科學大院：疫情之下，天氣預報也會受影響？
【文/王素】
隨着新冠肺炎疫情在全球範圍內的擴散和蔓延，截至2020年4月20日22時左右，全球累計確診病例已經超過了240萬。為了防控疫情，各國紛紛減少了航班數量，3月底就已經有近60家航空公司停飛所有航班（3月26日澎湃新聞報道），使得很多人的出行受到了影響。
（圖片來源：東方衞視）
但是，你知道嗎，飛機不飛了，天氣預報也會受影響哦~
飛機：我是僅次於氣象衞星的存在
飛機跟氣象有啥關係？在21世紀，天氣預報的準確程度依賴於越來越精細詳實的氣象數據，這不早就被衞星和地面雷達兩者“拿下”了麼？就算需要飛機觀測高空數據，不是有現成的氣象飛機麼，什麼時候跟商用飛機也扯上關係了？
你想得太簡單啦！
其實，受到複雜地形和探測設備維護的限制，在高空、高原、沙漠、海洋等人跡罕至的地方，氣象站點稀少，地面雷達難以部署，氣象探測資料本就十分缺乏，更別提高空氣象探測資料了。而探空氣球、氣象火箭和氣象飛機每次出場都是價格不菲，更顯得獲得的資料彌足珍貴。但是，要想實現覆蓋範圍更廣、預報更準確的天氣預報，這些數據又必不可少。怎麼辦？
中國國家級地面氣象站分佈（圖片來源：中國氣象局）
航空公司氣象數據的加入幫了大忙。可以説，民航飛機提供的氣象數據的重要程度，僅次於氣象衞星。目前，絕大部分民航飛機都安裝了相當先進的氣象設備——機載多普勒氣象雷達（WXR）。它是飛行安全的“一把手”，是漫漫飛行路上的千里眼、順風耳，也是氣象數據的重要來源。
“藏”在機頭雷達罩內的機載氣象雷達（圖片來源：NASA）
飛機上的氣象雷達都能看見什麼？
1842年，奧地利物理學家J·C·多普勒發現，當波源和觀測者有相對運動時，觀測者接受到的波的頻率和波源發來的頻率不同，波源和觀測者相互接近時，接受到的頻率升高；兩者相互離開時，則降低。這種現象被稱為多普勒效應。
多普勒效應示意圖
根據多普勒效應，電磁波遇到不同障礙物被反射回的信號強弱及電磁波頻率不同。正是利用了這一特性，通過調整天線角度，駕駛員可以把收到的信號以彩色回波圖的形式呈現在小小雷達顯示屏上，即使在雲內能見度很差的情況下也能夠從容地“觀天探地”。
不同角度的雷達顯示結果。右上圖天高雲淨，右下圖“雲層密佈，風雨交加”，雷達回波圖中黃色到紅色回波覆蓋的區域表示有中到大雨。
不同於靜止的地面，高速移動的飛機會遇到很多突發情況，特別是中小尺度天氣系統。這可是災害性天氣研究的“熱門選手”。
顧名思義，中小尺度天氣系統水平範圍較小，生命週期較短，氣象要素的水平變化十分劇烈。一般把水平範圍在幾百米到幾十公里，生命期只有幾十分鐘至二、三小時的天氣系統，稱為小尺度天氣系統，例如積雨雲、龍捲等；而將水平範圍為幾十至二、三百公里，生命期約一到十幾小時的天氣系統，稱為中尺度天氣系統，如颮線、雷暴等。它們在回波圖上都表示為“小葱番茄蛋花湯”的顏色。
一次雷暴雲的雷達回波動畫顯示（圖片來源：中國民航網）
而飛機前方可能出現的降水、湍流（使飛機強烈顛簸）、強風切變（風切變是在很短的距離範圍內，風速或風向，或兩者一起發生急劇變化）等就是中小尺度系統，再加上危險地形，就是飛行安全的最大敵人！只有實現實時探測，才能幫助機長避開一切艱難險阻，順利到達終點。
中小尺度系統移動速度快，破壞能力強。利用傳統氣象資料難以揣測它們的想法，更別説預測它們下一秒要往哪裏去。而機載多普勒雷達的出現提供了這樣的可能！比如影片《中國機長》裏的機長在千鈞一髮之刻，從可怕的雷暴雲裂縫中成功穿越，靠得就是機載氣象雷達的幫助。
當氣象雷達出現故障時，後果不堪設想。2009年5月30日，法國航空447號班機在飛往法國巴黎的途中不幸遭遇強風暴，由於氣象雷達機械故障和其它原因，最終乘客216人、機組成員12人無一生還。
大西洋中漂浮的447殘骸（圖片來源：路透社）
氣象雷達另一鮮為人知的使命，誕生於雷達接收和發射信號一體化的設計中，通過電子開關在發射和接受狀態之間迅速切換，可以實現信號高效輸出。
在大數據時代，藉助於地面雷達的配合和通信系統（航空上稱之為ADS-B系統）配合，在自動蒐集和處理飛行中的大氣數據（例如温度、濕度、氣壓等）後，機載氣象雷達能以報文的形式自動傳送到地面站，及時提供給氣象部門使用。我們稱為“飛機報”。
ADS-B系統的簡化示意圖（圖片來源：廣州銀迅）
早在2004年，中國民航局就與氣象局簽署了空器氣象資料下傳合作協議，這些分鐘級的高時空分辨率的實測數據，極大地豐富了我國現有的實時氣象資料庫，對提高氣象預報的準確率、氣象服務的能力和水平都做出了巨大的貢獻。反之，也幫助民航飛機飛得放心，飛得舒心，不可不謂是“double win”的完美局面！
簽署協議現場（圖片來源：中國氣象網，莊白羽攝）
這次，全球的氣象觀測可能受到重創
為什麼説本次疫情影響了全球的氣象工作者？
這就不得不提到一個龐大的組織——WMO，世界氣象組織。在其發起的全球觀測系統（193個會員國和地區向其公民提供的所有天氣與氣候服務及產品的支柱）中，有這麼一個子系統——飛機氣象數據中繼計劃(AMDAR)，主要用於收集全球氣象數據並進行應用。每天的天氣預報，氣候監測和預測、災害預警它都出了不少力。
同時，它也是歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ABOs(基於飛機的大氣觀測計劃)的主要數據來源。ECMWF研究結果顯示，AMDAR是改善全球 24 小時 NWP 預報的第四重要觀測數據集。在這個系統中客班航機做出了卓越的貢獻。飛機報對降低預報誤差的貢獻僅落後於三個從極軌衞星獲得的數據集，超過了 GPS 掩星資料（GPS-RO）、探空資料（TEMP）和地面天氣報告（SYNOP）！
在過去20年裏，ECMWF每天使用的飛機報數量大幅增加（圖片來源：ECMWF官網）
疫情發生之前，全球每天能夠向該系統提供超過70萬條高質量數據，然而由於航班的急速減少，全球飛機報減少了40％以上，3月以來 ECMWF 收到的歐洲飛機報甚至比平時減少了 65％ 。這可真是愁壞了全球的預報員們。面對4月活躍的北半球風暴，在數據減少的情況下儘量不降低模式預估的準確性，幾乎是不可能的任務。
全球 AMDAR飛機報數量在2020年3月呈現斷崖式下跌。數據由 EUMETNET 提供（圖片來源：WMO官網）
受影響的不止是飛機觀測數據……
雪上加霜的是，在許多發展中國家，地基氣象觀測仍未完全自動化，仍然依賴氣象觀測員手動進行的觀測，並傳輸到國際網絡。最近，這類人工觀測資料也有顯著下降，WMO認為可能部分原因是受到疫情形勢影響，而地基觀測資料的持續減少可能也會降低預報的可靠性。
“氣候變化產生的影響仍在持續，與天氣相關的自然災害也在增加，而新冠肺炎疫情帶來了額外的挑戰，並可能使一個國家面臨多種災害的風險加劇。因此，儘管出現了新冠肺炎疫情危機，各國政府仍須重視本國的預警和天氣觀測能力。” WMO秘書長佩特里·塔拉斯如此説到。
面對這場席捲全球的病毒爆發，沒人能明哲保身；面對越來越頻繁出現的極端天氣，沒人能獨善其身。氣象人正肩負着自己的責任，默默前行。希望在全球人類的共同努力下，我們能早日控制住病毒，也希望在同一個地球上，我們早日學會敬畏自然。
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