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比較完誰的天氣預報準,然後呢?

阿樹_96
・2016/03/28 ・4894字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

文長,非常長,但希望藉此文能更簡單、更清楚的說明天氣預報的難處、如何去看天氣預報的不準確,才是對預報的應用更重要的。

我們先看一下3/21氣象局和日本氣象協會的一周預報:

cwb0325_1100
tenki_0321_1700

再看3/25的預報結果,日本氣象協會的預報(溫度部分日本有明顯修正,降雨方面是兩邊都有修正調整):

cwb_0321_1700

tenki0325_0500

這次中央氣象局預報比日本準了,但其實……

當不夠理解氣象預報時,比較是沒意義的

接著在心情不好、天氣不好又遇到報不準的時候,就會罵氣象局。

「為什麼氣象局總是報不準?」「不是說會下雨嗎?怎麼只下兩滴就沒了?」「我乾脆看日本的預報好了!」「氣象預報本來就該準不是嗎?不準怎麼不會檢討?」

無論今年一月、三月氣象局與日本氣象協會針對寒流與冷氣團預報結果的落差,或是三月時氣象局幾次對鋒面降雨時間判斷的誤差。從媒體打臉來打臉去的渲染,以及網路上的輿論,我特別注意到了兩個常見的氣象預報迷思:

  1. 對氣象預報原理誤解進而提出不合理的批判(多數是認為「準是應該的」)。
  2. 資訊不對稱,或許是對氣象預報知識的不足,使得報導或是許多民眾只能聚焦在媒體、網路、氣象局之間的口水戰。

其實,只要再深再細一點的探討分析,再加入一點氣象知識,即使不具備氣象專業背景,多少也能看出以下的盲點:

不準是什麼意思?

不準的定義是指前一天的預報還是一週的預報,就算拿前一天預報來說好了,一年 365 天中,有幾天有預報成功有幾天失準?然後一年幾天失以上準叫做預報很糟?還是就不管反正遇到幾次不準就是不準?這樣的話我倒覺得這比較像是「認知偏誤」。

氣象科學是門複雜的應用科學

在不理解數值如何產生的情況下,拿不同預報的結果來直接比較,沒有什麼科學意義,真的要認真比較的話,起碼要像上面說的要每一天、針對特定結果如溫度之類的做統計比較,但這實在對於預報本身沒什麼幫助,因為數值預報除了統計還得考量學理,而大氣科學是門不太容易研究的應用科學(結合物理、化學、流體等知識)。

百分之分準「甘有可能」?

如果你只能接受「只要告訴我,下雨或不下雨、冷還熱,不要說什麼 40% 降雨機率、最高最低溫……」的話,我想觀落陰比較快?不是啦,我指的是若只能接受百分之百準的預報,未免太強人所難了。

如果你願意繼續看下去,那我就來細說國高中不教、主流媒體少講、人們不常聽到的「關於天氣預報」!

沒有百分之百準的氣象預報

過去有好幾篇在不同平台的專業解說文章[註1],這些文章的共通點就是在說明氣象預報為什麼不準?不過我想,既然是會覺得氣象局的預報總是失準的人,或許也會認為,每當預報發生失準時,氣象預報人員總是會拿勞侖茲的「蝴蝶效應」來作為塘塞之詞。

但對於從觀測數據到預測未來而言,「差之毫釐,失之千里」或許是最氣象預報而言簡單而貼切的說法。或許子彈剛發射出去僅僅差不到1 mm的誤差,到了數百公尺外,就會放大到數十倍以上的誤差,對於所謂的一週預報來說,七天後的預報,不準其實是正常的。

舉個例子,2015 年國研院颱洪中心也發布了下方這張圖,說明模式預報的不確定性,同一颱風會有可能會導致截然不同的路徑結果。圖中三角形點是指 8/21 的颱風位置,編號 1 為 8/11 日的預測結果、2 為 8/12 的結果……以此類推,所以 10 天內的預測,每天都修正超多,代表著超級不確定性。

圖片來源:國研院颱洪中心臉書
圖/國研院颱洪中心臉書

「氣象存在著渾沌(Chaos)的特性」是一個必須要強力宣導的概念,因為在勞侖茲發現大氣渾沌特性之前,大家都認為我們靠著學理和統計,就可以很準確的預測天氣,只要電腦運算速度提升,人人都能成為氣象專家;只是實際上就連千分之一的誤差,都會讓計算結果截然不同。附帶一個複擺的實驗,它是很容易說明渾沌現象的實驗,即使初始值十分接近,但只要有一絲絲誤差就會讓結果差很遠,

 既然無法完全準,那幹嘛預測?幹嘛花錢買超級電腦?

那「為什麼只有百分之百準確度才有意義呢?」我們來看看103年國中會考的第一題:

會考

這題降雨機率,根據政府資料開放平台的數據,這題有 8 成 6 答對率,是整本答對人數最多的一題。基本上你看到降雨機率 30% 和 70% 時會做的防雨準備就該不一樣了,甚至取決於你要求做什麼事能接受的「風險」,譬如假如有30%會下雨,雖然機率不高但仍可能降雨,活動能辦是能辦,但沒必要不做雨備跟老天賭不是嗎?

接下來我們談這類的「降雨機率」或是「數值預報」是怎麼來的,它包括統計(就是過去相同數據和天氣模式下有沒有降雨的紀錄)、分析(利用更多數據去建構未來天氣變化可能性的模擬)、研判(專業人員從學理上來判斷)的綜合結果。

超級電腦的用途就是在統計與分析時,能處理更多數據的能力。超級電腦只能讓我們運算時能以更複雜、細微的模型去了解未來的不同可能性,讓我們的預測盡可能的「接近」真實結果,然而再怎麼樣都只是「接近值」,由於大氣的渾沌特性,要做到百分之百的預測是完全不可能的。 

但「盡可能的縮小誤差」、「盡可能的提供信賴度高」的預報,一直都是各氣象單位的目的,《祛除氣象預報的迷思》一文就在強調這點,速度快 100 倍的電腦並不會準 100 倍,而是讓我們會有更多可以互相佐證的數據。當然電腦快有好處,只是很難量化,也很難說清楚而已。

為什麼日本美國都會預測的比較準?因為錢多還是科技高嗎?

錢多是事實,台灣颱風論壇的賴重祐先生就撰文比較過台日的氣象預算差異,或許從預算除以國土面積會覺得台灣拿這樣的錢應該也要做出一樣或更好的水準,但我必須要說,可能我們需要預報的國土面積小,但大氣可不是像一堵牆一樣有邊界的,你跨出島外或是幾海浬外就一定不受島內天氣影響嗎?沒人敢說,在進行長期預報時,必須針對大範圍尺度的大氣運動進行計算分析,要算台灣未來一週的天氣也需要中國大陸、日本的資料,需要更大範圍的衛星雲圖,難度可不會因為你只要預報台灣就少很多,這時再來看預算和擁有衛星數量,還會覺得氣象局錢領多不做事我也沒辦法說什麼了…

所以氣象局報不準就可以裝死嗎?氣象法是要讓氣象預報變一言堂?

這也是我常看到的問題,報不準當然不能裝死,但就像我前面提到的,「如何定義什麼叫報不準」其實沒有具體的說法,而在天氣多變的情況下,你要氣象局「統計自己的預報失準率」,無疑是要斷死自己的後路,因為不準的原因可能有:

  • 某些季節如春季,氣候多變化本來就超難預測。
  • 特殊很少發生的極端氣候事件。
  • 預報員經驗不足。
  • 對於數據解讀太過保守(高估災害事件、低估一般事件)。
  • 其它人為失誤。

問題就在於要把上述原因整合統計資料,如果把原因歸納在前兩項,要怎麼說服立委諸公、一般大眾,在不懂的人看來你用前兩個當結論就是在黑箱啊!然後我們又能容許多少極限的失誤,以目前公務體系的規範下,要執行這樣的天氣預報成效統計,只會讓更多研究或預報人員花更多時間寫報告而不做自己該做的專業事情。

我的看法是,最好還是多加宣導某些天氣情況難以預測、逐時預報的好處,或是逐步引入國外加上「信賴度」表示的方式說明預報的結果誤差範圍。像是要告訴大家春季多變化就可以利用不同季節預報準確度的數據給民眾參考,這樣會比較有實質意義。以日本氣象廳而言,就經常能看到以下的情況,一週預報信賴度由 A~C 等級,即使是七天後的日子,如果是 A 等級的準確率,就可以把那個結果當成是前一天的預報也無妨,如果是 C 等級,那代表著就是還有一定的誤差存在。如果有這樣的資訊,或許就能告訴大家,其實要在這天考量天氣情況時要特別注意不確定性的風險,當然,要落實這樣的預報也要有一定程度的宣導才有效果。

圖片截自日本氣象廳官網
圖片截自日本氣象廳官網

至於氣象法,蠻常聽到有人靠邀說這個是只準州官放火的法令。但在104年有修正過放寬法令,讓民間單位(如天氣風險管理公司)也有適度預報的權限,只是需要「獲得許可」與「證照」,在台灣像是天氣風險與管理公司就有許多取得證照許可的預報人員,我想氣象法的用意並不是讓氣象預報變成一言堂,只是希望預報氣象這件事能夠回歸專業,並避免過度詮釋氣象預報資訊造成民眾恐慌,要是希望一言堂的話那也不會再修法調整了。當然氣象法還有一些執行上可能會出現的 bug,但這不在本文想討論的範圍,就暫時先跳過了。

至於國外的預報呢?氣象法當然管不到那個地方,只是你要是硬要把國外預報的結果拿來跟國內的比,還要比較準度,似乎有點立足點不公平。外國單位預報台灣的氣象是給他們自己看的,用的資料也不會比我們多,計算的模式也不同,是要怎麼比?

談完氣象預報的部分,再來談談媒體角色

從科學傳播的角度來看,氣象預報與民眾的距離就是一種典型的「資訊不對稱」,除了預報結果的資訊,也包括了背景知識的資訊。有些科學記者可以理解氣象預報的極限以及預報結果的不確定性,但也有許多是站在以為自己理解,卻是一知半解的角度看這件事,甚至我也有看到「既然是公務機關,報準,應該;不準,納稅義務人抱怨很正常。」言論,很正常不代表很合理,因為本來就沒有百分百準。媒體引用網路上的資訊與留言報導,看似在發揮監督政府的力量,但卻在背景知識不足的情況下對政府先提出質疑,其實除非從教育大眾的角度出發,否則還真難回答啊!

而另外也聽到一些聲音,認為官僚與機關文化導致預報員會過度保守而忽視科學結果,我覺得僅僅對了一半。為什麼?因為人家要對上級負責、對立院負責的情況下,實務經驗的確會佔很大比重,若要檢討這件事,我想就要先分清楚當預測失準時發生時,原因會有天然與人為因素,但實務上要怎麼分?既然非專業人士無法畫分,那是不是需要專家來協助?直接說誰打臉誰這樣真的恰當嗎?真的有盡到彌平民眾和政府資訊不對稱的落差嗎?從這個角度回來看氣象法,也不難理解至今為何無法完全開放氣象預報了,因為只選擇性的懂一部分,比完全不理解還可怕啊!

沒有說氣象局不用改進,改進是必要的,只是對於氣象預報的誤解,無知的一方也需要主動了解、擁有資訊的一方(氣象局)也該要有更積極的科普宣導。像是最簡單的「晴時多雲偶陣雨」,民眾會問到底是晴、多雲還是雨?但實際上應該是「大多時候應該是晴天,但因為水氣多有時會多雲,偶爾會突然下短暫的雨,會外出朋友還是要帶個雨具以防萬一!」這樣調整說法,不是稍微清楚一點了嗎?誰可以做?氣象局和播報氣象的媒體皆可!

結語:我自己怎麼利用氣象資訊的?

看不同的氣象預報結果,了解不同的分析來評估風險,原意是一件好事,只是拿這種東西的比較作為新聞,會有一種「沒事聊,只好聊天氣」的感覺。多半時間在早上出門前才會看氣象預報,接著再考量今天的衣著,可能看手機內建也可能看氣象局的資訊,原因是我認為越接近的時間,準確度會稍微提升;有時不確定也會看看窗外的天氣,某段時間真的很怕遇到突然的強降雨,就會去找雷達回波圖來看……雖然不是每個人都能解讀一般氣象預報以外更深入的資訊,但或許也可以試著重新思考看看,在沒有百分百完美,但多數時仍準確的預報資訊下,如何運用 & 使用氣象預報資訊,才是對自己最有幫助的?

 

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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