#征服宇宙的預習課-02-20191113
#實習編輯 #幻月 又來了！這次雖然有提到《天氣之子》，不過無雷（是說已經這麼久了，有雷應該也沒關係了吧），同樣的學生作品，敬請指教。
最近，新海誠導演的一部動畫電影《天氣之子》在台灣上映了。這部電影是以「世界氣候異常」為主題，描述一位離家少年─森島高帆和一位奇妙少女─天野陽菜之間很「新海誠」式的愛情故事。
在電影中，圍繞在東京的「異常氣候」─連日大雨，而少女陽菜有著「改變天氣」的能力……然而在現實之中，我們無法改變天氣，但是卻有可能預測天氣。
如何預測天氣？以前人們只能靠個人對天氣和天文的觀察，以個人觀察經驗來預測天氣。到了上個世紀，人們已經發明了許多用於觀測氣象的儀器，來量測溫度、風速、溼度、氣壓氣壓等數值，可以使得人們能以「量化」的方式去觀察天氣，但是說到「預測」，還是很大的程度是靠經驗法則。
後來人們意識到如果要進行天氣的預報，那一定要先了解天氣系統演變的理論。大致上，天氣預報問題可視為滿足特定邊界條件以及初始條件的流體力學方程的求解問題。然而因為大氣組成很複雜，且大氣的密度、壓力、溫度都會影響到大氣的狀態，所以其構成的流體方程式便非常的複雜，是所謂的「非線性方程式」，以至於無法直接求出精確的答案，而只能求出近似的答案。
但是問題不只如此，從物理上來說，天氣系統在以時間尺度為天的大尺度旋渦運動，其主要的作用力為重力、科氏力、氣壓梯度力，而這三者是處於近似平衡狀態的，即準靜力(quasi-static)平衡和準地轉(quasi-geostrophic)平衡。還有在時間尺度為秒至小時級的相對快速變化運動，如聲波、陣風、對流等。而若當這兩者運動是在相同時間尺度下進行計算，則會造成時間尺度小的快速運動，其誤差會被放大並掩蓋時間尺度大的慢速運動的信息。而其結果便是造成了天氣預報上的極大誤差。但在現今的天氣預報上是不大可能發生這種事。
那為什麼現今的天氣預報只能預測到大約一星期之內天氣？為何不能預測到一個月後甚至是一年後的天氣呢？這便要談到混沌理論(Chaos theory)了，混沌理論是指非線性系統在某些條件下，會發生分岔(bifurcation)，指系統參數微小且連續的變化可造成系統本質上的改變、周期性與非周期性運動之間相互糾纏，以至於趨向某種非周期性有序運動的理論。大家常聽到的「蝴蝶效應」：今天在台中的一隻蝴蝶拍動翅膀，透過大氣系統的非線性效應，可能一個月後在美國引發颶風，即是來自於非線性系統所發生的混沌現象。
混沌理論還可以用於探討動態系統(指系統會隨時間變化)中無法用單一的資料去解釋，必須用連續、整體的資料才可以闡明或預測的行為。而天氣系統便是一個典型的混沌系統。混沌系統有一種特性是受初始狀態影響的敏感性，即初始條件非常微小的變動也可以導致最終結果的巨大差別，換句話說，在天氣數據上的誤差(即使是無窮小的誤差)，在長時間的演變下，可能會有截然不同的結果。而只要是測量，就必定有誤差，這就是為何現今天氣預報無法進行長時間的預測。
結論：「給我神一般的儀器(可以量測到無窮精準的儀器)和神一般的電腦(可以處理無窮多數據的電腦)，我可以統治全宇宙」(絕非抄襲阿*米德)
圖一：天氣之子宣傳圖，圖片來源: http://garageplay.tw/movie/content/1708
圖二：有時下雨也挺美的，圖片來源: https://images.pexels.com/…/1463…/pexels-photo-1463530.jpeg…
參考資料:
維基百科─混沌理論
網址: https://zh.wikipedia.org/…/%E6%B7%B7%E6%B2%8C%E7%90%86%E8%A…
維基百科─分岔理論
網址：https://zh.wikipedia.org/…/%E5%88%86%E5%B2%94%E7%90%86%E8%A…
維基百科─斜壓
網址:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%96%9C%E5%8E%8B
維基百科─混沌
網址:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B7%B7%E6%B2%8C
天氣預報─由經驗到物理數學理論和超級計算
網址:
http://www.wuli.ac.cn/fileup/PDF/2013-05-001.pdf
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