面對(duì)千變?nèi)f化的天氣狀況，古代先哲通過觀天積累了一定經(jīng)驗(yàn)，可大體知道某些天氣變化規(guī)律。時(shí)移勢(shì)易，我們現(xiàn)今邁進(jìn)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)代，得益于這一預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步，全國(guó)24小時(shí)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率已達(dá)87%，暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率提高到88%。

　　春有百花秋有月，夏有涼風(fēng)冬有雪……時(shí)序更替雖有規(guī)律，但也經(jīng)常“天有不測(cè)風(fēng)云”。為應(yīng)對(duì)變化無常的天氣狀況，古代先哲留下了許多智慧結(jié)晶——“日落胭脂紅，無雨必有風(fēng)”“朝霞不出門，晚霞行千里”“滿天亂飛云，雨雪下不?！薄ㄟ^觀天，古人積累了一定經(jīng)驗(yàn)，可知道某些天氣變化規(guī)律，這就是前科學(xué)時(shí)代的天氣預(yù)報(bào)——憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。

　　而如今，得益于天氣預(yù)報(bào)的技術(shù)進(jìn)步，我們從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)時(shí)代邁進(jìn)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)代，全國(guó)24小時(shí)晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率已達(dá)87%，暴雨預(yù)警準(zhǔn)確率提高到88%。

　　在這個(gè)春暖花開的季節(jié)，就讓我們跟隨第61屆國(guó)際氣象組織獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所院士曾慶存，一覽數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的前世今生。

　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)被稱為20世紀(jì)最偉大的科技發(fā)展之一

　　作為一名氣象科學(xué)的老戰(zhàn)士，曾慶存從事科研工作已有近60年。在他看來，直至20世紀(jì)，隨著氣象儀器的發(fā)明，風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等大氣狀態(tài)變量有了準(zhǔn)確計(jì)量器，氣象學(xué)才開始進(jìn)入“科學(xué)時(shí)代”。此時(shí)，受益于無線電技術(shù)的成功研發(fā)與大量應(yīng)用，各地氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)匯總到一個(gè)中心，繪成“天氣圖”。然而，這種天氣圖法的預(yù)報(bào)雖建立在科學(xué)分析基礎(chǔ)上，仍在很大程度上依賴于預(yù)報(bào)員憑經(jīng)驗(yàn)作出主觀判斷。

　　為讓天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)點(diǎn)，再準(zhǔn)點(diǎn)，于是有了今日的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法。那么，什么是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)？

　　曾慶存這樣解釋：根據(jù)物理學(xué)原理（大氣動(dòng)力學(xué)）建立描述天氣演變過程的方程組（數(shù)學(xué)模型），輸入觀測(cè)資料，用電子計(jì)算機(jī)作數(shù)值求解，預(yù)測(cè)未來天氣。

　　聽起來似乎很簡(jiǎn)單，其實(shí)不然。20世紀(jì)初，科學(xué)界開始提出，利用描述大氣運(yùn)動(dòng)的原始方程組做定量天氣預(yù)報(bào)的構(gòu)思。但方程組非常復(fù)雜，無法直接求解。后來，科學(xué)家創(chuàng)造出“數(shù)值求解”法，但由于未認(rèn)識(shí)到大氣動(dòng)力過程的多尺度性，無法區(qū)分天氣系統(tǒng)演變的主因，嘗試宣告失敗。

　　時(shí)間一轉(zhuǎn)眼到了1950年，美國(guó)一位氣象學(xué)家使用電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ENIAC），做出了第一張24小時(shí)天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)圖——由此，“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”一詞正式使用?？上н@一預(yù)報(bào)圖無法直接預(yù)報(bào)描述大氣運(yùn)動(dòng)的其他變量，如風(fēng)場(chǎng)、降水場(chǎng)和比濕等，在實(shí)際業(yè)務(wù)中無法開展應(yīng)用，相關(guān)試驗(yàn)最終宣告停止。

　　此后，國(guó)際科學(xué)界轉(zhuǎn)向?qū)ν暾髿夥匠痰难芯?，努力尋找天氣變化的主因，以及能供電子?jì)算機(jī)及時(shí)計(jì)算的方法。唯有如此，才能有真正可實(shí)用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

　　朝著這一目標(biāo)努力奔跑，時(shí)光不負(fù)情深，目前國(guó)際上天氣預(yù)報(bào)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(yù)測(cè)能力達(dá)到可進(jìn)入實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的程度。

　　“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，20世紀(jì)最偉大的科技發(fā)展之一?！笔澜鐨庀蠼M織如是評(píng)價(jià)。頂級(jí)期刊《自然》則盛贊其發(fā)展是一場(chǎng)靜悄悄的革命。

　　“半隱式差分法”讓今天的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)成為可能

　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，事實(shí)上離不開曾慶存。

　　這位公認(rèn)的國(guó)際數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論重要奠基人，首創(chuàng)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(chǔ)上，在國(guó)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采用原始方程組的天氣預(yù)報(bào)圖。這讓天氣預(yù)報(bào)從望天看云的民謠和經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用更可靠的科學(xué)理論和數(shù)據(jù)，也讓今天的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)成為可能。

　　“中華民族是有優(yōu)秀理論思維的。盡管我國(guó)在1985年前沒有可供作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的大型計(jì)算機(jī)，但理論研究一直繼續(xù)，向世界貢獻(xiàn)了‘世界首創(chuàng)’的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)值天氣預(yù)報(bào)物理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論研究成果。”曾慶存表示。

　　咬定青山不放松，曾慶存此后又集中攻關(guān)研究大氣和地球流體力學(xué)的基本理論問題，以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)進(jìn)一步發(fā)展中要解決的理論問題，并出版專著《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)》(第一卷)。

　　在1981年出版的日本《天氣》雜志中，一位日本科學(xué)家這樣評(píng)價(jià)該書：“正面引入氣象力學(xué)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，這是世界首創(chuàng)；為構(gòu)筑氣象力學(xué)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，這樣的工作必不可少；曾慶存的書是氣象學(xué)理論化極重要篇章?！痹趪?guó)際科學(xué)界看來，該專著為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和大氣動(dòng)力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)，結(jié)合其對(duì)斜壓原始方程組的奠基性貢獻(xiàn)，曾慶存成為國(guó)際數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論的奠基人之一。

　　科學(xué)研究沒有止境。資料空缺曾是制約數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的第一難題，而衛(wèi)星遙感是獲取全球氣象資料時(shí)空分布和發(fā)現(xiàn)災(zāi)害性天氣最重要的手段。按照國(guó)家當(dāng)時(shí)的緊迫需求，曾慶存又參加了我國(guó)氣象衛(wèi)星工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作，在完成各項(xiàng)具體任務(wù)的同時(shí)，注力于遙感理論研究，將各個(gè)遙感方法系統(tǒng)地發(fā)展為大氣遙感理論，并提出選擇水汽遙感通道的“最佳信息層”方法。

　　時(shí)至今日，氣象衛(wèi)星水汽通道已成為監(jiān)測(cè)暴雨和臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害天氣的利器。而曾慶存的反演方法也被世界各主要衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和服務(wù)中心所采用，用于高效提取水汽含量、溫度等實(shí)時(shí)定量信息，服務(wù)于實(shí)時(shí)天氣預(yù)警和短期天氣預(yù)報(bào)。

　　在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的支持下，如今經(jīng)過社會(huì)各界共同努力，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)的人員零死亡報(bào)告，極大保護(hù)了公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

　　隨著“解讀地球計(jì)劃”不斷推進(jìn)，未來我們將能一覽地球的過去、現(xiàn)在和將來

　　這只是個(gè)開始。要知道，天氣預(yù)報(bào)仍主要聚焦大氣圈，預(yù)報(bào)未來幾天的天氣。而預(yù)測(cè)未來一個(gè)季度、一年，甚至幾年、幾十年的氣候預(yù)測(cè)，則關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的方方面面。例如：夏季洪澇、冬季霧霾、農(nóng)業(yè)規(guī)劃等，在全球氣候變化的背景下，氣候預(yù)測(cè)日顯重要。

　　然而，氣候預(yù)測(cè)的困難無疑更大：與天氣預(yù)報(bào)不同，氣候預(yù)測(cè)僅憑研究大氣圈遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要了解海洋、陸面及太陽活動(dòng)等情況。

　　向著科學(xué)的高峰攀登。1983年，曾慶存及其團(tuán)隊(duì)開始研制中國(guó)氣候系統(tǒng)模式和預(yù)測(cè)方法，自主研制了大氣、海洋、陸面模式，取得一系列創(chuàng)新性成果，并在國(guó)際上首先開創(chuàng)短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

　　老驥伏櫪，志在千里。已是耄耋之年的曾慶存仍推動(dòng)建立著研究和預(yù)估全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化的地球數(shù)值模擬裝置。風(fēng)雨兼程、歷經(jīng)九載，在數(shù)百位科學(xué)家的共同努力下，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置于2018年在北京市懷柔科學(xué)城破土動(dòng)工?！敖庾x地球計(jì)劃”邁出至關(guān)重要的一步，從此，中國(guó)可以自己為地球做CT。

　　“這一裝置將為國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對(duì)氣候變化、大氣環(huán)境治理等重大問題提供科學(xué)支撐，促進(jìn)我國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)整體向國(guó)際一流水平跨越?！痹鴳c存表示。

　　據(jù)了解，有了這個(gè)“國(guó)之重器”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球系統(tǒng)全圈層模擬，并提供全國(guó)區(qū)域高精度環(huán)境模擬，空間精度可以由原來的45公里提高至1公里至3公里。在不久的將來，它會(huì)為我們解讀地球的過去、觀察地球的現(xiàn)在、預(yù)測(cè)地球的將來。

　　（原載于《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》 2019-04-04 15版）