20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)主要階段與關(guān)鍵創(chuàng)新*

陳正洪,丁一匯,許小峰

(1.中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081; 2.國(guó)家氣候中心，北京 100081;3.中國(guó)氣象局，北京 100081)

20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)主要階段與關(guān)鍵創(chuàng)新*

陳正洪1,丁一匯2,許小峰3

(1.中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081; 2.國(guó)家氣候中心，北京 100081;3.中國(guó)氣象局，北京 100081)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)出現(xiàn)是大氣科學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑，也是近代大氣科學(xué)成為一門精細(xì)和定量化科學(xué)的一個(gè)標(biāo)志.對(duì)其發(fā)展階段和演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行研究和分析，特別指出了20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)演進(jìn)中幾次重大的原始創(chuàng)新成就.通過(guò)闡述數(shù)值預(yù)報(bào)的演進(jìn)和歷史，說(shuō)明其他交叉學(xué)科成果對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的推動(dòng)作用，促使20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)成為復(fù)雜的多學(xué)科交融的新學(xué)科，并進(jìn)一步演變成更復(fù)雜的氣候模式系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)科學(xué)與地球觀測(cè)系統(tǒng)及高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用.

數(shù)值天氣預(yù)報(bào);發(fā)展進(jìn)程;主要脈絡(luò);原始創(chuàng)新;啟示

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是近代大氣科學(xué)走向建制化的主要標(biāo)志之一，是目前大氣科學(xué)中氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的核心技術(shù)，在某種程度上代表一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力.發(fā)達(dá)國(guó)家在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)上競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，回顧20世紀(jì)其發(fā)展歷史，發(fā)掘重大創(chuàng)新節(jié)點(diǎn)，對(duì)于這門學(xué)科和相關(guān)大氣科學(xué)分支學(xué)科都有重要學(xué)術(shù)價(jià)值.

1 動(dòng)力方程組引入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

1904年V.皮耶克里斯闡述了數(shù)值預(yù)報(bào)的中心問(wèn)題，[1]指出從原則上說(shuō)，大氣未來(lái)的狀態(tài)完全是由其初始狀態(tài)和已知邊界條件加牛頓運(yùn)動(dòng)方程、氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、熱力學(xué)方程等所決定.他認(rèn)為如果可以根據(jù)物理定律推斷空氣運(yùn)動(dòng)，必須有兩個(gè)必要并且充分條件：必須知道空氣準(zhǔn)確的初始狀態(tài)；必須知道空氣從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的準(zhǔn)確規(guī)律.

當(dāng)時(shí)，由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展限制，缺少海洋上大氣的資料和陸地上高層大氣的資料，不過(guò)V.皮耶克里斯對(duì)此很有遠(yuǎn)見(jiàn)，認(rèn)為隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，這兩個(gè)鴻溝(gap)都將會(huì)被解決.為獲得大氣方程，V.皮耶克里斯假定采取如下步驟：第一，從無(wú)摩擦流體方程開始，同時(shí)不對(duì)流體密度進(jìn)行假定；第二，從內(nèi)部存在摩擦的黏性流體運(yùn)動(dòng)方程開始發(fā)展相應(yīng)理論；第三，建立自轉(zhuǎn)地球上適合環(huán)流和渦旋運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，以此建立理論體系.V.皮耶克里斯這個(gè)理論方案的優(yōu)點(diǎn)是考慮了流體密度取決于溫度，同時(shí)考慮了地轉(zhuǎn)偏向力的作用，由于地球自轉(zhuǎn)，這顯得很重要.

他假定了空氣中的水蒸氣沒(méi)有變化，是個(gè)常量.通過(guò)這幾個(gè)假定，V.皮耶克里斯指出可以算出這7個(gè)相互獨(dú)立的方程，從而計(jì)算出7個(gè)未知參數(shù)來(lái)推斷空氣運(yùn)動(dòng).不過(guò)他也擔(dān)心宇宙中還有很多未知變化影響大氣運(yùn)動(dòng)，比如彩虹可能會(huì)影響空氣的輻射和電量.他從思想觀念上找出一個(gè)簡(jiǎn)單而又科學(xué)的方法來(lái)研究空氣運(yùn)動(dòng).

有了方程，如何計(jì)算減少誤差，V．皮耶克里斯注重從觀測(cè)出發(fā)，從最初觀測(cè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)出發(fā)，得到后一個(gè)小時(shí)的天氣圖，以此類推，逐步一個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)前進(jìn)得到最終預(yù)報(bào)結(jié)果.然而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這時(shí)還處于“懷胎十月”之中，當(dāng)時(shí)的科學(xué)水平還無(wú)法滿意的解出他所列的方程，其復(fù)雜性也不是當(dāng)初就能預(yù)料到的，所以還出現(xiàn)反對(duì)天氣可以預(yù)報(bào)的意見(jiàn)，[2]這暗示數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展將不會(huì)一帆風(fēng)順，作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，只有在大氣科學(xué)的實(shí)踐發(fā)展中形成理論體系才更加可靠.

2 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)的先行者

盡管V.皮耶克里斯提出超越時(shí)代的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)思想和實(shí)現(xiàn)辦法，但由于受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和計(jì)算能力的限制，其后近20年沒(méi)有更大發(fā)展.火炬的下一棒傳到理查森(Lewis Fry Richardson, 1881-1953)手中.這是有著特殊才能的大氣科學(xué)家，他認(rèn)為“天氣預(yù)報(bào)建立在假定知道過(guò)去大氣運(yùn)動(dòng)和未來(lái)如何運(yùn)動(dòng)……過(guò)去氣象學(xué)歷史某種程度說(shuō)是其自身全方位的工作模型”.[3]但是理查森并不看好這種方法，認(rèn)為過(guò)去不能代表未來(lái).這表明理查森對(duì)大氣的非線性特征有獨(dú)特而深刻的理解.理查森在1911年開始思考有限差分方法，一戰(zhàn)中，理查森研究出中歐地區(qū)氣壓變化計(jì)算手冊(cè).他開始的數(shù)據(jù)來(lái)自V.皮耶克里斯在萊比錫發(fā)表的天氣圖.他從中抽取離散的格點(diǎn)算出西德某地區(qū)氣壓變率.他使用的差分方法是把全區(qū)劃分成格點(diǎn)，就像國(guó)際象棋棋盤，用有限差分代替空間微商.

1913年理查森在英國(guó)氣象辦公室主任(相當(dāng)于今天英國(guó)氣象局長(zhǎng))肖爵士(Sir Napier Shaw)的鼓勵(lì)下，開始深入研究數(shù)值天氣預(yù)報(bào).其研究成果Weatherpredictionbynumericalprocess這本書1922年由劍橋大學(xué)出版社出版.理查森的著作是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)歷史上帶有奠基性的重要文獻(xiàn).文中詳細(xì)敘述了動(dòng)力學(xué)模式、物理過(guò)程和數(shù)值分析以及計(jì)算的實(shí)例.這本書出版后，肖爵士大加贊賞，在Nature上寫了書評(píng)，并寫信給理查森，認(rèn)為是“關(guān)于氣象預(yù)報(bào)方面的巨著”.從對(duì)這本書的文本分析來(lái)看，總的來(lái)講，理查森對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有全面深刻系統(tǒng)而且長(zhǎng)遠(yuǎn)的想法，對(duì)所有環(huán)節(jié)和計(jì)算流程有著詳細(xì)論述，既有對(duì)當(dāng)時(shí)最新文獻(xiàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的深刻把握，也有對(duì)未來(lái)技術(shù)發(fā)展和學(xué)術(shù)思想延展的合理外推，更有許多原創(chuàng)性思想，包括差數(shù)方程式的選擇、熱動(dòng)量以及水汽的亂流輸送作用、平流層的影響等等.他還進(jìn)行了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的實(shí)驗(yàn)，但限于條件，實(shí)驗(yàn)并未成功.

理查森的思想具有超越時(shí)代的重要意義，在于把大氣科學(xué)從描述性和經(jīng)驗(yàn)性向著定量化發(fā)展，大氣科學(xué)只有建立在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)其中各種物理過(guò)程和動(dòng)力過(guò)程及其相互作用，才能使大氣科學(xué)像物理化學(xué)等其他科學(xué)一樣，成為真正意義的科學(xué).[4]也許理查森的理想超出時(shí)代太多，他的這本杰出文獻(xiàn)出版后的幾十年并沒(méi)有受到太多重視.理查森的實(shí)驗(yàn)正是人類探索非確定性世界觀的努力表現(xiàn)，其學(xué)術(shù)意義對(duì)大氣科學(xué)未來(lái)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響.所以理查森被說(shuō)成“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)之父”.[5]

3 歷史條件的逐漸具備

理查森的初次數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)失敗了，很大程度上歸咎于計(jì)算技術(shù)，當(dāng)物理的基礎(chǔ)問(wèn)題有所解決，特別是動(dòng)力學(xué)模式的控制方程解決后，接著的問(wèn)題是如何在數(shù)學(xué)上求解以及如何使計(jì)算的速度大大超過(guò)天氣變化的速度.

1928年，Courant,Friedrichs和Lewy三人提出了對(duì)于線性方程初值問(wèn)題不穩(wěn)定的解決辦法.[6]這篇文章也是數(shù)值預(yù)報(bào)歷史比較重要的文獻(xiàn)，引用率有一千多次.作者指出在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，水平網(wǎng)格距與時(shí)間步長(zhǎng)不能相互無(wú)關(guān)聯(lián)地任意取值，而是應(yīng)滿足一定的相互依賴關(guān)系，這就解決了Richardson碰到的計(jì)算不穩(wěn)定問(wèn)題.即：當(dāng)線性計(jì)算滿足以下條件時(shí)，計(jì)算可以保持穩(wěn)定.

這就是CFL條件，這表明，在進(jìn)行線性計(jì)算時(shí)，為使計(jì)算穩(wěn)定，作差分計(jì)算時(shí)，外推的時(shí)間步長(zhǎng)必須小于波動(dòng)通過(guò)空間格距所需要的時(shí)間.打個(gè)比喻，量尺刻度必須小于被測(cè)量物體的長(zhǎng)度.對(duì)于慢波，如大氣長(zhǎng)波、超常波等，波速較小，因此，時(shí)間步長(zhǎng)可以取得大一些；而對(duì)于快波，如聲波、重力波，波速快，則時(shí)間步長(zhǎng)只能取得很短，因此要完成一個(gè)預(yù)報(bào)，要作更多步的計(jì)算.

只要時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)滿足一定的限制，構(gòu)造的方程格式計(jì)算就是穩(wěn)定的，這個(gè)思想對(duì)原先理查森的數(shù)值預(yù)報(bào)有重要改進(jìn)和現(xiàn)實(shí)意義.一方面，可以明確動(dòng)力方程修改的方向，而不是在所有項(xiàng)上進(jìn)行修改，可以提高預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確性.另一方面，可以有選擇地對(duì)某些項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，減少計(jì)算量，從而更有可能在實(shí)際業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用.

1939年，Rossby等在高空天氣圖上發(fā)現(xiàn)了北半球中緯度高空西風(fēng)帶中存在有長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里的波動(dòng)，[7]這些波動(dòng)除有自身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還與地面上的鋒面氣旋存在內(nèi)在的聯(lián)系.Rossby在靜力近似和水平無(wú)輻散的假定下，用小擾動(dòng)法對(duì)渦度方程線性化，推出了著名的Rossby長(zhǎng)波公式，通過(guò)各種近似假設(shè)把其他波動(dòng)濾去，而得到了一個(gè)具有天氣意義的長(zhǎng)波公式，大大促進(jìn)了Charney過(guò)濾方程的建立.[8]

蘇聯(lián)氣象學(xué)家基別爾(H.A. Кибелъ, 1904-1970)對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)做出重要貢獻(xiàn)，他是蘇聯(lián)數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、氣象學(xué)家，1940年首次成功得出大氣熱力和動(dòng)力學(xué)方程組的解，提出“準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式”(quasigeostrophicmodel)，并研究了渦旋運(yùn)動(dòng).[9]基別爾利用手搖計(jì)算機(jī)大約半天完成了蘇聯(lián)和歐洲部分國(guó)家的24小時(shí)天氣預(yù)報(bào)圖，結(jié)果比較接近實(shí)況.[10]隨后他在求解大氣動(dòng)力學(xué)諸多問(wèn)題上做出了重要貢獻(xiàn)，如地轉(zhuǎn)適應(yīng)、中尺度氣象學(xué)等.[11]

4 NWP的復(fù)興和成功

1948年至1950年，Charney等人的工作導(dǎo)致了“數(shù)值預(yù)報(bào)的復(fù)興”.[12-15]Charney吸取了理查森的失敗經(jīng)驗(yàn)，在Courant和Rossby等人的工作影響下，證明了在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)或準(zhǔn)無(wú)輻散并且滿足靜力平衡的條件下，可以從大氣運(yùn)動(dòng)方程中濾除聲波、慣性重力外波和內(nèi)波，之后推導(dǎo)建立了“過(guò)濾”模式.

他大膽地提出以一層空氣簡(jiǎn)要代表整層大氣運(yùn)動(dòng)的構(gòu)思，建立了正壓模式.正壓原始方程模式是最簡(jiǎn)單的原始方程模式.兩個(gè)假定：1)假設(shè)大氣均勻不可壓縮的流體，密度為一常數(shù).流體的上界面為一自由表面.2)大氣是正壓的，即初始時(shí)刻風(fēng)不隨高度變化.據(jù)此，Charney推出了正壓原始模式方程組：

初始條件按Charney設(shè)計(jì)的理想場(chǎng)給出.[16]Charney提出的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式過(guò)濾了短期的重力波和聲波，減少了計(jì)算量，同時(shí)需要兩個(gè)歷史條件得到滿足，一是高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，二是相當(dāng)完善的高空臺(tái)站網(wǎng)，這個(gè)站網(wǎng)在二戰(zhàn)結(jié)束后不久就建立起來(lái).

其中高性能計(jì)算機(jī)與馮·諾依曼(JohnvonNeumann，1903-1957)直接相關(guān)，他作為20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、博弈論等諸多領(lǐng)域內(nèi)有杰出建樹.馮·諾伊曼認(rèn)為天氣預(yù)報(bào)是可以用大型計(jì)算機(jī)完成的重要科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)使用電子管模擬計(jì)算大氣動(dòng)力從而進(jìn)行預(yù)報(bào).為獲得計(jì)算結(jié)果他列出三個(gè)前提：第一，全新的天氣預(yù)報(bào)計(jì)算方法；第二，物理測(cè)量和觀測(cè)新的合理基礎(chǔ)是可靠的；第三，影響天氣模式計(jì)算的第一步是可以做到的.這三個(gè)前提在當(dāng)時(shí)基本上都已達(dá)到.

ENIAC數(shù)值預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)取得成功后，很快就運(yùn)用到日常天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中.1954年7月，美國(guó)氣象局的聯(lián)合數(shù)值預(yù)報(bào)中心(TheJointNumericalWeatherPredictionUnit/JNWPU)建立，主要服務(wù)于美國(guó)空軍、美國(guó)氣象局、海軍(圖1).

圖1 Fred Shuman (左) 和 Otha Fuller Circa1955在IBM 701前研討

注：701是JNWPU第一臺(tái)用于數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算機(jī)[17]

5 回歸原始方程

過(guò)濾模式由于消除了高頻波，其實(shí)也就影響了真實(shí)的大氣動(dòng)力性質(zhì)，隨著計(jì)算機(jī)能力增長(zhǎng)，回歸原始方程是歷史必然.因?yàn)闉V波模式把重力波濾只是反映了大氣大尺度的規(guī)律，對(duì)于中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣，要把中小尺度天氣過(guò)程預(yù)報(bào)出來(lái)，還必須回到原始方程.實(shí)際上，在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式占主導(dǎo)地位期間，對(duì)原始方程模式的研究和使用并未中止，包括Charney本人.索耶指出準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式主要缺點(diǎn)就是僅能描述大尺度天氣系統(tǒng)，1000公里是其描述的最低尺度，而很多重要天氣系統(tǒng)與天氣擾動(dòng)處于1000公里以下，這使得人們重新回到原始方程.[18]準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式濾去了重力波，而原始方程則包含了長(zhǎng)波和重力波(快波)，為使計(jì)算穩(wěn)定，更好地刻畫大尺度運(yùn)動(dòng)的變化，回歸原始方程的要點(diǎn)在于避免重力波的虛假產(chǎn)生和增長(zhǎng).

回歸原始方程要考慮對(duì)于理想氣體幾個(gè)空氣守恒的性質(zhì)，包括動(dòng)力守恒、能量守恒、干空氣質(zhì)量守恒、濕度守恒等.第一，要對(duì)初值場(chǎng)進(jìn)行處理，必須抑制初值中重力波的能量及其在初始時(shí)段的增長(zhǎng).第二，一般情況下積分的時(shí)間步長(zhǎng)可以取足夠小，以滿足CFL條件.

對(duì)于線性方程，前已述及，其計(jì)算穩(wěn)定性判據(jù)是CFL條件.而原始方程是非線性方程，對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性十分敏感，它得以在數(shù)值預(yù)報(bào)中順利應(yīng)用的另一個(gè)重要保證，是非線性計(jì)算不穩(wěn)定(NonlinearComputationalInstabillty/NCI)的發(fā)現(xiàn)及其對(duì)策——“物理守恒格式”的構(gòu)建和應(yīng)用.NCI的發(fā)現(xiàn)始于Phillips的工作.他在1956年前后，用數(shù)值試驗(yàn)方法研究大氣環(huán)流，并發(fā)表了他的著名論文.在其研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，盡管積分所取時(shí)間和空間步長(zhǎng)滿足線性CFL判據(jù)，但模式長(zhǎng)期積分有時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定.對(duì)此，他深入探究.這最終導(dǎo)致“非線性計(jì)算不穩(wěn)定”概念及其機(jī)理的提出，而其論文的發(fā)表，已是1959年了.[19]

6 學(xué)科發(fā)展的嚴(yán)重危機(jī)

大氣科學(xué)是不確定性現(xiàn)象最典型的領(lǐng)域.盡管在皮耶克里斯、理查森和Charney等氣象學(xué)家的努力下，數(shù)值預(yù)報(bào)把不確定的空氣運(yùn)動(dòng)朝著確定性方向大大推進(jìn)一步.氣象界似乎有了更多的信心，只要一直努力下去，借助無(wú)限增長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)速度，數(shù)值預(yù)報(bào)可以預(yù)報(bào)未來(lái)任意時(shí)刻的天氣，然而事實(shí)并非如此.洛倫茨及其混沌理論的提出宣告數(shù)值天氣預(yù)報(bào)存在極限.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)學(xué)科遇到建立以來(lái)最嚴(yán)重的危機(jī).

洛倫茨經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，提出數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)于初值的極端敏感性.[20]他用簡(jiǎn)化為3個(gè)自由度的確定論方程來(lái)模擬天氣變化，進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果, 即使最初兩個(gè)數(shù)值無(wú)限接近，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，積分到一定時(shí)間階段，會(huì)進(jìn)入一種區(qū)域(被稱為奇異吸引子).最初接近的初始值會(huì)得出兩個(gè)毫不相干的積分值.這表明氣象非周期性變化的軌道十分不穩(wěn)定, 大氣狀況“初始值”的細(xì)微變化, 都足以使其軌道全然改觀(圖2).

根據(jù)洛倫茨對(duì)流方程中的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，圖2中最上面圖表示時(shí)間函數(shù)在第1000個(gè)循環(huán)時(shí)圖形，中間是第2000個(gè)，下圖(圖2下方 )是第3000個(gè).從中可以看出，隨著時(shí)間流逝，非周期性逐漸增強(qiáng).從確定性的波動(dòng)變成不可預(yù)測(cè)的非周期流.

圖2 洛倫茨對(duì)流方程中的數(shù)值實(shí)驗(yàn)

混沌理論也被看成是在20 世紀(jì)發(fā)生的第三次科學(xué)革命, 它同相對(duì)論和量子力學(xué)這兩次革命一樣, 徹底顛覆了牛頓經(jīng)典物理觀.混沌理論不僅使大氣動(dòng)力學(xué)大大發(fā)展，而且使得數(shù)學(xué)、物理學(xué)，甚至生物學(xué)、工程技術(shù)也得到非常大的發(fā)展，并產(chǎn)生很大的突破.洛倫茨的論文重要意義還在于表明長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)不可能準(zhǔn)確，大概可預(yù)報(bào)時(shí)限是2周左右.[21]

7 集合預(yù)報(bào)出現(xiàn)與預(yù)報(bào)理念的 變化

1963年洛倫茨發(fā)現(xiàn)混沌現(xiàn)象后，氣象學(xué)家就開始思考如何降低預(yù)報(bào)的不確定性.1969年，Epstein首先提出動(dòng)力隨機(jī)預(yù)報(bào)方法，用于嘗試解決數(shù)值預(yù)報(bào)初值敏感性問(wèn)題.[22]1974年Leith提出蒙特-卡洛方法，就是用一個(gè)隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的擾動(dòng)形成的初始場(chǎng)進(jìn)行集合.[23]現(xiàn)在集合預(yù)報(bào)思想與此類似.集合預(yù)報(bào)就是承認(rèn)天氣預(yù)報(bào)存在極限的情況下，研究如何延長(zhǎng)“壽命”的手段.反映了氣象學(xué)家對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)初始值重要性和大氣科學(xué)本質(zhì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí).

一個(gè)模式預(yù)報(bào)帶有某個(gè)范圍的不確定性，多個(gè)模式集合再取平均值，其預(yù)報(bào)時(shí)效和預(yù)報(bào)效果從概率上來(lái)講比單槍匹馬的單個(gè)預(yù)報(bào)要好，因此集合預(yù)報(bào)應(yīng)時(shí)而生.集合預(yù)報(bào)的出現(xiàn)，表明在大氣科學(xué)領(lǐng)域，“真理往往掌握在多數(shù)人手里”，而且沒(méi)有合作就沒(méi)有進(jìn)步.在這個(gè)階段，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)學(xué)科逐漸走向成熟.

集合預(yù)報(bào)突破初值必須確定的觀念，認(rèn)為初值可以不確定，初值是某種概率密度函數(shù)，天氣預(yù)報(bào)問(wèn)題是大氣在相空間中合適的概率密度函數(shù)隨時(shí)間的演變.[24]為解決初值問(wèn)題導(dǎo)致的預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確，1992年，美國(guó)NCEP和歐洲中心ECMWF開始了中期集合預(yù)報(bào)，表明集合預(yù)報(bào)開始成熟并開始業(yè)務(wù)化.[25-26]集合預(yù)報(bào)達(dá)到兩個(gè)主要目標(biāo)，一是在預(yù)報(bào)的前幾天更加準(zhǔn)確，因?yàn)椴煌Ｊ筋A(yù)報(bào)得出結(jié)果好于單個(gè)模式；二是提供了預(yù)報(bào)后幾天的發(fā)展方向的可能性與可靠性.

由于集合預(yù)報(bào)對(duì)某些氣象要素變化的可能范圍或發(fā)生某種天氣的概率預(yù)報(bào)提供了合理依據(jù)，并為有關(guān)部門應(yīng)付可能出現(xiàn)的天氣情況提供參考.所以集合預(yù)報(bào)改變了統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)在中、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中一直占主導(dǎo)地位的局面，在中、長(zhǎng)期氣象要素的預(yù)報(bào)中起重要作用.另一方面，這些成果揭示了預(yù)報(bào)各類天氣系統(tǒng)與初值條件有關(guān)的不確定性，改變了預(yù)報(bào)員習(xí)慣于模式確定性預(yù)報(bào)的意識(shí)和理念.

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本原理可以應(yīng)用到氣候的預(yù)測(cè)和預(yù)估上，也就是氣候模式，不過(guò)要考慮的問(wèn)題更加復(fù)雜，20世紀(jì)70年代氣候模式只是大氣模式，80年代加入陸面模式，到90年代末，出現(xiàn)?！憽?dú)怦詈夏Ｊ?，并包含了硫化物循環(huán)，及非硫化物循環(huán)模式和動(dòng)態(tài)植被模式.當(dāng)前氣候模式包括了碳循環(huán)和硫化物與非硫化物氣溶膠作用，未來(lái)動(dòng)態(tài)植被或生態(tài)模式可能置入氣候模式，更高級(jí)階段就是地球系統(tǒng)模式.這對(duì)計(jì)算機(jī)的要求會(huì)不斷提高.

8 百年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展歷史的啟示

基于物理規(guī)律的數(shù)值預(yù)報(bào)理論的發(fā)展，使人類可以利用計(jì)算機(jī)重現(xiàn)或預(yù)測(cè)發(fā)生在自然界的天氣變化過(guò)程，這是地球科學(xué)由“定性”走向“定量”的重大進(jìn)步.2004年，WMO主席雅羅指出“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量和準(zhǔn)確性的大大提高，是20世紀(jì)下半葉所有科學(xué)分支中的主要成就之一”.[27]全球大氣研究計(jì)劃中的THORPEX科學(xué)計(jì)劃報(bào)告指出“數(shù)值預(yù)報(bào)的成功是20世紀(jì)最重大的科技和社會(huì)進(jìn)步之一”.[28]目前以數(shù)值模式為核心的數(shù)值預(yù)報(bào)整體水平是國(guó)家氣象綜合科技水平的集中體現(xiàn)和一個(gè)標(biāo)志，某種程度也是國(guó)家科技實(shí)力的一個(gè)標(biāo)志.20世紀(jì)數(shù)值預(yù)報(bào)學(xué)科發(fā)展演進(jìn)研究正是希望可以對(duì)當(dāng)下數(shù)值預(yù)報(bào)和未來(lái)大氣科學(xué)發(fā)展提供一些歷史視角和有益啟示.

第一，數(shù)值預(yù)報(bào)仍然普遍存在不同程度誤差.

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)通過(guò)物理方程和數(shù)學(xué)計(jì)算刻畫大氣狀況，誤差成為不可避免的難題.也許可以說(shuō)數(shù)值預(yù)報(bào)全體系都存在不同程度誤差.使用數(shù)值模擬來(lái)代替物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究時(shí)，結(jié)果不可避免地會(huì)受到誤差的影響，通常有四種誤差來(lái)源會(huì)對(duì)模擬結(jié)果有影響：數(shù)學(xué)模型的誤差、初值的誤差、差分格式帶來(lái)的截?cái)嗾`差(也稱為離散化誤差)、計(jì)算機(jī)的舍入誤差.大氣模式是一個(gè)離散化的數(shù)值模型，存在物理意義和數(shù)學(xué)意義上的近似，數(shù)值預(yù)報(bào)模式所描述的大氣過(guò)程并非真實(shí)的大氣過(guò)程，模式大氣與真實(shí)大氣存在誤差.而這種數(shù)值模式的預(yù)報(bào)誤差隨著模式積分時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.[29]

第二，大氣可預(yù)報(bào)性存在極限.

大氣不同于剛體，非線性系統(tǒng)總是存在規(guī)律約束范圍.大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不可一直預(yù)報(bào)下去，這將導(dǎo)致從確定性預(yù)報(bào)走向概率預(yù)報(bào)，洛倫茨認(rèn)為時(shí)效可以超過(guò)5天，但不管模式如何完善和觀測(cè)如何精確，混沌本性使得天氣預(yù)報(bào)極限是2周左右.[30]集合預(yù)報(bào)的出現(xiàn)有可能延伸洛倫茨所說(shuō)2周預(yù)報(bào)極限，特別是對(duì)熱帶海洋和陸地影響的預(yù)報(bào)，一個(gè)例子是對(duì)ENSO預(yù)報(bào)，承認(rèn)混沌情況下，仍然可以提前1年甚至更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行較準(zhǔn)確預(yù)報(bào).不過(guò)不管怎樣改進(jìn)，預(yù)報(bào)存在“天花板”效應(yīng)，終究存在極限.

第三，21世紀(jì)數(shù)值預(yù)報(bào)仍將是大氣科學(xué)發(fā)展的核心.

將來(lái)的大氣科學(xué)包括數(shù)值預(yù)報(bào)將會(huì)逐步融合其他科學(xué)的內(nèi)容，從物理到計(jì)算將會(huì)有更多科學(xué)方法和技術(shù)吸收到數(shù)值預(yù)報(bào)中.特別是計(jì)算數(shù)學(xué)，越來(lái)越模式化，不需要從頭開發(fā)，這對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)是個(gè)重大的研究范式的變化，可以把更多精力用于物理規(guī)律的研究，同時(shí)也是重大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谀K化的研究框架下，非氣象專業(yè)的科學(xué)工作者也可以直接進(jìn)入數(shù)值預(yù)報(bào)的前沿陣地.因此數(shù)值預(yù)報(bào)包括大氣科學(xué)就需要不斷從外圍科學(xué)吸收養(yǎng)料，占用的資源和參與的人數(shù)會(huì)愈來(lái)愈多.就像曼哈頓工程一樣，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)將從一門小科學(xué)變成大科學(xué).21世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)將會(huì)更加深刻的影響預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，比如中國(guó)暴雨的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)就是一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域.[31]

第四，數(shù)值預(yù)報(bào)演進(jìn)反映了創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)和學(xué)科交叉的驅(qū)動(dòng).

20世紀(jì)中葉，Charney等人的工作導(dǎo)致了“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的復(fù)興”.要報(bào)準(zhǔn)實(shí)況天氣不是增加對(duì)大氣所有現(xiàn)象的刻畫，而是如何“精簡(jiǎn)”和“過(guò)濾”，這就是新的發(fā)展模式.這一階段與數(shù)學(xué)家求精求準(zhǔn)的理念背道而馳，氣象學(xué)家把天氣方程的右邊不斷拋棄若干項(xiàng)，不管方程左右是否平衡，只管計(jì)算出影響天氣的主要矛盾，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)反而可以從紙面走向?qū)嶋H應(yīng)用了.Charney和另外兩位科學(xué)家運(yùn)用這種簡(jiǎn)化范式計(jì)算出了歷史上第一張數(shù)值預(yù)報(bào)天氣圖，成為里程碑式貢獻(xiàn).之后氣象學(xué)家們運(yùn)用這種簡(jiǎn)化范式不斷取得更大成功.

1963年，洛倫茨發(fā)現(xiàn)了確定性非周期流，提出了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)于初值的極端敏感性，也就是初始計(jì)算哪怕無(wú)限小的差異都會(huì)導(dǎo)致一定時(shí)段后巨大差距，這表明長(zhǎng)期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)不可能準(zhǔn)確.長(zhǎng)期天氣現(xiàn)象不可預(yù)報(bào)不僅在于物理規(guī)律的不可逾越，而且在于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制.盡管今天科學(xué)技術(shù)日新月異，但是預(yù)報(bào)精度和時(shí)效的提高越來(lái)越難，幾乎每十年才能提高一天時(shí)效.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展歷史和洛倫茨的混沌理論表明在大氣科學(xué)領(lǐng)域，創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)和科學(xué)與技術(shù)結(jié)合的驅(qū)動(dòng)對(duì)于學(xué)科發(fā)展至關(guān)重要.未來(lái)數(shù)值預(yù)報(bào)乃至大氣科學(xué)發(fā)展必須更加依賴創(chuàng)新，特別是原始創(chuàng)新.這種創(chuàng)新經(jīng)常來(lái)自于科學(xué)和技術(shù)的交叉融合.

第五，走向數(shù)值天氣-氣候預(yù)報(bào)體系.

如果把數(shù)值天氣預(yù)報(bào)積分時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)，就可以對(duì)氣候進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào).氣候模式已成為預(yù)測(cè)全球氣候變化的主要工具.從未來(lái)預(yù)報(bào)時(shí)效、原理和方法上區(qū)分氣象預(yù)報(bào)可分為三種類型：天氣預(yù)報(bào)，短期氣候預(yù)測(cè)和氣候變化預(yù)估.氣候預(yù)測(cè)需要考慮大氣層上下邊界的外強(qiáng)迫作用、五大圈層的相互影響等，不確定性很大，只是告訴人們未來(lái)可能的氣候變化趨勢(shì)與變化范圍.但是有理由認(rèn)為將來(lái)會(huì)構(gòu)建從“短臨-短時(shí)-2周天氣-短期氣候-氣候變化”這樣一個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)譜系，形成數(shù)值天氣-氣候預(yù)報(bào)的無(wú)縫隙預(yù)報(bào)系統(tǒng).

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[責(zé)任編輯 黃祖賓]

[責(zé)任校對(duì) 蘇 琴]

Research on Key Innovative Thinking and Main Phases of Numerical Weather Prediction in the Twentieth Century

CHEN Zheng-hong1,DING Yi-hui2,XU Xiao-feng3

(1.ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCentre,Beijing100081，China;2.NationalClimateCenter,Beijing100081,China;3.ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China)

Numerical weather prediction was a milestone in the development of atmospheric science, and it was considered as fine and quantitative symbol of Modern Atmospheric Science. The article studied a number of important original innovations during numerical weather prediction evolution process in the 20th century. And the paper made a detailed explanation of the main train of interdisciplinary development of numerical forecasting. At the same time, the manuscript presented the discipline development evolution history, which has lead to cross discipline promoting and further evolved into a more complex climate model system in the 20th century. And pure science, earth observation system and computing technology development were the necessary key technologies in the whole process.

Numerical weather prediction;development process;main frame;original innovation;inspiration

2016-06-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金“大氣科學(xué)演義研究” (41220001)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(2012M520220)；中國(guó)氣象局氣象科技史研究項(xiàng)目.

陳正洪(1975-)，男，浙江湖州人，博士，中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院副研究員，研究方向：氣象科學(xué)技術(shù)史和氣象災(zāi)害.丁一匯，國(guó)家氣候中心，中國(guó)工程院院士，研究方向：氣候變化和數(shù)值模式.許小峰，中國(guó)氣象局研究員，研究方向：氣象科技史和氣候變化.

P456.7

A

1673-8462(2016)04-0028-06