陳正洪,丁一匯,許小峰

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

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

陳正洪1,丁一匯2,許小峰3

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

數(shù)值天氣預(yù)報出現(xiàn)是大氣科學(xué)發(fā)展的一個里程碑，也是近代大氣科學(xué)成為一門精細(xì)和定量化科學(xué)的一個標(biāo)志.對其發(fā)展階段和演進過程進行研究和分析，特別指出了20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報演進中幾次重大的原始創(chuàng)新成就.通過闡述數(shù)值預(yù)報的演進和歷史，說明其他交叉學(xué)科成果對數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展的推動作用，促使20世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報成為復(fù)雜的多學(xué)科交融的新學(xué)科，并進一步演變成更復(fù)雜的氣候模式系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)科學(xué)與地球觀測系統(tǒng)及高性能計算技術(shù)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用.

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

數(shù)值天氣預(yù)報是近代大氣科學(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)報業(yè)務(wù)的核心技術(shù)，在某種程度上代表一個國家的科技實力.發(fā)達(dá)國家在數(shù)值天氣預(yù)報上競爭日趨激烈，回顧20世紀(jì)其發(fā)展歷史，發(fā)掘重大創(chuàng)新節(jié)點，對于這門學(xué)科和相關(guān)大氣科學(xué)分支學(xué)科都有重要學(xué)術(shù)價值.

1 動力方程組引入數(shù)值天氣預(yù)報

1904年V.皮耶克里斯闡述了數(shù)值預(yù)報的中心問題，[1]指出從原則上說，大氣未來的狀態(tài)完全是由其初始狀態(tài)和已知邊界條件加牛頓運動方程、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動，必須有兩個必要并且充分條件：必須知道空氣準(zhǔn)確的初始狀態(tài)；必須知道空氣從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的準(zhǔn)確規(guī)律.

當(dāng)時，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V.皮耶克里斯對此很有遠(yuǎn)見，認(rèn)為隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，這兩個鴻溝(gap)都將會被解決.為獲得大氣方程，V.皮耶克里斯假定采取如下步驟：第一，從無摩擦流體方程開始，同時不對流體密度進行假定；第二，從內(nèi)部存在摩擦的黏性流體運動方程開始發(fā)展相應(yīng)理論；第三，建立自轉(zhuǎn)地球上適合環(huán)流和渦旋運動的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，以此建立理論體系.V.皮耶克里斯這個理論方案的優(yōu)點是考慮了流體密度取決于溫度，同時考慮了地轉(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有變化，是個常量.通過這幾個假定，V.皮耶克里斯指出可以算出這7個相互獨立的方程，從而計算出7個未知參數(shù)來推斷空氣運動.不過他也擔(dān)心宇宙中還有很多未知變化影響大氣運動，比如彩虹可能會影響空氣的輻射和電量.他從思想觀念上找出一個簡單而又科學(xué)的方法來研究空氣運動.

有了方程，如何計算減少誤差，V．皮耶克里斯注重從觀測出發(fā)，從最初觀測狀態(tài)的數(shù)據(jù)出發(fā)，得到后一個小時的天氣圖，以此類推，逐步一個小時一個小時前進得到最終預(yù)報結(jié)果.然而數(shù)值天氣預(yù)報這時還處于“懷胎十月”之中，當(dāng)時的科學(xué)水平還無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)反對天氣可以預(yù)報的意見，[2]這暗示數(shù)值預(yù)報的發(fā)展將不會一帆風(fēng)順，作為一門實踐性很強的學(xué)科，只有在大氣科學(xué)的實踐發(fā)展中形成理論體系才更加可靠.

2 數(shù)值天氣預(yù)報試驗的先行者

盡管V.皮耶克里斯提出超越時代的數(shù)值天氣預(yù)報思想和實現(xiàn)辦法，但由于受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和計算能力的限制，其后近20年沒有更大發(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)報建立在假定知道過去大氣運動和未來如何運動……過去氣象學(xué)歷史某種程度說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)為過去不能代表未來.這表明理查森對大氣的非線性特征有獨特而深刻的理解.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)氣壓變化計算手冊.他開始的數(shù)據(jù)來自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，就像國際象棋棋盤，用有限差分代替空間微商.

1913年理查森在英國氣象辦公室主任(相當(dāng)于今天英國氣象局長)肖爵士(Sir Napier Shaw)的鼓勵下，開始深入研究數(shù)值天氣預(yù)報.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)報歷史上帶有奠基性的重要文獻(xiàn).文中詳細(xì)敘述了動力學(xué)模式、物理過程和數(shù)值分析以及計算的實例.這本書出版后，肖爵士大加贊賞，在Nature上寫了書評，并寫信給理查森，認(rèn)為是“關(guān)于氣象預(yù)報方面的巨著”.從對這本書的文本分析來看，總的來講，理查森對數(shù)值天氣預(yù)報有全面深刻系統(tǒng)而且長遠(yuǎn)的想法，對所有環(huán)節(jié)和計算流程有著詳細(xì)論述，既有對當(dāng)時最新文獻(xiàn)和觀測數(shù)據(jù)的深刻把握，也有對未來技術(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、熱動量以及水汽的亂流輸送作用、平流層的影響等等.他還進行了數(shù)值天氣預(yù)報的實驗，但限于條件，實驗并未成功.

理查森的思想具有超越時代的重要意義，在于把大氣科學(xué)從描述性和經(jīng)驗性向著定量化發(fā)展，大氣科學(xué)只有建立在實驗物理學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，強調(diào)其中各種物理過程和動力過程及其相互作用，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代太多，他的這本杰出文獻(xiàn)出版后的幾十年并沒有受到太多重視.理查森的實驗正是人類探索非確定性世界觀的努力表現(xiàn)，其學(xué)術(shù)意義對大氣科學(xué)未來發(fā)展有深遠(yuǎn)影響.所以理查森被說成“數(shù)值天氣預(yù)報之父”.[5]

3 歷史條件的逐漸具備

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

1928年，Courant,Friedrichs和Lewy三人提出了對于線性方程初值問題不穩(wěn)定的解決辦法.[6]這篇文章也是數(shù)值預(yù)報歷史比較重要的文獻(xiàn)，引用率有一千多次.作者指出在進行數(shù)值計算時，水平網(wǎng)格距與時間步長不能相互無關(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碰到的計算不穩(wěn)定問題.即：當(dāng)線性計算滿足以下條件時，計算可以保持穩(wěn)定.

這就是CFL條件，這表明，在進行線性計算時，為使計算穩(wěn)定，作差分計算時，外推的時間步長必須小于波動通過空間格距所需要的時間.打個比喻，量尺刻度必須小于被測量物體的長度.對于慢波，如大氣長波、超常波等，波速較小，因此，時間步長可以取得大一些；而對于快波，如聲波、重力波，波速快，則時間步長只能取得很短，因此要完成一個預(yù)報，要作更多步的計算.

只要時間步長和空間步長滿足一定的限制，構(gòu)造的方程格式計算就是穩(wěn)定的，這個思想對原先理查森的數(shù)值預(yù)報有重要改進和現(xiàn)實意義.一方面，可以明確動力方程修改的方向，而不是在所有項上進行修改，可以提高預(yù)報精度和準(zhǔn)確性.另一方面，可以有選擇地對某些項進行計算，減少計算量，從而更有可能在實際業(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)帶中存在有長達(dá)數(shù)千公里的波動，[7]這些波動除有自身的結(jié)構(gòu)和運動規(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輻散的假定下，用小擾動法對渦度方程線性化，推出了著名的Rossby長波公式，通過各種近似假設(shè)把其他波動濾去，而得到了一個具有天氣意義的長波公式，大大促進了Charney過濾方程的建立.[8]

蘇聯(lián)氣象學(xué)家基別爾(H.A. Кибелъ, 1904-1970)對數(shù)值預(yù)報做出重要貢獻(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)，并研究了渦旋運動.[9]基別爾利用手搖計算機大約半天完成了蘇聯(lián)和歐洲部分國家的24小時天氣預(yù)報圖，結(jié)果比較接近實況.[10]隨后他在求解大氣動力學(xué)諸多問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)報的復(fù)興”.[12-15]Charney吸取了理查森的失敗經(jīng)驗，在Courant和Rossby等人的工作影響下，證明了在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)或準(zhǔn)無輻散并且滿足靜力平衡的條件下，可以從大氣運動方程中濾除聲波、慣性重力外波和內(nèi)波，之后推導(dǎo)建立了“過濾”模式.

他大膽地提出以一層空氣簡要代表整層大氣運動的構(gòu)思，建立了正壓模式.正壓原始方程模式是最簡單的原始方程模式.兩個假定：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)計的理想場給出.[16]Charney提出的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式過濾了短期的重力波和聲波，減少了計算量，同時需要兩個歷史條件得到滿足，一是高性能計算機的出現(xiàn)，二是相當(dāng)完善的高空臺站網(wǎng)，這個站網(wǎng)在二戰(zhàn)結(jié)束后不久就建立起來.

其中高性能計算機與馮·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)代計算機、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)報是可以用大型計算機完成的重要科學(xué)問題，通過使用電子管模擬計算大氣動力從而進行預(yù)報.為獲得計算結(jié)果他列出三個前提：第一，全新的天氣預(yù)報計算方法；第二，物理測量和觀測新的合理基礎(chǔ)是可靠的；第三，影響天氣模式計算的第一步是可以做到的.這三個前提在當(dāng)時基本上都已達(dá)到.

ENIAC數(shù)值預(yù)報實驗取得成功后，很快就運用到日常天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中.1954年7月，美國氣象局的聯(lián)合數(shù)值預(yù)報中心(TheJointNumericalWeatherPredictionUnit/JNWPU)建立，主要服務(wù)于美國空軍、美國氣象局、海軍(圖1).

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

注：701是JNWPU第一臺用于數(shù)值預(yù)報的計算機[17]

5 回歸原始方程

過濾模式由于消除了高頻波，其實也就影響了真實的大氣動力性質(zhì)，隨著計算機能力增長，回歸原始方程是歷史必然.因為濾波模式把重力波濾只是反映了大氣大尺度的規(guī)律，對于中小尺度強對流天氣，要把中小尺度天氣過程預(yù)報出來，還必須回到原始方程.實際上，在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式占主導(dǎo)地位期間，對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波和重力波(快波)，為使計算穩(wěn)定，更好地刻畫大尺度運動的變化，回歸原始方程的要點在于避免重力波的虛假產(chǎn)生和增長.

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

對于線性方程，前已述及，其計算穩(wěn)定性判據(jù)是CFL條件.而原始方程是非線性方程，對計算穩(wěn)定性十分敏感，它得以在數(shù)值預(yù)報中順利應(yīng)用的另一個重要保證，是非線性計算不穩(wěn)定(NonlinearComputationalInstabillty/NCI)的發(fā)現(xiàn)及其對策——“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.在其研究過程中發(fā)現(xiàn)，盡管積分所取時間和空間步長滿足線性CFL判據(jù)，但模式長期積分有時仍會出現(xiàn)不穩(wěn)定.對此，他深入探究.這最終導(dǎo)致“非線性計算不穩(wěn)定”概念及其機理的提出，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

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)報把不確定的空氣運動朝著確定性方向大大推進一步.氣象界似乎有了更多的信心，只要一直努力下去，借助無限增長的計算機速度，數(shù)值預(yù)報可以預(yù)報未來任意時刻的天氣，然而事實并非如此.洛倫茨及其混沌理論的提出宣告數(shù)值天氣預(yù)報存在極限.數(shù)值天氣預(yù)報學(xué)科遇到建立以來最嚴(yán)重的危機.

洛倫茨經(jīng)過認(rèn)真研究，提出數(shù)值天氣預(yù)報對于初值的極端敏感性.[20]他用簡化為3個自由度的確定論方程來模擬天氣變化，進行數(shù)值實驗的結(jié)果, 即使最初兩個數(shù)值無限接近，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，積分到一定時間階段，會進入一種區(qū)域(被稱為奇異吸引子).最初接近的初始值會得出兩個毫不相干的積分值.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)洛倫茨對流方程中的數(shù)值實驗，圖2中最上面圖表示時間函數(shù)在第1000個循環(huán)時圖形，中間是第2000個，下圖(圖2下方 )是第3000個.從中可以看出，隨著時間流逝，非周期性逐漸增強.從確定性的波動變成不可預(yù)測的非周期流.

圖2 洛倫茨對流方程中的數(shù)值實驗

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期天氣預(yù)報不可能準(zhǔn)確，大概可預(yù)報時限是2周左右.[21]

7 集合預(yù)報出現(xiàn)與預(yù)報理念的 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)報的不確定性.1969年，Epstein首先提出動力隨機預(yù)報方法，用于嘗試解決數(shù)值預(yù)報初值敏感性問題.[22]1974年Leith提出蒙特-卡洛方法，就是用一個隨機函數(shù)產(chǎn)生的擾動形成的初始場進行集合.[23]現(xiàn)在集合預(yù)報思想與此類似.集合預(yù)報就是承認(rèn)天氣預(yù)報存在極限的情況下，研究如何延長“壽命”的手段.反映了氣象學(xué)家對于數(shù)值預(yù)報初始值重要性和大氣科學(xué)本質(zhì)的進一步認(rèn)識.

一個模式預(yù)報帶有某個范圍的不確定性，多個模式集合再取平均值，其預(yù)報時效和預(yù)報效果從概率上來講比單槍匹馬的單個預(yù)報要好，因此集合預(yù)報應(yīng)時而生.集合預(yù)報的出現(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”，而且沒有合作就沒有進步.在這個階段，數(shù)值天氣預(yù)報學(xué)科逐漸走向成熟.

集合預(yù)報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)報問題是大氣在相空間中合適的概率密度函數(shù)隨時間的演變.[24]為解決初值問題導(dǎo)致的預(yù)報不準(zhǔn)確，1992年，美國NCEP和歐洲中心ECMWF開始了中期集合預(yù)報，表明集合預(yù)報開始成熟并開始業(yè)務(wù)化.[25-26]集合預(yù)報達(dá)到兩個主要目標(biāo)，一是在預(yù)報的前幾天更加準(zhǔn)確，因為不同模式預(yù)報得出結(jié)果好于單個模式；二是提供了預(yù)報后幾天的發(fā)展方向的可能性與可靠性.

由于集合預(yù)報對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)報改變了統(tǒng)計預(yù)報在中、長期天氣預(yù)報中一直占主導(dǎo)地位的局面，在中、長期氣象要素的預(yù)報中起重要作用.另一方面，這些成果揭示了預(yù)報各類天氣系統(tǒng)與初值條件有關(guān)的不確定性，改變了預(yù)報員習(xí)慣于模式確定性預(yù)報的意識和理念.

數(shù)值天氣預(yù)報的基本原理可以應(yīng)用到氣候的預(yù)測和預(yù)估上，也就是氣候模式，不過要考慮的問題更加復(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)海—陸—氣耦合模式，并包含了硫化物循環(huán)，及非硫化物循環(huán)模式和動態(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，未來動態(tài)植被或生態(tài)模式可能置入氣候模式，更高級階段就是地球系統(tǒng)模式.這對計算機的要求會不斷提高.

8 百年數(shù)值天氣預(yù)報發(fā)展歷史的啟示

基于物理規(guī)律的數(shù)值預(yù)報理論的發(fā)展，使人類可以利用計算機重現(xiàn)或預(yù)測發(fā)生在自然界的天氣變化過程，這是地球科學(xué)由“定性”走向“定量”的重大進步.2004年，WMO主席雅羅指出“數(shù)值天氣預(yù)報質(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]全球大氣研究計劃中的THORPEX科學(xué)計劃報告指出“數(shù)值預(yù)報的成功是20世紀(jì)最重大的科技和社會進步之一”.[28]目前以數(shù)值模式為核心的數(shù)值預(yù)報整體水平是國家氣象綜合科技水平的集中體現(xiàn)和一個標(biāo)志，某種程度也是國家科技實力的一個標(biāo)志.20世紀(jì)數(shù)值預(yù)報學(xué)科發(fā)展演進研究正是希望可以對當(dāng)下數(shù)值預(yù)報和未來大氣科學(xué)發(fā)展提供一些歷史視角和有益啟示.

第一，數(shù)值預(yù)報仍然普遍存在不同程度誤差.

數(shù)值天氣預(yù)報通過物理方程和數(shù)學(xué)計算刻畫大氣狀況，誤差成為不可避免的難題.也許可以說數(shù)值預(yù)報全體系都存在不同程度誤差.使用數(shù)值模擬來代替物理實驗進行研究時，結(jié)果不可避免地會受到誤差的影響，通常有四種誤差來源會對模擬結(jié)果有影響：數(shù)學(xué)模型的誤差、初值的誤差、差分格式帶來的截斷誤差(也稱為離散化誤差)、計算機的舍入誤差.大氣模式是一個離散化的數(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)報模式所描述的大氣過程并非真實的大氣過程，模式大氣與真實大氣存在誤差.而這種數(shù)值模式的預(yù)報誤差隨著模式積分時間的延長而增加.[29]

第二，大氣可預(yù)報性存在極限.

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

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

將來的大氣科學(xué)包括數(shù)值預(yù)報將會逐步融合其他科學(xué)的內(nèi)容，從物理到計算將會有更多科學(xué)方法和技術(shù)吸收到數(shù)值預(yù)報中.特別是計算數(shù)學(xué)，越來越模式化，不需要從頭開發(fā)，這對于數(shù)值預(yù)報來說是個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，同時也是重大的挑戰(zhàn)，因為在模塊化的研究框架下，非氣象專業(yè)的科學(xué)工作者也可以直接進入數(shù)值預(yù)報的前沿陣地.因此數(shù)值預(yù)報包括大氣科學(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)會愈來愈多.就像曼哈頓工程一樣，數(shù)值天氣預(yù)報將從一門小科學(xué)變成大科學(xué).21世紀(jì)數(shù)值天氣預(yù)報將會更加深刻的影響預(yù)報業(yè)務(wù)，比如中國暴雨的中尺度數(shù)值預(yù)報就是一個重要的發(fā)展領(lǐng)域.[31]

第四，數(shù)值預(yù)報演進反映了創(chuàng)新的驅(qū)動和學(xué)科交叉的驅(qū)動.

20世紀(jì)中葉，Charney等人的工作導(dǎo)致了“數(shù)值天氣預(yù)報的復(fù)興”.要報準(zhǔn)實況天氣不是增加對大氣所有現(xiàn)象的刻畫，而是如何“精簡”和“過濾”，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，不管方程左右是否平衡，只管計算出影響天氣的主要矛盾，數(shù)值天氣預(yù)報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)家運用這種簡化范式計算出了歷史上第一張數(shù)值預(yù)報天氣圖，成為里程碑式貢獻(xiàn).之后氣象學(xué)家們運用這種簡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)報對于初值的極端敏感性，也就是初始計算哪怕無限小的差異都會導(dǎo)致一定時段后巨大差距，這表明長期數(shù)值天氣預(yù)報不可能準(zhǔn)確.長期天氣現(xiàn)象不可預(yù)報不僅在于物理規(guī)律的不可逾越，而且在于計算機技術(shù)的限制.盡管今天科學(xué)技術(shù)日新月異，但是預(yù)報精度和時效的提高越來越難，幾乎每十年才能提高一天時效.數(shù)值天氣預(yù)報的發(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)動和科學(xué)與技術(shù)結(jié)合的驅(qū)動對于學(xué)科發(fā)展至關(guān)重要.未來數(shù)值預(yù)報乃至大氣科學(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)報體系.

如果把數(shù)值天氣預(yù)報積分時間無限延長，就可以對氣候進行數(shù)值預(yù)報.氣候模式已成為預(yù)測全球氣候變化的主要工具.從未來預(yù)報時效、原理和方法上區(qū)分氣象預(yù)報可分為三種類型：天氣預(yù)報，短期氣候預(yù)測和氣候變化預(yù)估.氣候預(yù)測需要考慮大氣層上下邊界的外強迫作用、五大圈層的相互影響等，不確定性很大，只是告訴人們未來可能的氣候變化趨勢與變化范圍.但是有理由認(rèn)為將來會構(gòu)建從“短臨-短時-2周天氣-短期氣候-氣候變化”這樣一個數(shù)值預(yù)報譜系，形成數(shù)值天氣-氣候預(yù)報的無縫隙預(yù)報系統(tǒng).

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[責(zé)任編輯 黃祖賓]

[責(zé)任校對 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.

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

陳正洪(1975-)，男，浙江湖州人，博士，中國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，國家氣候中心，中國工程院院士，研究方向：氣候變化和數(shù)值模式.許小峰，中國氣象局研究員，研究方向：氣象科技史和氣候變化.

P456.7

A

1673-8462(2016)04-0028-06