天到十几天不等。
2018年9月21日，正在逼近芝加哥市的一道飑线(来源: NWS)
中尺度
飑（biao）线，水平方向约100公里，竖直方向约10公里，垂直速度可达1m/s，是包含多个强对流云团组成的线状天气系统。一般台风，水平方向延展100～500公里，竖直方向大约10公里，垂直速度0.1～1m/s。
小尺度
积雨云团、雷暴云团、龙卷风等，水平方向仅几公里到几十公里，竖直方向可延伸至对流层顶，垂直速度超过1m/s，极端情形下可以超过5m/s。
尘卷风（来源：维基百科）
近年来发生了多起突发尘卷风致人伤亡事件，值得关注
微尺度
尘卷风，普通积云，团雾，下击暴流等。水平、垂直尺度比小尺度系统更小，仅有几百米甚至几米，持续时间非常短，几小时甚至几分钟都有。有时也会并入小尺度系统进行讨论。
系统的尺度，决定了预报的尺度。一个市的范围算是中尺度，那么预报也就仅限于中尺度以上，不可能精细到涵盖所有小尺度天气。而全国范围算是大尺度，预报就更不用那么精细了。而对于一个机场，这算是一个小尺度的范围，因此机场的气象站会给出实时的小尺度周边天气预报，这种预报才是最精细的。同样的，系统的时间尺度也同样决定了预报的时间尺度，对于短时间如几小时内的预报，气象台就会给出比较具体的小尺度天气预报；而12小时到48小时的预报就主要是中尺度的范围，更长的天气预报则主要与大尺度系统联系，最长的气候预报则需要关注行星尺度系统的动态。
对太平洋海温异常的监测，这是判断厄尔尼诺现象的重要依据（来源: EOS.org）
我们之所以说尺度越大的系统越容易预报，是因为这些系统的时间尺度比较长，运动更适合简化处理，同时由于影响范围太广，预报精度要求也大大降低，只需要给出大概的影响范围；而中小尺度的天气系统非常多变，持续时间又比较短，往往来不及做出精细预报便突然出现，同时对这些系统预报所必需的数据精度要求也更高，才能确保每个市下面的每个区都有准确的天气预报，而我们气象站点的密度又不足以支持如此高精度的预报，因此说中小尺度的天气非常难预报。比如今年五月初发生在武汉和苏州的龙卷风事件，以及甘肃白银越野跑活动遭遇的短时间强对流天气，这些灾害性天气的尺度太小，目前技术手段难以覆盖所有死角并做出及时的预报，对龙卷风发生地的天气预报也难以做到精确到一个村的范围。
今年五月的白银越野马拉松事故，对比赛经过的山区天气预报实在难以做到精准（来源：CGTN）
做一下简单的比喻，大尺度天气预报犹如带着全副武装捕捉一头水牛，水牛移动慢而且目标明确；而小尺度天气预报犹如在房间里捉老鼠，老鼠可能有十几只而我们只有三四个捕鼠夹，并且老鼠的藏身之处也难以捉摸，这样一来就难免会有家具被啃、大米被偷吃的损失。
河南暴雨(来源: DW)
现实中，在夏季或者热带地区，对流活动比较旺盛，更容易出现中小尺度的天气系统如雷雨云、冰雹云等，因此在这些情况下天气预报的准确度会有所降低。在中纬度地区和秋冬季节，由于对流活动不活跃，天气通常是与运动更有规律的大尺度系统密切相关，诸如冷空气、暖湿气流等大尺度非对流系统影响下的天气预报通常会更加准确。如何提高强对流天气、极端天气的预报准确度，至今仍然是大气科学家们重点研究的难题。
参考文献：
1.叶笃正，李崇银，王必魁，1988，动力气象学，科学出版社。
2.James R. Holton, 2004. An Introduction to Dynamic Meteorology [Fourth edition]. Academic Press.
3.标题图来自中央气象台。其他图片来自网络，有标注。
文章来源“石头科普”公众号
石头科普工作室成立于2016年11月，由时任中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长汪毓明教授牵头成立。工作室是一个具有公益性质的团队，主要致力于地球和空间科学的科普工作，旨在为广大群众提供地球和空间科学基本知识。
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