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天有可测风云——数值天气预报的诞生

过去，人们对天气的预测主要是凭经验．在民间有许多关于天气的谚语，然而这种预测是很不准确的．如何准确地预测天气情况呢？数学家们把数学计算方法引入了天气的分析，从而诞生了数值天气预报．
　　数值天气预报，指的是运用数学方法，通过数值计算进行天气预报的方法和相关的理论，是现代天气预报及天气变化预测的主要方式．
人能算天
　　古代中国人，很早就有通过数的计算来预测天气变化的想法．在中国古代学者看来，天气的变化也是“天文”的一个组成部分，历代的《天文志》都有关于异常天气或气象的记载．既然当时人们已成功地计算出日月星辰的运行，对它们的未来位置进行预测，为什么不能算出天气的变化呢？不过，要说对天气数值预报进行可行性的探讨却是在很久以后．

　　1631年，意大利学者G·伽利略发明了温度计，1643年，他的学生E·托里拆利提出了气压计原理，这使人们有可能对形成天气的某些要素作定量考察．
　　牛顿力学体系的建立和微积分学的创立提供了用数学方法研究气象问题的真正可能性．但对大气现象确切的数学表述却是在两个世纪之后．这一段时间，许多科学家的成果为之奠定了基础．流体动力学方程，波义耳—查理定律，热力学第一定律等以及赫尔姆霍茨、开尔文、瑞利等人的出色的工作等等．
　　1904年挪威气象学家别克内斯指出，天气预报的中心问题就是：已知大气状态在一个时刻的观测值来解一般形式的流体力学方程．这是别克内斯对气象学的一个重大贡献——解决了从数学上怎样作预报的问题．
　　首次明确设法求解流体力学方程的则是英国学者L·F·理查逊，他于1910年推出了解流体力学方程这类非线性偏微分方程的数值解法——有限差方法．这个方法是把连续变量的特征用大量固定而离散的点上的值来表示，对变量的连续变化用它在离散而密布的点上的差来逼近．实际上是用有限差分近似地把所给的偏微分方程化为一系列代数方程，而这些代数方程的解是可以计算出来的．
　　理查逊用他的这一计算方法，求出1910年5月20日6个小时后的天气变化．这可以说是第一次“数值天气预报”．可是，理查逊的预报与实际不符，第一次数值预报失败了．
　　理查逊探讨了失败的原因：首先是对大气运动的描述不够理想，其次是计算方法误差太大，而更精确的计算方法要求更多的计算时间——数据太多了．那么庞大的数据，如果用64000人来计算，才有可能达到6小时前预报天气变化的结果．这简直太费时间和人力了．他的工作和经验汇集在他的《天气预报的数值方法》一书中，为后人打开了一条思路．
其后，许多气象学家对大气环流、天气系统又做了详细的研究．美国气象学家罗斯比、豪威茨、查尼等人都创建了一大批新的成果．理论有了改进，算法也有了进展．但是，一个主要的困难摆在面前——计算量特别大，利用人工计算，甚至于利用当时已有的机械式计算机，都不可能在24小时内计算出一天的预报，因而使实际的数值预报成为不可能．

预报的成功
　　1946年2月，数值天气预报探讨出现了一个重大的转机——第一台数字电子计算机ENIAC诞生了，计算速度达到了每秒5000次，许多复杂计算现在可以实现了．参加了ENIAC研制工作的美国科学家冯·诺伊曼立即想到把电子计算机用于数值天气预报的可能性．当年他就在美国普林斯顿高级研究院组织了一个小组，来研究数值天气预报的计算机实现问题．后来，罗斯比和查尼都参加了这一工作．这一工作得到了美国国家气象局的支持，挪威的两名气象学家埃利亚森和菲奥托天特也加入了这个小组．最终他们确定了适当的算法，并采用北美上空的观测值作为初始条件．
　　1950年4月，他们利用ENIAC成功地作出世界上第一次正确的数值天气预报．它无论在数学上还是在气象学上都划过一个时代．数值天气预报开始正式成为一项重要的气象工作．
　　1954年国际上成立了联合数值天气预报组织，各国开始重视数值预报的研究工作．后来，电子计算机有了飞快的发展，计算数学也不断得到新的发展，对大气的描述和方程的求解不断完善，数值天气预报也越来越准确．尤其在采用了气象卫星，组成了气象信息系统之后，数值天气预报就成为现代社会生活中不可或缺的因素了．
新的努力
　　长期以来，数值天气预报都是建立在确定性数学模型的基础上的，人们认为天气的未来状态完全取决于它的现在状态．但方程对现在的描述，或对初始值的观测都是有误差的，而这些误差将会导致不同的结果．1956年，美国科学家菲利普斯在分析一项气象计算误差的过程中得出一种新的计算不稳定性，它来自规模不同的波动之间的非线性相互作用．人们不断改进数学方法，使天气预报越来越准确．
　　但天气预报往往并不十分准确，报错的事是常遇到的．影响最大的误报事件是1987年10月15日，星期四，英国广播公司的播音员刚播出“最近不会有大风”，可是几小时之后，英格兰南部刮起了一场毁灭性的飓风，损失极其惨重．这是自1703年以来最严重的风灾．
　　这么大的气象变化为什么事前未能查觉？经过大量研究，人们认为这是非线性问题．由于非线性的相互作用，初始条件中气压的微小变化，就可导致完全相反的天气结果．而由微小条件变动产生什么结果，是无法用原来的确定性数学手段预知的．
　　关于非线性，60年代洛伦兹就作过研究，他用计算机“模拟”天气系统，对描述天气变化的偏微分方程作了种种简化，最后得到了3个一阶常微分方程，它们构成一个系统——三阶微分方程组，后来人们就称之为洛伦兹方程．
　　在这种方程中，初始条件的微小变化，用不了多少时间就会导致系统随后演化模式完全不同．究竟出现哪种情况事先不能确定．其实，这就是方程中所包含的非线性项促使系统具有“对初始条件的敏感依赖性”．

　　人们常用“蝴蝶效应”来说明这一点：北京的一只蝴蝶扇动了一下翅膀，这一微小扰动一个月后酿成北美的一场暴风雨．而由蝴蝶扇翅到暴风雨的变化过程是不确定的，因而也是难以预测的．这就是天气预报有误的根本原因，也是目前天气预报还只能用比较模糊的语言的原因．
　　人们对此也作了大量的研究，形成了一门名为“混沌”的新学科．数学家们试图运用这一学科研究前述不确定性从而使天气预报更准确．当然，这一学科还有许多重要的用途．不过它还是刚刚起步，取得的成果还是很受局限的．尽管如此，数值天气预报还是取得许多重要的成果．例如，现在可以相当准确地预报48小时天气，72小时预报也有相当大的准确率．随着数学以及相关科学的发展，天气预报定会越来越准确．

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