预报天气的美好梦想

预报天气的美好梦想

天气变化是地球上一种极普通的自然现象，也是与人类的生存密切相关的自然现象。外出活动需要风和日丽，渔夫盼望风平浪静，农夫则想着风调雨顺。老天能不能如人所愿?人们总想提前知道，以便未雨绸缪。所以，预报天气情况是人类自古以来所追求的一个目标。在长期生活积累和观察实践的基础上，人们总结出来一些流传颇广的经验规律，比如:“山雨欲来风满楼”，“早霞有雨晚霞晴”，“蚂蚁搬家蛇溜道，老牛大叫雨就到”，等等，都是些感性的朴素的天气经历，尽管也包含有预报的成分，但是谈不上科学准确。牛顿力学建立之后，人类对天气进行科学预报的想法似乎有了希望，对海王星、冥王星、哈雷彗星等星体预报的成功，以及对海潮预报的成功，大大增强了人们的信心。普遍相信，有一组物理规律支配天气从一个时刻演变到下一个时刻，这就允许人们根据这些规律去预报天气，而且比经验和猜测要准确得多。18世纪著名数学家兼哲学家拉普拉斯的名言一直是这种信念的根据和支柱，他说:“能有这样的智能，他能把宇宙中最大的天体与最小的原子包容在一个公式之内;对于这条公式来说，没有任何不确定的东西。未来与过去一样，它都可以算得一清二楚。”按照这种决定论的断言，只要知道某一时刻全球大气的初始状态，代入大气运动方程中去，就能知道往后任何时刻的天气状态。描述天气状态，需要好多影响天气变化的变量，如温度、湿度、风速(快慢和方向)、气压、雨雪强度、云的密度等，还可以列举更多的物理量。更为复杂的是，这些物理量的值不仅随着时间变化，而且还会随着空间位置变化。要想知道全球天气系统某一时刻的状态，就必须知道每个变量在每一点的值。因为大气显然有无穷多个点，所以，系统看来应该有无穷多个变量的值来确定。理论上的确如此，但实际上并非如此。往往在一定的空间范围内，大气状态物理量的变化是相当平稳的，我们可以将地球表面分割成许多网格，认为每个网格内的值是相同的。这样，变量的数目就成为有限的了。因而，方程的个数也就是有限的，而且是已知的。

将上述理想付诸实施的第一个人，是英国多才多艺的科学家理查森(L．F．Richardson，1881—1953年)。他把气压、风速和其他量的连续分布，改用这些量在规则网格点上的值代替(依不同气象站的报告)，这些量的水平变化率，用相邻点上数值的差分近似。这实际上是用数值方法求解方程组。当时正值第一次世界大战，他是反对战争的，但还是被派往前线，作一名战地救护车的司机。不过，他并没有丢下自己所热爱的天气预测。他选择某一天的大范围的天气资料随身带着，在休息时他就不厌其烦地进行加减乘除的运算，对小于欧洲的一个区域作了6小时的预报。但是失败了，预报结果与实际不符。1922年他发表了《通过数值方法进行天气预报》的论著，全面详细地介绍了他的方法并讨论了他所作的那次辉煌的失败预报。书的最后还描述了一个美好梦想的天气预报中心:在一个庞大的建筑物里，很多人操纵着某种手摇机械计算器，彼此用电报及闪光信号灯联络，由数学家在中央指挥台进行统一指挥。为了制作预报的速度能超过天气自身演化的速度(这是预报所必须达到的起码要求)，他估算，至少需要6．4万人轮流值班。工作量之大可见一斑。

由于这种根据物理学规律经过数值计算的预报方法无法实现，所以，牛顿之后200多年以来，气象预报实际上都是基于经验的猜测。预报员根据大气状态的某些特征结构，如环绕地球的急流、高压和低压涡旋及飓风、台风和热带气旋、雷雨等等，再凭他们自己的经验和前人的经验，作出某些判断，这就是预报。当然，由于天气资料、预报员的经验和判断能力都很有限，这种预报的效果可想而知。