大氣科學，一門年輕的學問
我們常抱怨氣象預報不準，但很少人知道，人類為了預測未來 24 小時的天氣，曾經經歷過怎樣的瘋狂，今天來給大家科普一下大氣科學的歷史。
一、大氣科學之祖
現代大氣科學的濫觴可追溯至1910年代，以Vilhelm Bjerknes（1862-1951）為首的卑爾根學派（The Bergen school of meteorology），Bjerknes以熱力學和流體力學來描述大氣運動，正式將天氣預報從經驗法則轉化為物理科學，為現如今的大氣科學奠定基礎，這門學科誕生也不過百年，跟物理、數學比起來真的很年輕啊！
二、你所熟悉的那些鋒面
Bjerknes團隊發現冷暖空氣的交界處往往是天氣轉變的關鍵，當時正值第一次世界大戰，歐洲戰場上兩軍對壘的戰壕給了他們靈感，於是他們借用了軍事術語，將不同性質氣團的交界處稱為鋒面（Front）。
他們提出，在高緯度的冷氣團與低緯度的暖氣團之間，存在著一條環繞全球的「極鋒」（Polar Front）。當它受到擾動而開始波動時，就會像滾雪球一樣演變成巨大的溫帶氣旋。卑爾根學派精確地描述了氣旋從誕生、成熟到消散的過程：冷空氣像騎兵一樣衝向暖空氣（冷鋒），暖空氣則輕盈地爬升到冷空氣背上（暖鋒），最後兩者交織纏繞（囚錮鋒）。這套極鋒理論（Polar Front Theory）至今仍是大氣科學裡最經典的一頁，它讓人類第一次看清了中緯度天氣變化的規律。
三、浪漫的夢想還是白日夢？
雖然有了理論，但當時根本沒有人能「解開」那些複雜的方程式。這時，一位名叫Lewis Fry Richardson（1881-1953）的天才登場了。他在1910年用「純手工」的方式，去計算歐洲某個特定時刻的6小時預報，最終的結果是氣壓會在6小時後下降145hPa，然而氣壓實際上幾乎沒有改變（小於1hPa），大家猜猜他花了多久時間才做出這份6小時的天氣預報？答案是整整兩年！
雖然他失敗了，但他卻留下了一個浪漫的幻想：如果能在一間巨大的圓形劇院裡，坐滿 6,4000 名計算員（他稱之為「天氣工廠」），每個人分配一小區域的大氣網格，或許就能趕在天氣發生前，把它給算出來。
你覺得他瘋了嗎？聽起來很荒謬，但現在我們知道他的夢想真的實現了！（當然，是透過computers而不是”computers”）這故事告訴我們別嘲笑你朋友的白日夢，說不定他是真預言家呢？
四、高空的動力系統
時間快轉到1940年代，第二次世界大戰爆發，飛機飛得更高、更遠，氣象學家的目光也從地面的鋒面轉向了高空。瑞典裔美籍科學家Carl-Gustaf Rossby（1898-1957）發現，在高空西風帶中，氣流並不是直線前進的，而是像一條巨大的巨龍在北半球蜿蜒蛇行。
這些橫跨數千公里的巨大波浪，就是著名的羅士比波（Rossby Wave）。羅士比用極其優美的數學方程式證明了：這些波浪的移動速度，取決於地球的自轉與緯度的變化。這個發現讓人類不再只是盯著眼前的雲雨，而是能從「行星尺度」的角度，預測未來幾天冷空氣會在哪裡南下、暖氣流會在哪裡北上。
空氣中的羅士比波的周期約3-10天，波長則約8000公里，其半波長大概就是美洲大陸的的跨幅，這也是你偶爾會聽到新聞在報加州晴空萬里而波士頓冷得要命的原因之一。
四、數值天氣預報
時間轉眼來到1950年代，這可是大氣科學重要的十年，因為電腦誕生了！在 1950 年，普林斯頓高等研究院的 Jule Charney（1917-1981）團隊，利用當時世界上第一台通用計算機 ENIAC，成功完成了史上第一次數值天氣預報（Numerical weather prediction, NWP），將 Bjerknes 的物理方程式與電子計算機的運算能力結合在了一起，讓天氣預報變得可能。
還記得前面到的Richardson嗎？Charney可沒有忘記他，在成功計算出結果後，Charney寫信給了Richardson，在他生命的最後幾年告知他：「你的夢想實現了！」這絕對是科學史上最美麗的故事之一。
五、亂中有序──混沌的誕生
故事到這裡聽起來都還不錯吧？我們現在有理論、有公式，還有電腦，預報應該就此一帆風順了，那我們可以精準預測十年後的今天的天氣嗎？想必各位都知道是不行的，但為什麼不行呢？
在1960 年代，氣象學家Edward Lorenz（1917-2008）正在用電腦跑天氣模擬軟體。有一天，他想觀察一段數據的細節，但因為當時電腦跑得很慢，他偷懶不想從頭重算，而是想從中間斷掉的地方開始。他手動輸入了初始值，為了省事，他把原本的小數點後六位（0.506127）四捨五入到了第三位（0.506）。他心想這千分之一的差別小到可以忽略不計吧？於是他轉身去喝杯咖啡。沒想到回來時，螢幕上的結果讓他大吃一驚：新的天氣路徑與原本的完全分道揚鑣，於是著名的混沌理論（Chaos Theory）就在這個名為懶惰的故事中誕生了。
總歸一句，就是微小的初始條件差異，經過時間的非線性放大後，會導致結果發生翻天覆地的變化，又或者他有一個更響亮的名字「蝴蝶效應」（Butterfly Effect）：南美洲的一隻蝴蝶拍動翅膀，微弱的氣流擾動可能在兩週後，引發德克薩斯州的一場龍捲風。但中文有一句更有智慧的話：失之毫釐，差之千里。
顯然我們不可能知道每一坨空氣在任一時刻的物理量，所以這個初始誤差始終存在，偏偏大氣是一個對初始條件極度敏感的系統，這個誤差會隨著積分（隨著時間流逝）放大，這也決定了人類預報天氣的天然極限──兩周。這無疑給天氣預報潑了一盆冷水，無論電腦多強大，預報員都有經驗，天氣預報都有一個物理上的「天然極限」。
但不幸中的大幸是，混沌（Chaos）並非隨機（Random）。打個比方，假設現在氣溫是20度，下一刻氣溫「高機率」落在一定的範圍裡面，可能是21度也可能是19度，出現60度的機率不是不可能，但無限接近0；而倘若下一刻可以是-50度也可以是100度，且每個溫度機率均等，那就叫做隨機。
混沌意味著不可預測，但也可以預測！這個概念催生了現代預報的核心技術「系集預報」（Ensemble Forecasting）。既然我們知道初始值會有誤差，那我們就一次跑 50 組、100 組稍微不同的初始模擬，看看它們最終是否指向相似的結果。如果大家都說會下雨，那把握度就高；如果大家分道揚鑣，那我們就知道這隻蝴蝶正在搗蛋。這就是為什麼天氣預報不告訴你精確的結果，而是講究機率，或者一個範圍區間的緣故。
值得注意的是，雖然混沌理論誕生於大氣科學，但在股票市場、天體物理（三體問題）也有混沌現象，可謂無處不在啊！
六、邁向地球系統模式
接下來的故事大家應該都很熟了。隨著科技發展，越來越多衛星、雷達和地面測站的加入，我們對大氣初始狀態的掌握越來越精確。Richardson當年的「天氣工廠」夢想，如今已在超級電腦的機房裡以每秒數萬兆次的運算實現。
1970年代，人們發現了聖嬰現象與南方濤動（ENSO），意識到赤道太平洋的增暖，竟然能引發全球性的乾旱與洪水；同時，全球暖化的警鐘也正式敲響。1980年代，人類驚覺南極上空的臭氧層出現了破洞，這讓我們意識到，人類的活動正實實在在地改變著這個行星的呼吸。
於是，大氣科學不再只是關心明天下不下雨。科學家開始將海洋的洋流、陸地上的森林、南北極的冰架，甚至是火山噴發出的氣膠，通通寫進了方程式裡。這就是現代的地球系統模型（Earth System Model, ESM）。它不再只是大氣的遊戲，而是一個全方位的、跨圈層的「大數據聯姻」。
以上就是大氣科學的故事，下次當有朋友再抱怨天氣預報不準的時候，請拍拍手、給他一個大拇指，用鼓勵的語氣稱讚他：你好棒哦！你完全了解了Chaos Theory的精隨！超讚ㄉ！
