数值天气预报的前世今生

风和日丽的北京陶然亭公园。好天气吸引了许多游客踏青。沈慧摄曾庆存院士为大家讲述数值天气预报。沈慧摄面对千变万化的天气状况，古代先哲通过观天积累了一定经验，可大体知道某些天气变化规律。时移势易，我们现今迈进了数值天气预报时代，得益于这一预报技术的进步，全国24小时晴雨预报准确率已达87%，暴雨预警准确率提高到88%。春有百花秋有月，夏有凉风冬有雪……时序更替虽有规律，但也经常“天有不测风云”。为应对变化无常的天气状况，古代先哲留下了许多智慧结晶——“日落胭脂红，无雨必有风”“朝霞不出门，晚霞行千里”“满天乱飞云，雨雪下不停”……通过观天，古人积累了一定经验，可知道某些天气变化规律，这就是前科学时代的天气预报——凭个人经验。而如今，得益于天气预报的技术进步，我们从经验预报时代迈进了数值天气预报时代，全国24小时晴雨预报准确率已达87%，暴雨预警准确率提高到88%。在这个春暖花开的季节，就让我们跟随第61届国际气象组织奖获得者、中国科学院大气物理研究所院士曾庆存，一览数值天气预报的前世今生。数值天气预报被称为20世纪最伟大的科技发展之一作为一名气象科学的老战士，曾庆存从事科研工作已有近60年。在他看来，直至20世纪，随着气象仪器的发明，风速、气压、气温、湿度等大气状态变量有了准确计量器，气象学才开始进入“科学时代”。此时，受益于无线电技术的成功研发与大量应用，各地气象观测数据可以及时汇总到一个中心，绘成“天气图”。然而，这种天气图法的预报虽建立在科学分析基础上，仍在很大程度上依赖于预报员凭经验作出主观判断。为让天气预报准点，再准点，于是有了今日的数值天气预报方法。那么，什么是数值天气预报？曾庆存这样解释：根据物理学原理（大气动力学）建立描述天气演变过程的方程组（数学模型），输入观测资料，用电子计算机作数值求解，预测未来天气。听起来似乎很简单，其实不然。20世纪初，科学界开始提出，利用描述大气运动的原始方程组做定量天气预报的构思。但方程组非常复杂，无法直接求解。后来，科学家创造出“数值求解”法，但由于未认识到大气动力过程的多尺度性，无法区分天气系统演变的主因，尝试宣告失败。时间一转眼到了年，美国一位气象学家使用电子数字积分计算机（ENIAC），做出了第一张24小时天气形势预报图——由此，“数值天气预报”一词正式使用。可惜这一预报图无法直接预报描述大气运动的其他变量，如风场、降水场和比湿等，在实际业务中无法开展应用，相关试验最终宣告停止。此后，国际科学界转向对完整大气方程的研究，努力寻找天气变化的主因，以及能供电子计算机及时计算的方法。唯有如此，才能有真正可实用的数值天气预报。朝着这一目标努力奔跑，时光不负情深，目前国际上天气预报的有效性从早期的1天至3天，提高到5天至7天，且7天的预测能力达到可进入实际业务预报的程度。“数值天气预报，20世纪最伟大的科技发展之一。”世界气象组织如是评价。顶级期刊《自然》则盛赞其发展是一场静悄悄的革命。“半隐式差分法”让今天的数值天气预报成为可能数值天气预报从梦想照进现实，事实上离不开曾庆存。这位公认的国际数值天气预报理论重要奠基人，首创了“半隐式差分法”。年，他在深入分析天气演变过程的理论基础上，在国际上首次成功求解大气斜压原始方程组，给出了世界上第一张采用原始方程组的天气预报图。这让天气预报从望天看云的民谣和经验，转变为应用更可靠的科学理论和数据，也让今天的数值天气预报成为可能。“中华民族是有优秀理论思维的。尽管我国在年前没有可供作数值天气预报的大型计算机，但理论研究一直继续，向世界贡献了‘世界首创’的、严谨的数值天气预报物理数学基础理论研究成果。”曾庆存表示。咬定青山不放松，曾庆存此后又集中攻关研究大气和地球流体力学的基本理论问题，以及数值天气预报进一步发展中要解决的理论问题，并出版专著《数值天气预报的数学物理基础》(第一卷)。在年出版的日本《天气》杂志中，一位日本科学家这样评价该书：“正面引入气象力学的数学物理基础，这是世界首创；为构筑气象力学的学术基础，这样的工作必不可少；曾庆存的书是气象学理论化极重要篇章。”在国际科学界看来，该专著为数值天气预报和大气动力学奠定了坚实理论基础，结合其对斜压原始方程组的奠基性贡献，曾庆存成为国际数值天气预报理论的奠基人之一。科学研究没有止境。资料空缺曾是制约数值天气预报发展的第一难题，而卫星遥感是获取全球气象资料时空分布和发现灾害性天气最重要的手段。按照国家当时的紧迫需求，曾庆存又参加了我国气象卫星工程的规划和设计工作，在完成各项具体任务的同时，注力于遥感理论研究，将各个遥感方法系统地发展为大气遥感理论，并提出选择水汽遥感通道的“最佳信息层”方法。时至今日，气象卫星水汽通道已成为监测暴雨和台风等灾害天气的利器。而曾庆存的反演方法也被世界各主要卫星数据处理和服务中心所采用，用于高效提取水汽含量、温度等实时定量信息，服务于实时天气预警和短期天气预报。在数值天气预报的支持下，如今经过社会各界共同努力，我国已经实现了多个登陆台风的人员零死亡报告，极大保护了公众的生命财产安全。随着“解读地球计划”不断推进，未来我们将能一览地球的过去、现在和将来这只是个开始。要知道，天气预报仍主要聚焦大气圈，预报未来几天的天气。而预测未来一个季度、一年，甚至几年、几十年的气候预测，则关系到国民经济建设的方方面面。例如：夏季洪涝、冬季雾霾、农业规划等，在全球气候变化的背景下，气候预测日显重要。然而，气候预测的困难无疑更大：与天气预报不同，气候预测仅凭研究大气圈远远不够，还需要了解海洋、陆面及太阳活动等情况。向着科学的高峰攀登。年，曾庆存及其团队开始研制中国气候系统模式和预测方法，自主研制了大气、海洋、陆面模式，取得一系列创新性成果，并在国际上首先开创短期气候预测系统。老骥伏枥，志在千里。已是耄耋之年的曾庆存仍推动建立着研究和预估全球气候和生态环境变化的地球数值模拟装置。风雨兼程、历经九载，在数百位科学家的共同努力下，地球系统数值模拟装置于年在北京市怀柔科学城破土动工。“解读地球计划”迈出至关重要的一步，从此，中国可以自己为地球做CT。“这一装置将为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑，促进我国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。”曾庆存表示。据了解，有了这个“国之重器”，可以实现对地球系统全圈层模拟，并提供全国区域高精度环境模拟，空间精度可以由原来的45公里提高至1公里至3公里。在不久的将来，它会为我们解读地球的过去、观察地球的现在、预测地球的将来。（记者沈慧）