混沌天氣
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(熱量的釋放同時使熱帶海洋表面形成一個低壓區，四周更多溫暖
潮濕的空氣便會向此區輻合(4)。這樣的運動過程不停地將龐大的
熱量、空氣及水向上空輸送(5)，向上的熱量搬移及釋放又進一步
加強了周圍空氣向發展中的風暴中心輻合，並且因地球自轉的影
響而開始環行(6)。)
我們目前的研究源自於我在30年前的一個直覺，當時我是正在學習混沌理論
的研究生。混沌系統是一個行為看似隨機，但實際上卻受到規範的系統，它也
對於初始條件特別敏感，因此，在初始條件看起來無關緊要的隨意變化，便可
能會產生深遠的影響，而且很快就導致不可預測的結果。對颶風而言，微小的
差異出現在如海水溫度、大尺度氣流的位置（它能引導風暴的行進），甚至是
繞著風眼旋轉的雨雲形狀等特徵上，都能強烈影響颶風可能的路徑與威力。
這種大氣對微小作用的極度敏感性，加上天氣預報模式裡微小誤差會迅速加
劇的特性，便是造成長期（五天以上）預報非常困難的原因。不過這種敏感性
也讓我好奇，刻意加在颶風上的微小初始差異，是否可產生足以影響颶風的強
大效力，不論是表現在將颶風引離人口稠密區，或是減低其風速。
在那個年代，我無法繼續探索這些想法。不過，在過去10年間，數值模擬和
遙測技術已經有了長足的進步，讓我能重新投入我感興趣的大尺度天氣調控研
究。在得到了美國航太總署先進觀念研究所的經費支持後，我和大氣與環境研
究公司（AER）這個全國性的研發顧問機構裡的同事，希望能利用複雜的颶風
電腦模式，找出最終可能實際應用的方法。我們特別利用了天氣預報技術，模
擬以前的颶風，藉由觀察模擬出來的颶風變化，來測試各種干擾的效果。
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(風眼的原始路徑（黑色虛線）會讓強風區通過夏威夷群島的考艾島，
當稍微變化一下模式的初始條件，模擬出來的颶風路徑（紅色虛線）就
會向考艾島以西偏離。)
模擬混沌
就預報本身而言，就算是現今最好的天氣預報電腦模式，仍然有許多改善的
空間，不過它們經過修改後拿來模擬颶風卻非常有用。這些模式倚賴數值方法
來模擬颶風複雜的發展過程，也就是在短暫而連續的時步（time step）內將
風暴的狀態估算出來。數值天氣預報運算的基本假設是：大氣整體的質量、能
量、動量與水份，既不會生成也不會消滅。在如颶風這般的流體系統裡，這些
守恆量都是隨著風暴的氣流移動，不過，在靠近系統的邊界或邊緣地帶，情況
就會變得比較複雜，例如在海面，我們的模擬就得將大氣可能獲得或失去這四
種守恆量的情形考慮進去。
模式工作者將大氣狀態定義為所有可量測的物理變量的完整描述，包括壓力
、溫度、相對濕度以及風向、風速，這些物理量要符合電腦模擬所根據的物理
性質而守恆。在大多數的天氣模式裡，這些可觀測的變數是定義在用以表示大
氣的三維網格上，因此每個高度的每種性質都可以做出圖形來。模式工作者把
所有網格上變數值的集合，稱為模式的狀態。
在執行預報時，數值天氣預報模式會從某一瞬間時刻以微小的時步，重複向
前計算模式的狀態（時步可由幾秒到幾分，視模式所解析的運動尺度而定）。
在每個時步裡，模式計算的作用包括：各種隨著風改變的大氣性質、蒸發過程
、降水、表面摩擦以及在重要地區的長波輻射冷卻與日照加熱。
遺憾的是，氣象預報是有瑕疵的。首先，模式的初始狀態總是既不完整也不
精確。颶風的初始狀態尤其難確定，這是因為直接的觀測稀少且不易執行。然
而我們由衛星雲圖得知，颶風有著複雜且精密的結構，這些雲圖或許很有用處
，但是我們需要知道更多。其次，就算有完美的初始狀態，強烈熱帶氣旋的電
腦模式本來就容易出現誤差。例如大氣狀態只在格點上計算，因此無法正確處
理小於網格長度（相鄰兩格點的間距）的現象特徵。如果模式沒有非常高的解
析度，眼牆附近的結構（颶風最重要的特徵）就會變得和緩而且細節不明。此
外，模式和它企圖模擬的真實大氣一樣，有著混沌的行為。上述缺陷所導致的
誤差，會隨著預報的運算進程快速成長。
< 待續 >
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