錢維宏

北京大學物理學院

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每年夏秋季節，臺風總會如約而至，帶著強大的能量和神秘的氣息，給沿海地區帶來巨大的影響。它就像是一個“巨無霸”，讓沿海地區的人們既敬畏又頭疼。臺風的路徑和強度變化多端，有的按部就班走直線或規則的拋物線，有的卻突然急轉彎；有的慢慢變強，有的卻一夜之間“長大”成超強臺風，甚至在接近登陸前迅猛增強。這些臺風“調皮”的行為，正是科學家們所說的“路徑異常”和“強度突變”，也是日常臺風預報中最難啃的“硬骨頭”。

2025 年7月6日，中國科協年會將“臺風路徑異常與強度突變”列為十大重大科學問題之一，關注的正是臺風生成及生成之后的強度、結構和路徑之間的相互作用機制，也給氣象學家們發出了攻堅克難的號召。今天，我們就來聊聊一個能“看穿”臺風小心思的新方法[1]，看看它是怎么讓臺風的“小動作”無所遁形的。

1. 臺風為啥這么“難猜”？

臺風可不是隨便亂逛的。它的生成、移動、強弱變化，背后藏著大氣里溫度、濕度、風向等各種因素的“暗箱操作”。傳統的天氣預報，就像看著一堆復雜的“天氣密碼”猜答案，常常摸不透臺風的“脾氣”，使預防處于被動狀態。

比如 2010 年的“鲇魚”臺風，大家本來都預報它會西行直奔海南島，結果它在南海突然向右急轉彎，一頭扎進了福建沿海登陸[2]；2012 年的大西洋颶風“桑迪”更夸張，兩次突然變強，還兩次左轉，最后突襲美國紐約，造成巨大損失[3]。這些臺風的“反常操作”讓預報員頭疼不已：明明看著前路通暢，臺風為啥突然變道？明明感覺它遇到地形“沒勁”了，為啥又突然“滿血復活”增強？

2. 換個角度看臺風：原來它只是個“擾動”

科學家們發現，想弄懂臺風的“怪脾氣”，得換個思路看天氣。我們可以把每天的天氣分成兩部分：一部分是“基準線”，另一部分是“偏離值”[1]。

“基準線”叫“瞬變氣候”，就像過去 30 年里，同一時刻（比如每年 8 月 15 日早上 8 點）的平均天氣狀態。這是太陽、海洋、陸地“商量好”的常規狀態，比如夏天海洋上常有的暖濕氣流帶、固定的風帶，都是這個“基準線”的一部分。

而臺風、暴雨這些“異常天氣”，其實是偏離“基準線”的“擾動”——就像我們的體溫，37℃是基準，發燒就是“擾動”。用這個思路，臺風就不再是一個孤立的“大家伙”，而是大氣里的一個“擾動系統”。科學家們畫出兩種圖：一種是“基準線”的“瞬變氣候圖”，一種是“偏離值”的“擾動天氣圖”[1]。對著這兩張圖，臺風的秘密就藏不住了。

3. 看氣候和擾動圖，識破臺風的“成長記”

3.1. 第一步：臺風從哪兒來？

在“擾動天氣圖”上，臺風的“胚胎”（初始擾動）很容易找到。它們大多出現在“瞬變氣候圖”里的暖洋面、季風槽或信風氣流匯合帶上——這些地方就像臺風擾動的“育兒房”，有充足的暖濕空氣和動力，適合“擾動”慢慢長大。

3.2. 第二步：臺風為啥變強變弱？

臺風長大之后，強度變化主要看三個“幫手”或“敵人”：

3.2.1. 氣候“基準線”的“補給”：如果臺風沿著氣候“基準線”里的暖濕氣流帶移動，就像走在“能量補給線”上，會越變越強；

3.2.2. 其他“擾動”的“互動”：如果周圍還有其他臺風或低壓系統（也是“擾動”），它們會像跳圓圈舞一樣相互拉扯（這叫“藤原效應”）。離得近了，可能合并成一個更強的臺風，路徑也會突然拐彎；

3.2.3. 地形的“阻攔”：一旦登陸，遇到山脈等地形，臺風就像撞到了“墻”，暖濕空氣被切斷，強度會迅速減弱，形狀也會變得歪歪扭扭。

3.3. 第三步：臺風往哪兒走？

傳統預報方法總說“臺風跟著 5 千米高空的風（引導氣流）走”，但擾動圖告訴我們：臺風其實跟著自己“最強點”所在高度的“基準風”走。這個“最強點”可能在 10 千米高空，也可能在 5 千米，位置會變——就像一個人被他人牽著繩子走路，繩子需要系在重心的位置上。這個重心高度會隨著臺風的強弱而變。

比如2010年的“鲇魚”臺風，在傳統天氣圖上，北邊的高壓脊像一堵墻，看起來它只能往西走向海南島和廣東西部；但在擾動圖上，科學家發現中國大陸上傳統天氣圖的小槽線，在擾動天氣圖上是一個“擾動渦旋”，它和“鲇魚”像兩個相互吸引的磁鐵，在擾動系統“藤原效應”下，“鲇魚”突然右轉，最后和這個擾動渦旋合并增強，奔向福建[2]。

4. 新方法能讓預報提前 5 - 6 天！

用“擾動天氣圖”看臺風，預報員能提前 5 - 6 天發現臺風可能的“異常操作”。比如2012年的“桑迪”颶風，在擾動圖上能提前 5 - 6 天清晰看到它周圍有兩個“擾動渦旋”：第一次在熱帶海上與西邊的擾動渦旋發生左轉合并和突然變強；后來又遇到另一個擾動渦旋，再次左轉變強后登陸紐約——這些信息在傳統天氣圖上很難被提前發現[3]。

更厲害的是，科學家還能給天氣預報模型“換操作系統”：不用傳統原始方程模式計算復雜的“全天氣數據”，只算“擾動值”（因為“基準線”是固定的強迫，不用預報）。這樣一來，模型更簡單、更精準，能突破傳統模式操作系統對極端天氣“最多預報一周”的限制[4,5]。即使用簡單的模型也能清楚地看到，臺風路徑既受到最強高度上瞬變氣候氣流的引導作用，也與周圍擾動系統相互作用[2]。

5. 為什么這個方法很重要？

臺風帶來的暴雨、狂風、風暴潮，每年都會威脅沿海甚至內陸地區的安全。如果能提前幾天看穿它的“異常路徑”和“強度突變”，就能更早轉移人口、加固設施，減少損失。這也是中國科協把它列為 2025 年十大重大科學問題之一的原因和表達的緊迫性。

每天的全球海洋上都有不斷變化的臺風活動。在日常氣象服務中，對遠洋航運和民用航空來說，提前知道臺風會不會“跑偏”，能及時調整航線；對海洋國防來說，精準的臺風預報也是保障國土安全的重要一環。總之，盡快解決這個難題是關系到國計民生的大事和需求。

就像古人靠 24 節氣掌握季節規律，這里介紹的新方法也是在“天氣基準線”上看擾動系統的變化——順著自然的基本物理規律，找擾動系統不規則變化的答案，或許是解開臺風路徑和強度異變秘密的關鍵。

6. 未來展望

未來，隨著這個物理分解方法的完善和被機器學習所掌握，臺風的“調皮”行為會被氣象學家認識，也會被新發展的擾動方程模式做出提前幾天的強度和路徑預報[4,5]。畢竟，再狡猾的臺風，也敵不過人類對自然規律的不斷探索呀。到時，中國科協發布的 2025 年這一重大科學難點和挑戰問題也就解決啦。

參考文獻

[1] Qian WH (2017) Temporal climatology and anomalous weather analysis. Springer Atmospheric Sciences, 687 pp. Springer ISSN 2194 - 5225 (electronic), DOI 10.1007/978 - 981 - 10 - 3641 - 5.

[2] Qian WH, Shan XL, Liang HY, Huang J, Leung C (2014) A generalized beta - advection model to improve unusual typhoon track prediction by decomposing total flow into climatic and anomalous flows. J. Geophys Res - Atmos., 119: 1097–1117.

[3] Qian WH, Huang J, Du J (2016) Examination of Hurricane Sandy’s (2012) structure and intensity evolution from full - field and anomaly - field analyses. Tellus - A 68: 29029.

[4] Qian WH, Du J (2022) Anomaly format of atmospheric governing equations with climate as a reference atmosphere. Meteorology 1: 127–141.

[5] 錢維宏 (2020) 真實世界：宇宙和地球大氣中的結構與擾動. 江蘇鳳凰科學技術出版社.

來源: 錢維宏