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天气预报小史

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玩气象的
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作者注:NWS预报员Chris Robbins 著文简略回顾了天气预报的发展历程,现编译如下

美国气象局,也就是现在国家气象服务中心的前生,于1870年2月9日第41届国会通过并由总统格兰特批准。当年的3月29日,全新的气象预报服务被官方委托给作战部美军信息服务中心,同时将其取名为商业服务的电报部(The Division of Telegrams and Reports for the Benefit of Commerce )。11月1日从24个站点收集到的气象报告成功的通过电报的汇总到了位于华盛顿的信息服务中心。

19世纪天气图(作战部1873年)

在长达20年的时间里,气象局都是以信息服务中心一个小的气象部门的形式出现的。然而第23届总统本杰明·哈里森认为该部门应该从作战部转移到农业部旗下。之后经过国会讨论后,该提案被通过了并且在1890年10月1日写入了法律中。自那天起,气象局就从一个军事部门正是变成了公共服务部门,并且所有的气象、电报和人力资源都转移到了农业部旗下,气象预报中心也正式更名为美国国家气象局。

作战部1897年发布的天气预报
作战部1897年发布的天气预报

早期的气象预报往往是非常“模糊不清”的,譬如1870年的气象预报听着都是这样的:“明天天大概是晴的,空气么好像还不错的样子”——与现在的7~10天预报形成鲜明的对比。当然,在145年前下决心建立气象部门需要莫大的信心,不仅仅是因为气象学在当时可谓一门全新的科学门类,也因为其潜力几乎不可知。

19世纪对新兴的气象学以及气象局的看法

1872年,即气象局建立的2年之后,纽约先驱报上刊登了这样一则社论:“从没有哪个部门能像气象局一样为科学界带来这么多荣耀,并且为人民做出了如此多的贡献,人民会为当时国会作出的合理决策而庆幸。”

1989年农业部长詹姆斯威尔逊去白宫参与一个内阁会议的时候穿着一件非常厚的风衣并且还把自己裹成了粽子。一个记者在威尔逊下了马车后问他为何要把自己包得如此严实?“年轻人,你难道不知道今晚将有一道冷锋过境吗?”威尔逊回答。“我在气象局的朋友告诉我冷锋在几个小时里就会到了,所以我穿着这么多衣服仅仅是为了不在接下来的大降温中冻着,另外我建议你现在就去找点衣服穿”。

19世纪的气象预报从来没什么计算机、卫星、雷达或者大气数学模型可以用。他们仅仅依靠观测到的一些类似温度、气压、云况的基本数据结合自己的经验来进行预报。由于缺乏对于大气热力学和动力学的了解,当时的预报都是短期的模糊的,还没有细节并且经常出错,然而这份新科学的从业人员依然受到了公众的尊重。

大气就是一团流体并且受到流体力学公式的支配

1901年,气象局的缔造者克里夫兰·阿贝提出大气的运动都可以被方程描述比并且按照一组流体力学方程组成的复杂模式运行。1094年挪威物理和气象学家威廉·比耶克内斯在阿贝的理论基础上提出通过动力学和热力学方程可以用来预测大气未来的运动并且可以推算将会发生的天气事件。现在对流体运动的学科已经被归纳为流体动力学,并且每一个现代的气象学家都会告诉你气象类课程是多么的”操蛋”,而这都几乎都基于流体动力学、热力学以及大气动力学。

路易斯·弗莱·理查森的人肉数字预报尝试

早期的大气气象预报和预测方程
早期的大气气象预报和预测方程

1910年,大英帝国科学家路易斯·弗莱·理查森为了验证比耶克内斯的数学模型理论,手动进行了一次史诗级的实验——通过人肉计算,预测六个小时后某一个地点的气压变化。他用了至少6周时间来完成这项工作,并且最后还悲剧般的失败了。之后他计算了一下总的工作量并且得出按模型计算大气运动并作出的预测至少需要大约64000个(人肉)计算器才能保证计算进度能赶上天气变化的速度——不然等结果出来孩子都会走路了。

理查森的六万人肉计算机实验事实上在接下来的数十年中都没有什么价值,有趣的是1993年林奇提交了一份《理查森计算实验的错误》的报告,他通过计算得出用理查森的方法,至少需要204800个人来进行计算而不仅仅是64000,不过这份报告仅指出了数学上的错误,对于理查森所采用的方法依然是保留了。

计算机的发展和第一个大气数学模型的出现

理查森之后一段时间内大气数学模型方面的科研进展都停滞了,直到1946年电子计算机的出现。1950年4月一群气象学家在新泽西高等研究院通过电子计算机和数学方法进行了第一次真正意义上的大气数学模型预测,尽管它们的这第一次预报时效仅仅只有24小时并且计算机用了超过24小时来完成它,但它们的结果是正确的,并且奠定了现在我们所熟知的大气数学模型预测的基础。

NOAA的现代超级计算机和预测模型

通过上面的一些历史小事已经可以看出大气运动时由流体运动、物理现象和热力学现象组成,描述他们的方程式是如此的复杂以至于解算它们必须要用到超级计算机,同时计算模型中水平和垂直尺度上的三维空间内每个计算格点的分辨率越高,则NWP模型(全球气候模型)得到的结果将变得越精确。在过去30年中大气建模方面已经有了长足的进步,而这都是建立在分辨率的提高、原始数据来源渠道的扩展以及参数的多样化上的。而随着模型的进步和扩展,解析这个模型的计算量的需求也就越来越恐怖了。

现在NWS的数学模型预测是由位于马里兰的NOAA超级计算机运行的。这台超算每秒钟能进行超过20兆次计算,而2015年10月这台超算还会进行一次加强以达到目前十倍的计算能力!升级后的超算能带来更精确、快速、和可信的预报。

NOAA 计算机预报能力变化(1955-2014)
NOAA 计算机预报能力变化(1955-2014)