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科学大院:疫情之下,天气预报也会受影响?

2020-05-04 08:28:04

【文/王素】

随着新冠肺炎疫情在全球范围内的扩散和蔓延,截至2020年4月20日22时左右,全球累计确诊病例已经超过了240万。为了防控疫情,各国纷纷减少了航班数量,3月底就已经有近60家航空公司停飞所有航班(3月26日澎湃新闻报道),使得很多人的出行受到了影响。

(图片来源:东方卫视)

但是,你知道吗,飞机不飞了,天气预报也会受影响哦~

飞机:我是仅次于气象卫星的存在

飞机跟气象有啥关系?在21世纪,天气预报的准确程度依赖于越来越精细详实的气象数据,这不早就被卫星和地面雷达两者“拿下”了么?就算需要飞机观测高空数据,不是有现成的气象飞机么,什么时候跟商用飞机也扯上关系了?

你想得太简单啦!

其实,受到复杂地形和探测设备维护的限制,在高空、高原、沙漠、海洋等人迹罕至的地方,气象站点稀少,地面雷达难以部署,气象探测资料本就十分缺乏,更别提高空气象探测资料了。而探空气球、气象火箭和气象飞机每次出场都是价格不菲,更显得获得的资料弥足珍贵。但是,要想实现覆盖范围更广、预报更准确的天气预报,这些数据又必不可少。怎么办?

中国国家级地面气象站分布(图片来源:中国气象局)

航空公司气象数据的加入帮了大忙。可以说,民航飞机提供的气象数据的重要程度,仅次于气象卫星。目前,绝大部分民航飞机都安装了相当先进的气象设备——机载多普勒气象雷达(WXR)。它是飞行安全的“一把手”,是漫漫飞行路上的千里眼、顺风耳,也是气象数据的重要来源。

“藏”在机头雷达罩内的机载气象雷达(图片来源:NASA)

飞机上的气象雷达都能看见什么?

1842年,奥地利物理学家J·C·多普勒发现,当波源和观测者有相对运动时,观测者接受到的波的频率和波源发来的频率不同,波源和观测者相互接近时,接受到的频率升高;两者相互离开时,则降低。这种现象被称为多普勒效应。

多普勒效应示意图

根据多普勒效应,电磁波遇到不同障碍物被反射回的信号强弱及电磁波频率不同。正是利用了这一特性,通过调整天线角度,驾驶员可以把收到的信号以彩色回波图的形式呈现在小小雷达显示屏上,即使在云内能见度很差的情况下也能够从容地“观天探地”。

不同角度的雷达显示结果。右上图天高云净,右下图“云层密布,风雨交加”,雷达回波图中黄色到红色回波覆盖的区域表示有中到大雨。

不同于静止的地面,高速移动的飞机会遇到很多突发情况,特别是中小尺度天气系统。这可是灾害性天气研究的“热门选手”。

顾名思义,中小尺度天气系统水平范围较小,生命周期较短,气象要素的水平变化十分剧烈。一般把水平范围在几百米到几十公里,生命期只有几十分钟至二、三小时的天气系统,称为小尺度天气系统,例如积雨云、龙卷等;而将水平范围为几十至二、三百公里,生命期约一到十几小时的天气系统,称为中尺度天气系统,如飑线、雷暴等。它们在回波图上都表示为“小葱番茄蛋花汤”的颜色。

一次雷暴云的雷达回波动画显示(图片来源:中国民航网)

而飞机前方可能出现的降水、湍流(使飞机强烈颠簸)、强风切变(风切变是在很短的距离范围内,风速或风向,或两者一起发生急剧变化)等就是中小尺度系统,再加上危险地形,就是飞行安全的最大敌人!只有实现实时探测,才能帮助机长避开一切艰难险阻,顺利到达终点。

中小尺度系统移动速度快,破坏能力强。利用传统气象资料难以揣测它们的想法,更别说预测它们下一秒要往哪里去。而机载多普勒雷达的出现提供了这样的可能!比如影片《中国机长》里的机长在千钧一发之刻,从可怕的雷暴云裂缝中成功穿越,靠得就是机载气象雷达的帮助。

当气象雷达出现故障时,后果不堪设想。2009年5月30日,法国航空447号班机在飞往法国巴黎的途中不幸遭遇强风暴,由于气象雷达机械故障和其它原因,最终乘客216人、机组成员12人无一生还。

大西洋中漂浮的447残骸(图片来源:路透社)

气象雷达另一鲜为人知的使命,诞生于雷达接收和发射信号一体化的设计中,通过电子开关在发射和接受状态之间迅速切换,可以实现信号高效输出。

在大数据时代,借助于地面雷达的配合和通信系统(航空上称之为ADS-B系统)配合,在自动搜集和处理飞行中的大气数据(例如温度、湿度、气压等)后,机载气象雷达能以报文的形式自动传送到地面站,及时提供给气象部门使用。我们称为“飞机报”。

ADS-B系统的简化示意图(图片来源:广州银迅)

早在2004年,中国民航局就与气象局签署了空器气象资料下传合作协议,这些分钟级的高时空分辨率的实测数据,极大地丰富了我国现有的实时气象资料库,对提高气象预报的准确率、气象服务的能力和水平都做出了巨大的贡献。反之,也帮助民航飞机飞得放心,飞得舒心,不可不谓是“double win”的完美局面!

签署协议现场(图片来源:中国气象网,庄白羽摄)

这次,全球的气象观测可能受到重创

为什么说本次疫情影响了全球的气象工作者?

这就不得不提到一个庞大的组织——WMO,世界气象组织。在其发起的全球观测系统(193个会员国和地区向其公民提供的所有天气与气候服务及产品的支柱)中,有这么一个子系统——飞机气象数据中继计划(AMDAR),主要用于收集全球气象数据并进行应用。每天的天气预报,气候监测和预测、灾害预警它都出了不少力。

同时,它也是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ABOs(基于飞机的大气观测计划)的主要数据来源。ECMWF研究结果显示,AMDAR是改善全球 24 小时 NWP 预报的第四重要观测数据集。在这个系统中客班航机做出了卓越的贡献。飞机报对降低预报误差的贡献仅落后于三个从极轨卫星获得的数据集,超过了 GPS 掩星资料(GPS-RO)、探空资料(TEMP)和地面天气报告(SYNOP)!

在过去20年里,ECMWF每天使用的飞机报数量大幅增加(图片来源:ECMWF官网)

疫情发生之前,全球每天能够向该系统提供超过70万条高质量数据,然而由于航班的急速减少,全球飞机报减少了40%以上,3月以来 ECMWF 收到的欧洲飞机报甚至比平时减少了 65% 。这可真是愁坏了全球的预报员们。面对4月活跃的北半球风暴,在数据减少的情况下尽量不降低模式预估的准确性,几乎是不可能的任务。

全球 AMDAR飞机报数量在2020年3月呈现断崖式下跌。数据由 EUMETNET 提供(图片来源:WMO官网)

受影响的不止是飞机观测数据……

雪上加霜的是,在许多发展中国家,地基气象观测仍未完全自动化,仍然依赖气象观测员手动进行的观测,并传输到国际网络。最近,这类人工观测资料也有显著下降,WMO认为可能部分原因是受到疫情形势影响,而地基观测资料的持续减少可能也会降低预报的可靠性。

“气候变化产生的影响仍在持续,与天气相关的自然灾害也在增加,而新冠肺炎疫情带来了额外的挑战,并可能使一个国家面临多种灾害的风险加剧。因此,尽管出现了新冠肺炎疫情危机,各国政府仍须重视本国的预警和天气观测能力。” WMO秘书长佩特里·塔拉斯如此说到。

面对这场席卷全球的病毒爆发,没人能明哲保身;面对越来越频繁出现的极端天气,没人能独善其身。气象人正肩负着自己的责任,默默前行。希望在全球人类的共同努力下,我们能早日控制住病毒,也希望在同一个地球上,我们早日学会敬畏自然。

本文出品自“科学大院”公众号(kexuedayuan),转载请注明公众号出处。

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来源:科学大院 | 责任编辑:李泠
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