(完整版)天气预报蕴含的哲学问题-陶祖钰

• CAPE（对流有效位能）CIN（对流抑制能量）
• 正面积、负面积——抬升凝结高度，自 由对流高度；
• 各层的温度、露点（湿度）
• K指数、沙氏指数、总指数、强天气威胁
指数、抬升指数…… • 对流凝结高度、对流温度；
预报因子 的独立性
The “Loaded Gun” sounding “装满弹药的枪” 探空型•绿低色空箭非头常所潮指湿为（
• 纽约和伦敦交易多种衍生性金融商品，芝加哥营业厅 独立交易员。
• 2001年2月成为衍生性金融商品交易战“略名人堂一员。
• “9 11”之前大量买入行权价格很低，看似毫无价值的认沽权证，
用一种独特的方式做空美国股市，直到恐怖分子劫持飞机撞向纽约世贸大楼，由 此获利丰厚，一举成名。 • 此次美国次贷危机爆发之前，他又先知先觉重仓做空，从中获利几百万美元。 • 他的上一本畅销书《黑天鹅的世界》（fooled by Randomness）以30种语言出版。
• 时间因子：春节前农民工返乡 • 社会因子：铁路电气化
对于每一个独立因素而言，它的作用是 确定的，有必然性。但是每一个因素的 出现具有偶然性。 对立的统一
透过现象看本质：华南准静止锋，长波 频散
似是而非：冬行夏令，冷垫、暖舌（暖盖），……
郴州（26N）：
锋区上界830hPa，下界900hPa
0℃线
莫斯科大火——北京高温少雨 二者有无关联？
• 莫斯科大火——东欧阻塞高压— —西西伯利亚大槽——大陆副高
（新疆、青海、陇南、陕南洪水；舟曲泥石流； 蒙古华北高温少雨）
• 大气长波 • 答案：有点关联
哲学问题：现象和本质
莫斯科 高
新疆
7月500 hPa平均图
高 7月和8月500 hPa平均图
本质联系
• 2008年8月25日上海徐家汇，7时至8时 1小时雨量 达117 mm，9月20日又一次过百，在郊县
必然性和偶然性的辩证关系 哲学问题：对立的统一
一、必然性总是通过大量的偶然 性表现出来，由此为自己开辟道路，没有脱离偶
然性的纯粹的必然性；
二、偶然性背后隐藏着必然性并 受其制约，没有脱离必然性的纯粹偶然性；
2
现象和本质问题
何谓“哲学”？（几种说法）
• 认识世界、揭示本质 • 科学中的科学，艺术之母 • 思考的方法 • 本初问题（本源问题）
• 刨根问底（宇宙、人类、思想、生 死、社会…….）
哲学
为何要学哲学？
• - 自然辩证法恩格斯
是智慧， 是幸福
- 形式逻辑（前提）（李天命，小李飞刀，香港中文大
学哲学教授，讲授数理逻辑）
与预报员谈谈
天气预报中的哲学问题
（感悟，有错请随时指出）
从2008中国冰雪
——2010俄国大火
从大灾难谈起
陶祖钰 北京大学物理学院，大气和海洋科学系
taozuyu@pku.edu.cn
2010年8月（11月24日，12月12日修改）
天气预报很有意思
与天奋斗， 其乐无穷
• 千变万化 • 永无止境 • 自然美
径向速度分量反演风矢量
实际
• 风矢量＝径向速度＋切向速 度
• 点对点：理论上不可能
• 场对场：实践上可能，但有 代价（假定_理想状况)
• 均匀风_VAD全场→点
• 局地均匀_VAP, UW局部速度场
→点风矢量 付出代价：降低分辨率
• 线性风_VVP，代价？
• 涡旋，…… 随意假定，数学
上似乎在深化
数学和物理的关系
2812Z 沿110E剖面 J
冷气团
急流强度大 锋面坡度小
锋面、急流、波动
动画
红外云图27~30日
动画 250 hPa流线和风速
扰动源：欧洲阻塞高压东侧南下至地 中海；频散到高原南侧
黑天鹅事件 一定是多种因素共同作用的结果
• 气象因子：冻雨——华南准静止锋强——大气环流稳 定—— 100年一遇（天气气候学意义上是熟知的）
• ——的发生是有迹可循的； • ——在一定程度上是可预测的；（对
少数情况，少数人而言）
• ——常持敬畏之心和谨慎的态度 （危机意识）
• 2009年初夏西南、华南持续暴雨
• 2009- 2010年秋春西南、华南大旱
• 2010年夏舟曲泥石流
• 1998年7月湖北黄石82mm/h • 2005年8月14日北京密云石城镇张家坟1小时20分
暖盖？ 冷垫？
饱
和
锋区内
层
阳江（22N）：
锋区上界位于925hPa
0℃线
层和饱
武汉（31N）：
锋区上界670hPa，下界820hPa
饱 和
0℃线
层
锋区内
冷低 空层
气
郑州（35N）：
锋区上界650hPa，下界820hPa
层和饱 饱 和 层
0℃线
黑天鹅事件小结 （重大气象灾害）
• ——是多种因子共同作用产生的极 小概率事件；
因果联系
直
间
接
接
联
联
系
系
表面联系
有
无
关
关
联
联
手
驴
心 手
唇 马
背
嘴
现象和本质 例１： 手心手背 - 非因果关系
暴雨和中性层结
• 暴雨过程湿绝热过程相当位温 守恒剖面图上等相当位温线垂直/ Ｔ-logP图上温度廓线与绝热线平行 CAPE=0
• 中性层结表示正在降水，且与雨强 无关，不是暴雨预报因子。
孵化
温度
？ 蛋 不可 颠倒
哲学问题：现象和本质
• 鸡、兔、蛋：鸡和蛋之间有本质的联系； 兔和蛋之间无本质联系，但可有偶然的 联系
• 本质的联系（因果）——由物理规律规 定的联系，有一定的方向绝对不可颠倒
• 表面的联系——同时或先后存在的现象
（有关联，手心和手背），（完全无关联）
• 本质联系：直接的联系或简接的联系
• 数学是形式，是工具 • 数学形式背后的本质是物理 • 举例：
- 涡度是矢量，但是伪矢量、真标量，仅仅是 一种约定，而非真实的运动方向。 - 螺旋度是标量，涡度与速度的点乘，但是真 矢量、伪标量，是真实的旋转前进的方向。
《天气分析预报物理量计算基础〉刘健文，气象出版社，2005
• “千万不要忘记物理” 唯物观
螺旋度的意义
刘健文等，天气分析预报物理量计算基础 气象出版社，2005年6月
• 螺旋度（H）（刘p.123)： 定义：（单位体积）三维涡度矢量和三维风矢量的 点乘， H=u+v+w，可分别称为i-, j-, k-螺旋度，因此是 一个假标量 物理意义：表示旋转和气流在旋转轴方向的强度。 （似乎可看成是风的3个分量对涡度的3个分量的通 量，可以说表示“旋转前进”的强度。旋转越强烈、 前进越快，则螺旋度越大。） 注：伪矢量，如三维涡度矢量（柯青，1954，向量 计算及张量计算初步，商务版，54~56）
学中唯一完整的理论体系，源自数值天气 预报：正压一层模式 → →斜压多层模式→ →ω 方程
动机正确才能写出好论文
• 观测观察是基础，唯 物论的出发点
• 模型是零散的观测 事实的归纳
• 理论是本质的揭示
• 实践是目的
• 3个方面相互联系， 不可或缺
预 报
预 报
物理机理认知
观
理
测
论
诊断 概念模型
Doppler雷达
气象要素：密度ρ (x , y, z, t)，
P0：垂直气柱总量ρ的积分；
T：等压面上的ρ
• 大气的运动：V(u,v,w）
“一切发现都不是逻辑思维的结 果， 尽管这些发现看起来很接近逻 辑规律。”
——爱因斯坦理论物理学家
• 理论源于对客观世界的观察和实践
如长波理论源于探空网，不是来自论文
• 数学公式不等于理论，不要妄自菲薄 • 实践第一，钻研预报 • 理论可以超前（有预见性少数）
• 透过现象看本质（认识事物之间的 联系）
• 敬畏之心爱丽丝漫游仙境_和先哲的对话_兔子 • 专业分工——“只见树木，不见森林”
造就领军预报员
鸡生蛋？蛋生鸡？（哲学的终极问题） 哲学问
？ 科学问题：现象或事物之间的联系 题和科
和事物转化的条件
学问题
的区别
母鸡
卵子
成蛋
发育
科学 问题
兔 公鸡
受精 物理 联系
提纲
1 从“黑天鹅”到如何看待“偶然性 和必然性问题”？
2 何谓哲学？为何要学哲学？关于如 何“透过现象看本质”问题？
3 唯物论（实践论） 4 辩证法（矛盾论）
1
偶然性和问题
2008年初低温雨雪冰冻
极端气象灾害研讨会 2008年2月21日 ，北京
1）百年一遇偶然性
2）华南准静止锋降水必然性
3）南支槽和连阴雨
三、必然性和偶然性可以在一定 条件下互相转化。
结论：重大气象灾害是有可能预报的！
航空界的海恩法则
德国人，飞机涡轮发动机的发明者
• 每一起严重的飞行安全事故发生之 前，平均出现29次轻微事故、300个 先兆以及1000次事故隐患。
• 不光人祸，天灾也是如此。
• 股市没有无缘无故的暴跌 来源 北京青年报 2010/11/15 01:09 樊大彧
4）遥相关、上游效应——高空副热带 西风急流正压Rossby波的频散
陶祖钰1，郑永光2 ，张庆红1 ，张春喜1 1北京大学物理学院，
2国家气象中心预报系统实验室
Hale Waihona Puke Baidu 高
蒙古高压1060hPa 雨带远离地面锋
地面图 2800Z
1月降水带偏离气候锋 ——锋面坡度很小
冷空气弱时的华南 准静止锋位于南岭
冷空气强时的华南准 静止锋位于南海
自下而上？还是，自上而下？ • 台风眼的形成： • 龙卷风：漏斗云下垂/龙吸水？上升气流？
08年7月 31日02时
• 08奥运开幕式 预演
• 温度廓线、露 点廓线和湿绝 热线两条弧线 几乎平行，说 明整个对流层 都处于湿绝热 状态（深对流）
现象和本质 例２
同一事物的多种表述方式
• 静力稳定度参数
天气预报很重要
危机意识
（motivaton）
• 人才断层 • 知识泡沫化 • 科学发展观，学习型社会 • 预报员轮训 • 准地转理论和辩证法 • 08冰雪，…….，莫斯科大火，舟曲
泥石流，意外天灾
2008冰雪气象灾害 是一次黑天鹅事件
• 定义：指非常难以预测的事件，常 引起连锁负面反应
• 在发现澳大利亚之前，17世纪之前的欧洲人认为天鹅 都是白色的。
• 问题：螺旋度和对流系统发生、发展、维持的动力 学机理之间有何关系？螺旋度的预报意义是什么？
4 辩证 = 不“形而上” ；不“机械化” 辩 唯物论必须和辩证法结合 证 • 形而上：“鸡生蛋”，“蛋生鸡” 因和果_ 法 单向
钟的降雨过程雨量达到220 mm 张春喜，陶祖钰等：一次短历时
特大暴雨系统的高分辨率卫星图像。北大学报，44（4），647~650，2008
• 2006年8月10日 黑龙江泰来，60分钟103.3mm，最 强10分钟32.5mm
• 2007年7月18日山东济南暴雨，最强市政府站1小 时151mm，最强10分钟29.6mm
• 本质：索马里跨赤道气压梯度力和海陆差异
南半球副高——北半球印度低 压
赤道附近的力：气压梯度力，惯性力，摩擦力；没有地转偏向力
3
唯
唯物论和辩证法马克思主义哲学
物
（费尔巴哈和黑格尔）
论 • 一元论和二元论（唯物 或/和 唯心）
• 唯物：世界客观存在 = 物质+物质的运动 =
物理世界
• 大气是物质：质量在地球上的分布
1922年数值预报试验，湿急流
可视化软件
LiveView 制作的轨迹图像 揭示出暖湿空气 自MCS底部从南 面流入，在MCS 中迅速上升，最 后在MCS上部向 东流出。
转向
轨迹的90度转折， 证明了30年前谢 义炳先生在湿斜 压理论中指出的： “在暴雨的饱和湿 空气中，气块有 加速上升和转向” 的现象。
• “9·11”事件、美国次贷危机
• 百度百科Black swan event) 《黑天鹅:如何应对不可预知的未来》中信出版社 2008 年4月出版
作者：纳西姆·尼古拉斯·塔勒布
（Nassim Nicholas Taleb）
• 风险管理理论 • 避免危机，利用危机
• 沃顿商学院企管硕士，巴黎大学博士，纽约大学理工 学院教授
“968”河北特大暴雨
争论：
（刘伟，张庆红，北大学报，2004）
湿热成风公式
湿斜压大气中的湿急流
唯物的观点也是实践的观点
价值导向
• 实践论（毛泽东，革命） • 实践检验真理的唯一标准（邓小平，改革） • 理论研究的目的是实践，解决实际问题，
预报天气的变化、揭示大气现象的本质
• 目的 不去“忽悠”他人，也不被他人“忽悠”… • 准地转斜压动力学理论Charney, 1948：大气动力
低空的湿层；39
位温使用 摄氏温标
为对流温度，气 块过程曲线的出
较直观！
发点）
• 干暖盖（一定 有下沉）
• 抬高的混合层
Elevated
Mixed
Layer Capping Layer
Low-level Moisture 对流温度
现象和本质 例３
东亚夏季风和索马里急流
• 现象：南半球冬季风——越赤道气流（索马里 急流）——东亚夏季风（850 hPa流线）