香港的短期降雨預報

· Irwin、Harry、Downey

四月份香港天氣反覆,時晴時雨。有指春夏之間天氣難測是理所當然,將責任歸咎於天文台是極不公平,盲目指責乃不負責任;而另一方則認為天文台應檢討現行天氣預測的用詞和提升準確度。究竟天文台在預測降雨時有甚麼限制?天文台的預報又有沒有改善空間?

2016 年 4 月,天氣不似預期,香港遇過多場始料不及的大雨和雷暴,也出現過意想不到的好天氣。民間形成了兩種截然不同的意見:本站較早前做了一個非正式的統計,在超過 700 名讀者表態過後,有接近八成表示不滿意香港天文台的表現,滿意的則有一成多。有人質疑天文台儀器落後,亦有人解釋以現時科技水平來説已經十分準確。而事實又是否如此呢?

就短期暴雨預報的表現,接下來讓我們一起探討天文台較常用的臨近預報系統,研究並討論一下該系統的優劣。

「小渦旋臨近預報系統」

臨近預報 (nowcast) 是指針對未來數小時的天氣變化作出預測,主要用來應付大雨、閃電、冰雹,以及雷暴陣風等惡劣天氣。由於惡劣天氣影響範圍小,而且變化急速,所以臨近預報的運算需要有極高的精確度和及時性。

香港天文台從 1999 年起自行開發並運行一套臨近預報系統,名為「小渦旋」(Short-range Warnings of Intense Rainstorm of Localized Systems,簡稱 “SWIRLS”) [1]。要了解「小渦旋」的運作原理,我們可以先玩一個小遊戲。大家能從下面第 (1) 和第 (2) 幅圖像,猜猜第 (3) 幅圖應該是甚麼?

簡單來説,「小渦旋」的運作原理就像上面的小遊戲,它會分析連續兩次雷達掃描回波的數據,然後計算出降雨區域的移動方向及速度。以上面的圖像為例,綠色方塊就正在向右下方移動。

分析過整個區域的雷達回波移動情況後,「小渦旋」會根據每一點的移動方向和速度向外推演,計算出未來數小時的雨區位置及降雨量。天文台便可利用計算結果,製作各種預報產品。

「香港降雨臨近預報」

香港降雨臨近預報」是由「小渦旋」系統所自動運算出來的產品之一,不經人手修訂,目的是第一時間為市民提供最新資料作初步參考。根據天文台的在 2011 年的預報驗證結果,首半小時正確檢測到雨區的機率約為 76%,兩小時後只有 40%(見圖表)[2]

換句話説,就是臨近預報的時間越長,準確度則越低,參考價值也隨之而下降。

優點

由此可見,「小渦旋」的最大價值是超短期暴雨的發展和演算結果,天文台可以參考暴雨對香港各區的影響和預計雨量,決定應否發出暴雨警告。這正正也解釋了為何天文台有時能在大雨來臨前半小時,發出預警式黃色暴雨警告,「小渦旋」功不可沒。

「小渦旋」自 1999 年發展至今,已進行多次改善及更新,現時已發展至稱為 “ROVER” 之第三代系統 [3],比起 2010 至 2013 年所使用的第二代系統更能捕捉到降雨量隨時間的變化,有助暴雨的預測工作,進一步減少誤差。

缺點

每個數值預報系統工具最重要的是起始數值的可靠性。根據蝴蝶效應 (Butterfly effect),只要從雷達回波數據得來的初始場稍有偏差,整個運算的誤差便會隨着時間擴大,變得越來越不可靠。

由於從雷達監測得到的資料並非百分百準確,除了偶爾會收集到並非來自雨區的雜訊,也無法兼顧低層雲帶的發展,導致演算結果中有相當的誤差。

此外,雨帶實際上並不會以固定速率增強及減弱,單憑過去的雨區移動方向及速度,將無法確實地判斷未來的走勢。而且,視乎大氣的條件,雨區更可能「無中生有」,例如一些突如其來的本土對流活動爆發,並不容易以過去的數據所推演出來,「小渦旋」在運算上的確存在盲點。

上文提過,兩小時後的暴雨預報是臨近天氣預報中最弱一環:按第二代「小渦旋」系統的數據,誤警率達 63%,而命中率卻只有 40%。換言之,即使「小渦旋」預計兩小時後會有大雨,最後大雨卻有六成機會落空;而又有六成的機會下,大雨會無聲無息地降臨。

總結

天文台自行研發的「小渦旋」系統無疑為臨近天氣預報提供了不少的方便,但礙於技術所限,仍有改善空間。在科研人員努力付出、提升預報系統的同時,演算結果和實際天氣之間的落差,只能靠有經驗的預報員以人手彌補。

天文台作為香港本土的官方氣象機構,比普通市民及氣象愛好者擁有更多資料、資源及知識,理應能利用電腦計算結果作出專業的分析和判斷。一旦預報與實際情況有異,市民將會對天文台失去信心,預報員的專業知識和經驗更會受到挑戰。

希望雨季餘下的日子,天文台可以改善天氣預測的描述方式,在天氣預測有大幅度改變時,向大眾多解釋最新的變化,市民也樂於看見天氣預測更趨準繩可靠。

後記

「臨近天氣預報」只能針對未來數小時的天氣變化作預測。然而,預測一日以上或更長遠的中期天氣,還是需要用人手去分析各個數值預報模式運算結果,再因應大範圍天氣的影響和變化,才能作出實際的天氣預報。

如果反應良好,我們日後可繼續探討天文台中期天氣預報的表現。

參考資料

  1. 「小渦旋」臨近預報系統
  2. 公眾定點降雨臨近預報服務
  3. 利用增強的光流變分法 為香港地區春季颮線作臨近降雨預報