从混沌效应到预测未来

丁一汇

地球的大气环流系统庞大而复杂，充满了多种不同时间和空间尺度的变化，形成了人类感知并预测不同天气与气候现象，而这些变化也伴随着诸多不确定性。这就是现在时常被提起的“混沌效应”。“混沌效应”起源于1903年前后法国数学家邦加莱的发现，但它的实际应用则得益于气象学的研究。

随着现代气象科技的发展，人类逐渐摸索到大气演变与变化的奥秘，并有一定能力处理大气的混沌问题。其中，一个关键的问题是改进初始观测场。航天技术的发展使人造卫星服务于气象，通过运行在极地轨道和地球同步轨道上的气象卫星，人类可以不问断地跟踪地球大气的风云变幻，对天气现象进行连续记录和观测，并配合全球地面和大气的观测数据准确地获知全球气象、水文和环境数据。同時，通过大数据应用和多样本、多模式集合方法，可制作更可靠的气象与水文预报，使我们可以更为精确地得到降雨与水资源的分布规律和未来变化，继而规划种种水利工程。从简单的拦河筑坝到“南水北调”那样全国性的跨流域调水项目，“治水”因有气象学的助力而更加有效和可靠。到2022年以后，中国即将建成的地球系统数值模拟器，将可以如“CT”扫描一般更精准地“照出”地球各圈层运作和变化的情形。

另一方面，气象学知识的普及正引起人们对天气与气候演变的巨大关注。比如，大家关注“南涝北旱”的季风雨带分布，可能让许多人联想到中国全境正在走向干旱化。然而，气象学家根据长期的资料与证据，研究发现中国的降水分布实际上有着周期性的变化规律，同时还有趋势性的演变。前者一般被认为是自然因子的影响，后者则与全球气候变暖造成的全球水循环变化有关。例如，每隔大约40年，长江和华南地区便会迎来一个雨水丰沛的时期。在呈现周期性降水变化的同时，也可以观测到副热带地区降水呈现下降趋势，而中高纬地区降水呈增加趋势，这是因为全球气候变暖，使全球降水带发生“干者愈干，湿者愈湿”变化的结果。对于中国这样一个农业大国来说，对未来旱涝情况的认识与预测，肯定会为农业生产提供珍贵的指引。

在第60个“世界气象日”到来之际，我们用这一册《知识就是力量》杂志，聚焦于“气候和水”的主题，带你领略为了应对气候变化带来的挑战，人类怎样在新的全球变化的视角下，去审视地球上不断变化的天气、气候以及循环不息的水。