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數值天氣預報的前世今生
2019-04-04 08:13:09 來源: 經濟日報
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風和日麗的北京陶然亭公園。好天氣吸引了許多遊客踏青。沈慧 攝

曾慶存院士為大家講述數值天氣預報。沈慧 攝

  面對千變萬化的天氣狀況,古代先哲通過觀天積累了一定經驗,可大體知道某些天氣變化規律。時移勢易,我們現今邁進了數值天氣預報時代,得益于這一預報技術的進步,全國24小時晴雨預報準確率已達87%,暴雨預警準確率提高到88%。

  春有百花秋有月,夏有涼風冬有雪……時序更替雖有規律,但也經常“天有不測風雲”。為應對變化無常的天氣狀況,古代先哲留下了許多智慧結晶——“日落胭脂紅,無雨必有風”“朝霞不出門,晚霞行千裏”“滿天亂飛雲,雨雪下不停”……通過觀天,古人積累了一定經驗,可知道某些天氣變化規律,這就是前科學時代的天氣預報——憑個人經驗。

  而如今,得益于天氣預報的技術進步,我們從經驗預報時代邁進了數值天氣預報時代,全國24小時晴雨預報準確率已達87%,暴雨預警準確率提高到88%。

  在這個春暖花開的季節,就讓我們跟隨第61屆國際氣象組織獎獲得者、中國科學院大氣物理研究所院士曾慶存,一覽數值天氣預報的前世今生。

  數值天氣預報被稱為20世紀最偉大的科技發展之一

  作為一名氣象科學的老戰士,曾慶存從事科研工作已有近60年。在他看來,直至20世紀,隨著氣象儀器的發明,風速、氣壓、氣溫、濕度等大氣狀態變量有了準確計量器,氣象學才開始進入“科學時代”。此時,受益于無線電技術的成功研發與大量應用,各地氣象觀測數據可以及時匯總到一個中心,繪成“天氣圖”。然而,這種天氣圖法的預報雖建立在科學分析基礎上,仍在很大程度上依賴于預報員憑經驗作出主觀判斷。

  為讓天氣預報準點,再準點,于是有了今日的數值天氣預報方法。那麼,什麼是數值天氣預報?

  曾慶存這樣解釋:根據物理學原理(大氣動力學)建立描述天氣演變過程的方程組(數學模型),輸入觀測資料,用電子計算機作數值求解,預測未來天氣。

  聽起來似乎很簡單,其實不然。20世紀初,科學界開始提出,利用描述大氣運動的原始方程組做定量天氣預報的構思。但方程組非常復雜,無法直接求解。後來,科學家創造出“數值求解”法,但由于未認識到大氣動力過程的多尺度性,無法區分天氣係統演變的主因,嘗試宣告失敗。

  時間一轉眼到了1950年,美國一位氣象學家使用電子數字積分計算機(ENIAC),做出了第一張24小時天氣形勢預報圖——由此,“數值天氣預報”一詞正式使用。可惜這一預報圖無法直接預報描述大氣運動的其他變量,如風場、降水場和比濕等,在實際業務中無法開展應用,相關試驗最終宣告停止。

  此後,國際科學界轉向對完整大氣方程的研究,努力尋找天氣變化的主因,以及能供電子計算機及時計算的方法。唯有如此,才能有真正可實用的數值天氣預報。

  朝著這一目標努力奔跑,時光不負情深,目前國際上天氣預報的有效性從早期的1天至3天,提高到5天至7天,且7天的預測能力達到可進入實際業務預報的程度。

  “數值天氣預報,20世紀最偉大的科技發展之一。”世界氣象組織如是評價。頂級期刊《自然》則盛讚其發展是一場靜悄悄的革命。

  “半隱式差分法”讓今天的數值天氣預報成為可能

  數值天氣預報從夢想照進現實,事實上離不開曾慶存。

  這位公認的國際數值天氣預報理論重要奠基人,首創了“半隱式差分法”。1961年,他在深入分析天氣演變過程的理論基礎上,在國際上首次成功求解大氣斜壓原始方程組,給出了世界上第一張採用原始方程組的天氣預報圖。這讓天氣預報從望天看雲的民謠和經驗,轉變為應用更可靠的科學理論和數據,也讓今天的數值天氣預報成為可能。

  “中華民族是有優秀理論思維的。盡管我國在1985年前沒有可供作數值天氣預報的大型計算機,但理論研究一直繼續,向世界貢獻了‘世界首創’的、嚴謹的數值天氣預報物理數學基礎理論研究成果。”曾慶存表示。

  咬定青山不放松,曾慶存此後又集中攻關研究大氣和地球流體力學的基本理論問題,以及數值天氣預報進一步發展中要解決的理論問題,並出版專著《數值天氣預報的數學物理基礎》(第一卷)。

  在1981年出版的日本《天氣》雜志中,一位日本科學家這樣評價該書:“正面引入氣象力學的數學物理基礎,這是世界首創;為構築氣象力學的學術基礎,這樣的工作必不可少;曾慶存的書是氣象學理論化極重要篇章。”在國際科學界看來,該專著為數值天氣預報和大氣動力學奠定了堅實理論基礎,結合其對斜壓原始方程組的奠基性貢獻,曾慶存成為國際數值天氣預報理論的奠基人之一。

  科學研究沒有止境。資料空缺曾是制約數值天氣預報發展的第一難題,而衛星遙感是獲取全球氣象資料時空分布和發現災害性天氣最重要的手段。按照國家當時的緊迫需求,曾慶存又參加了我國氣象衛星工程的規劃和設計工作,在完成各項具體任務的同時,注力于遙感理論研究,將各個遙感方法係統地發展為大氣遙感理論,並提出選擇水汽遙感通道的“最佳信息層”方法。

  時至今日,氣象衛星水汽通道已成為監測暴雨和臺風等災害天氣的利器。而曾慶存的反演方法也被世界各主要衛星數據處理和服務中心所採用,用于高效提取水汽含量、溫度等實時定量信息,服務于實時天氣預警和短期天氣預報。

  在數值天氣預報的支持下,如今經過社會各界共同努力,我國已經實現了多個登陸臺風的人員零死亡報告,極大保護了公眾的生命財産安全。

  隨著“解讀地球計劃”不斷推進,未來我們將能一覽地球的過去、現在和將來

  這只是個開始。要知道,天氣預報仍主要聚焦大氣圈,預報未來幾天的天氣。而預測未來一個季度、一年,甚至幾年、幾十年的氣候預測,則關係到國民經濟建設的方方面面。例如:夏季洪澇、冬季霧霾、農業規劃等,在全球氣候變化的背景下,氣候預測日顯重要。

  然而,氣候預測的困難無疑更大:與天氣預報不同,氣候預測僅憑研究大氣圈遠遠不夠,還需要了解海洋、陸面及太陽活動等情況。

  向著科學的高峰攀登。1983年,曾慶存及其團隊開始研制中國氣候係統模式和預測方法,自主研制了大氣、海洋、陸面模式,取得一係列創新性成果,並在國際上首先開創短期氣候預測係統。

  老驥伏櫪,志在千裏。已是耄耋之年的曾慶存仍推動建立著研究和預估全球氣候和生態環境變化的地球數值模擬裝置。風雨兼程、歷經九載,在數百位科學家的共同努力下,地球係統數值模擬裝置于2018年在北京市懷柔科學城破土動工。“解讀地球計劃”邁出至關重要的一步,從此,中國可以自己為地球做CT。

  “這一裝置將為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐,促進我國地球係統科學整體向國際一流水平跨越。”曾慶存表示。

  據了解,有了這個“國之重器”,可以實現對地球係統全圈層模擬,並提供全國區域高精度環境模擬,空間精度可以由原來的45公裏提高至1公裏至3公裏。在不久的將來,它會為我們解讀地球的過去、觀察地球的現在、預測地球的將來。(記者 沈慧)

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【糾錯】 責任編輯: 劉陽
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