专家谈｜混沌理论与天气预报

1963年美国著名学者爱德华·诺顿·罗伦兹先生提出了混沌理论(英文chaos theory)，所以他被学术界誉为“混沌理论之父”。60年来，混沌理论确定了偶然性和复杂性在自然科学、社会科学和交叉科学领域的重要地位；目前它的应用范围（尤其气象学）越来越广泛，已成为当今世界十分重要的科学理论。

      混沌理论是关于系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对不规则而又无法预测的现象及其过程的分析。这一理论隶属于非线性科学，只有非线性系统才能产生混沌运动。所谓非线性是相对线性而言的；线性是指量与量之间的正比关系，在线性系统中，分量之和等于总量，遵循叠加原理，而非线性则刚好相反，分量之和不等于总量，不遵循叠加原理。非线性是自然界复杂性的典型性质之一，是一切物质运动的普遍规律。
      混沌理论认为，在客观世界中，有一个与有序对应的另一种形态和结构的世界，其特征是非线性、混沌无序的。这一理论的创立是人类在认识大自然中的不规则性方面的一个举足轻重的突破；它的最大贡献是用简单的模型获得明确的非周期结果。混沌理论与相对论和量子力学同被列为20世纪的最伟大发现和科学传世之作。量子力学质疑微观世界的物理因果律，而混沌理论则紧接着否定了包括宏观世界拉普拉斯式的决定型因果律。
     混沌理论所研究的是非线性动力学混沌，目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律，以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律。罗伦兹先生曾经做过一个形象的比喻：一只蝴蝶在巴西丛林扇动一下翅膀会在美国得克萨斯州引起一场龙卷风，这就是蝴蝶效应；而蝴蝶效应与分形结构和奇异吸引子是混沌理论的三个重要概念，它们都是反映混沌系统运动特征的产物，也是混沌系统中无序稳态的运动形态。混沌理论的研究不仅具有重大的科学意义，而且具有十分广泛的应用前景。
    在气象学领域，天气预报逐日预报的可预报时限大约是两三周左右的时间。混沌理论认为，人们试图作出准确的长期天气预报是不可能的。在近年的气象研究中，利用混理沌论进行中期预报的研究。由于气候系统是非线性系统，其初值问题的数值解是不确定的，而且数值解是在一定条件下通过某种近似计算得出来的；因此研究气候状态的特征就要研究混沌态的特征，研究气候系统的演变机制就要研究混沌态的变化。在这些研究中使用的数学工具主要是分形结构，如分数维、标度指数、功率谱指数和李亚普诺夫指数等；利用这些数学方法分别考察、分析气候状态变化。
    在天气预报中，预测的结果出来需要至少五个步骤，即先由我国各地的气象站每天定时观测并记录下气温、气压、风向、风速、湿度等气象数据；再把气象数据按一定的规定，格式填在地图上，形成预报用的天气图，同时将数据输入计算机，通过方程组进行大量复杂的计算，得出的结果称为数值预报产品；接着，结合各地的数值预报产品，以混沌理论为指导和数值分析预报产品为基础，对天气图、卫星、雷达资料和其他气象信息进行综合分析，得出预报结论；其间，随着新的探测和观测资料数据的加入，不断进行新的计算，修正之前的预报结论，并向社会发布。
    天气预报是十分复杂的科学问题，从技术层面来说，是不可能达到100%准确的。一方面天气系统是非线性的系统，根据混沌理论，天气预报不可能做到100%准确。另一方面，地面气象观测站的空间间隔较大，分布不均，一些中小尺度的天气现象，比如雷暴、冰雹、干旱、龙卷风等常常成为“漏网之鱼”。当前，各类天气预报信息五花八门，而且预报信息不一，准确性难保证，这些问题亟待解决。
    1987年5月，我国著名学者周海中先生在学术讲座《混沌理论及其作用》中指出：“混沌理论的应用会越来越广，混沌理论的作用也会越来越大；尤其这一科学理论在气象学中的作用，它最终会成为社会发展和进步的力量之一。”后来事实证明了他的预见是正确的。
    今年是混沌理论提出60周年。前景可待，未来可期；特撰此文，以示纪念。
    文/范薇、阮芳(作者单位分别为江南大学、汕头大学)
(责任编辑：佚名)