數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)——?jiǎng)⒁姿埂じＨ稹だ聿榈律 と问嬲埂?br>
引言
在瞬息萬(wàn)變碘饼、信息爆炸的今天濒憋，每個(gè)人需要做的預(yù)測(cè)越來(lái)越多。小到每天對(duì)到達(dá)辦公室的時(shí)間句柠，對(duì)日常工作進(jìn)度的預(yù)測(cè)， 大到對(duì)升學(xué)棒假，升職以及股市走向的預(yù)測(cè)可以說(shuō)是無(wú)處不在俄占，無(wú)時(shí)不有。這些預(yù)測(cè)是我們做決定的基礎(chǔ)淆衷，影響我們的工作和生活缸榄，是我們生活中重要的組成部分。在機(jī)構(gòu)和國(guó)家的決策者們制定政策和規(guī)劃之前祝拯，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的各種可能性的預(yù)測(cè)也是決策過(guò)程中極為重要的關(guān)鍵步驟甚带。
從遠(yuǎn)古時(shí)代開(kāi)始她肯，人們就嘗試各種各種方法對(duì)事件進(jìn)行預(yù)測(cè)。占卜和觀測(cè)
天象是預(yù)測(cè)的重要方式鹰贵。在中國(guó)殷商時(shí)代晴氨，朝廷在做重大決定之前，都要命巫師通過(guò)對(duì)灼燒后的龜甲或者獸骨上的裂紋的解讀, 或者用蓍草的占卦結(jié)果來(lái)判斷決定的兇吉碉输。多少年來(lái)籽前，人們希望有一種可靠的模型可以用來(lái)對(duì)自然和社會(huì)現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。于是有了《易經(jīng)》的問(wèn)世和歷史上對(duì)其汗牛充棟的解讀文獻(xiàn)敷钾。然而枝哄，由于這些預(yù)測(cè)方法建立在事物之間似是而非的關(guān)聯(lián)，甚至迷信基礎(chǔ)之上阻荒，對(duì)簡(jiǎn)單事物的變化都難以做出可靠的預(yù)測(cè)挠锥。
早期的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是人類第一次大規(guī)模應(yīng)用科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜自然現(xiàn)象變化預(yù)測(cè)的嘗試侨赡。其發(fā)展歷史充分展示了現(xiàn)代科學(xué)在幫助人類了解蓖租、預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象過(guò)程中所起的巨大作用。
在農(nóng)耕社會(huì)里羊壹，天氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中起作舉足輕重的作用蓖宦。農(nóng)作物的產(chǎn)量極大地依賴于氣象條件。大范圍的干旱油猫、暴雨等極端天氣事件經(jīng)常導(dǎo)致大批民眾流離失所球昨，引發(fā)大規(guī)模的社會(huì)動(dòng)蕩甚至朝代更迭，深刻地影響歷史發(fā)展進(jìn)程眨攘。
在近代科學(xué)出現(xiàn)以前，人們通過(guò)民間流傳的天氣諺語(yǔ)來(lái)預(yù)測(cè)天氣和氣候變化嚣州。這些諺語(yǔ)是人們?cè)谏詈蜕a(chǎn)實(shí)踐中鲫售，通過(guò)總結(jié)局地氣象條件和云的形狀、顏色该肴，霧的濃淡情竹，風(fēng)向，動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律和物候變化之間的關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)之上形成的匀哄。雖然這些氣象諺語(yǔ)對(duì)預(yù)測(cè)局地氣象條件的變化有一定的幫助秦效，但由于它們僅僅是局地的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，而非是建立在對(duì)氣象要素的客觀規(guī)律深入理解之上的定量描述涎嚼，利用氣象諺語(yǔ)難以在給定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)做出可靠的氣象預(yù)報(bào)阱州。能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣變化一直是從古代到近代人的夢(mèng)想。這種夢(mèng)想在17世紀(jì)后隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展法梯，尤其是牛頓經(jīng)典力學(xué)和近代物理學(xué)的出現(xiàn)才逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)苔货。
現(xiàn)在人們?cè)谙硎軠?zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)帶來(lái)的種種便利的同時(shí)犀概，很少有人想到就在一百多年前用科學(xué)方法預(yù)報(bào)天氣還是人們的夢(mèng)想。而夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)正是建立在現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)——?jiǎng)⒁姿埂じＨ稹だ聿榈律?Lewis Fry Richardson)早期的艱辛探索的基礎(chǔ)之上夜惭。
理查德森生平簡(jiǎn)介
劉易斯·福瑞·理查德森于1881年10月11日在英國(guó)杜倫郡（Durham）的紐卡斯?fàn)枺∟ewcastl）的一個(gè)教友派信徒家出生姻灶。他父親從事皮革生產(chǎn)，母親是來(lái)自玉米商家庭诈茧。他在家里最年幼产喉，上面有四個(gè)哥哥和兩個(gè)姐姐。理查德森在完成了一所著名的教友派學(xué)校學(xué)習(xí)四年后進(jìn)入一所現(xiàn)稱為紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)學(xué)習(xí)兩年敢会。畢業(yè)后他到劍橋大學(xué)的三一學(xué)院曾沈，師從電子的發(fā)現(xiàn)者，開(kāi)文迪習(xí)實(shí)驗(yàn)室的湯姆森教授學(xué)習(xí)走触。三年后獲得自然科學(xué)學(xué)士學(xué)位晦譬。他當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)方面的興趣是物理和數(shù)學(xué)。后來(lái)又拓展到更加廣泛的領(lǐng)域互广，包括化學(xué)敛腌，植物學(xué)和動(dòng)物學(xué)。很多年后他在倫敦大學(xué)學(xué)院學(xué)習(xí)心理學(xué)惫皱。在他47歲時(shí)從倫敦大學(xué)獲得榮譽(yù)學(xué)位像樊。
離開(kāi)劍橋大學(xué)后的十年里， 理查德森曾先后在國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室工作旅敷，威爾士和曼切斯特的學(xué)院授課生棍，和在工業(yè)界做研究。在這期間媳谁，為了求解描述物理問(wèn)題而提出的微分方程涂滴，他發(fā)展了有限差分法。1911年他開(kāi)始思考在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中使用這種方法晴音。1913年柔纵，理查德森一家遷往荒涼潮濕的蘇格蘭的伊卡斯達(dá)勒米爾（Eksdalemuir），在英國(guó)氣象局屬下的氣象和磁場(chǎng)觀測(cè)站工作锤躁。在此期間搁料，他專注于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究。1916年5月他通過(guò)氣象局長(zhǎng)向向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了他關(guān)于天氣預(yù)報(bào)的工作系羞。然而皇家學(xué)會(huì)并未在其屬下的刊物發(fā)表理查德森的工作郭计，而是給他提供100英鎊讓他在其它刊物發(fā)表。
一戰(zhàn)期間椒振，理查德森由于教友會(huì)信教徒的背景不能直接加入戰(zhàn)斗部隊(duì)昭伸，但他于1916年在法國(guó)加入了戰(zhàn)地急救隊(duì)。即使在嚴(yán)酷的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下澎迎，他仍然繼續(xù)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的研究工作勋乾。兩年后他回到英國(guó)氣象局宋下。除了進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究外，他還發(fā)展了幾款精巧的測(cè)量高層大氣的儀器辑莫。
一年以后学歧，由于英國(guó)氣象局被軍方暫管，理查德森出于對(duì)和平的信念從氣象局辭職各吨。后就職于倫敦的威斯敏斯特培訓(xùn)學(xué)院（Westminster Training
College）枝笨。在那里他的研究興趣轉(zhuǎn)到大氣湍流，作出了兩項(xiàng)重大的貢獻(xiàn)：提出“理查德森判據(jù)”用于描述湍流發(fā)生的條件和流體的穩(wěn)定性揭蜒；提出湍流中能量傳輸?shù)?/3指數(shù)定律横浑。這兩項(xiàng)結(jié)果已經(jīng)成為流體力學(xué)的經(jīng)典，直到現(xiàn)在還被氣象和流體力學(xué)界廣泛引用屉更。他于1921年出版了《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》（Weather Prediction by Numerical Process）一書徙融。
1926年，理查德森被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員瑰谜。出于對(duì)他的湍流的研究結(jié)果被用于軍事而感到不安欺冀，他從那以后就逐漸遠(yuǎn)離氣象界。作為一位和平主義者萨脑，他厭惡戰(zhàn)爭(zhēng)隐轩，他試圖通過(guò)用定量的方式來(lái)分析戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)的原因從而達(dá)到消除戰(zhàn)爭(zhēng)的目的。為此他收集和分析了大量有關(guān)戰(zhàn)爭(zhēng)的資料并寫成了兩部著作《軍備和不安全性》和《致命爭(zhēng)吵的統(tǒng)計(jì)》渤早。雖然這兩部著作是用定量方法研究戰(zhàn)爭(zhēng)的開(kāi)山之作职车，且具有很高的原創(chuàng)性，但和《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》一書的命運(yùn)一樣鹊杖，并未受到重視悴灵，連出版商都找不到。直到1960年才經(jīng)過(guò)他兒子的努力這兩部著作才得以出版骂蓖。
理查德森對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)
大氣運(yùn)動(dòng)主要是由太陽(yáng)輻射的南北差異導(dǎo)致的水平氣壓梯度积瞒，垂直氣壓梯度，重力和科氏力（Coriolis force）等驅(qū)動(dòng)涯竟。大氣系統(tǒng)內(nèi)部除了包含有極其復(fù)雜的動(dòng)力和熱力過(guò)程，也包含有形成雨雪空厌，云霧和雷電等自然現(xiàn)象的物理過(guò)程庐船。同時(shí)，大氣系統(tǒng)還與陸地和海洋交換動(dòng)量嘲更，能量筐钟，熱量和化學(xué)物質(zhì)。這些因素疊加在一起在大氣內(nèi)部激發(fā)了各種空間和時(shí)間尺度的波動(dòng)赋朦，這些波動(dòng)包括大尺度行星波篓冲，中等尺度的天氣尺度波以及小尺度的重力波李破。雖然太陽(yáng)輻射的南北差異在時(shí)間上具有一定的周期性，但由于大氣運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的非線性性壹将，大氣系統(tǒng)隨時(shí)間的演化并不具有周期性嗤攻。這給天氣預(yù)報(bào)帶來(lái)了很大的難度，人們不斷嘗試各種方法對(duì)天氣變化進(jìn)行預(yù)報(bào)诽俯。
在理查德森開(kāi)始深入研究數(shù)值天氣預(yù)報(bào)之前妇菱，歐洲采用的是用“指數(shù)”進(jìn)行的相似預(yù)報(bào)。也就是通過(guò)歷史資料尋找和當(dāng)下相似的天氣形式來(lái)對(duì)未來(lái)的天氣變化進(jìn)行預(yù)報(bào)暴区。然而闯团，由于大氣運(yùn)動(dòng)的非周期性，加之這種方法極大地依賴于預(yù)報(bào)員的直覺(jué)和對(duì)局地氣象的經(jīng)驗(yàn)仙粱，預(yù)報(bào)的精確性可想而知房交。
自從牛頓力學(xué)被應(yīng)用于解釋自然現(xiàn)象，尤其是對(duì)天體運(yùn)行的預(yù)測(cè)取得巨大的成功之后伐割，人們開(kāi)始堅(jiān)信候味，科學(xué)的方法可以用于對(duì)自然界，甚至人類社會(huì)的各種現(xiàn)象進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)口猜。這種被稱為決定論的思想在法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯
（Pierre-Simon Laplace）的概率論（Essai philosophique sur les
probabilités）中得到體現(xiàn)负溪。
“我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過(guò)去的果以及未來(lái)的因。如果一個(gè)智者能知道某一刻所有自然運(yùn)動(dòng)的力和所有自然構(gòu)成的物件的位置济炎，假如他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析川抡，那宇宙里最大的物體到最小的粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)包含在一條簡(jiǎn)單公式中。對(duì)于這智者來(lái)說(shuō)沒(méi)有事物會(huì)是含糊的须尚，而未來(lái)只會(huì)像過(guò)去般出現(xiàn)在他面前崖堤。“
得益于流行于歐洲的決定論思想耐床，有人先于理查德森嘗試用將描述大氣動(dòng)力過(guò)程的方程和其它物理原理來(lái)預(yù)報(bào)氣象要素密幔。1904年，馬克斯·馬古斯（Marx? Margules）就考慮過(guò)用空氣質(zhì)量守恒原理預(yù)報(bào)地面氣壓變化撩轰。但考慮到方程各項(xiàng)的可能誤差后胯甩，他很快就放棄了嘗試，并認(rèn)為這種方法不現(xiàn)實(shí)堪嫂。挪威的氣象學(xué)家威廉·彼杰克尼斯 （Vilhelm Bjerknes）又提出了用描述物理原理的數(shù)學(xué)方程來(lái)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的構(gòu)想偎箫。然而他不知從何下手實(shí)現(xiàn)他的構(gòu)想后，便帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而發(fā)展其它方法研究天氣變化皆串。
氣象學(xué)界普遍認(rèn)為淹办，精確的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)需要如下四個(gè)條件：對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力，熱力和其它物理原理有深刻的理解恶复；具有高空間分布密度的準(zhǔn)確的初始條件怜森；穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算方法求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的偏微分方程速挑；高速電子計(jì)算機(jī)。
理查德森在入職英國(guó)氣象局后開(kāi)始了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的系統(tǒng)研究副硅。在這以前姥宝，僅有第一個(gè)條件基本滿足。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在當(dāng)時(shí)幾乎不可能想许。然而就是在這樣的情形下伶授，他利用他發(fā)展的數(shù)值計(jì)算方法單槍匹馬地開(kāi)始了對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研究。
在他的工作中流纹，有七個(gè)預(yù)報(bào)方程來(lái)描述風(fēng)場(chǎng)糜烹，氣壓，水汽和大氣密度隨空間和時(shí)間的演化漱凝，溫度則由靜力平衡方程算出疮蹦。他對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的第一個(gè)貢獻(xiàn)就是在這些方程里加入了描述影響天氣變化的物理變量：長(zhǎng)波和短波輻射，小尺度的渦動(dòng)茸炒，以及土壤愕乎，植被和海洋溫度。由于這些方程都是依賴于時(shí)間和空間的非線性偏微分方程壁公，其解析解無(wú)法得到感论。理查德森的最重要的貢獻(xiàn)就是創(chuàng)造性地采用了他以前發(fā)展的有限差分方法。他通過(guò)對(duì)空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化以后紊册，就將偏微分方程轉(zhuǎn)化成可以利用有限差分方法求解的代數(shù)方程比肄。這種方法用離散的格點(diǎn)空間代替三維連續(xù)空間。在每一時(shí)刻囊陡，格點(diǎn)空間里的每一個(gè)格點(diǎn)上的氣象要素都可以從離散化的代數(shù)方程解出芳绩。由于覆蓋全球的三維格點(diǎn)空間的格點(diǎn)數(shù)目巨大，在計(jì)算機(jī)還未問(wèn)世的年代里撞反，利用手算方式求解數(shù)目巨大的方程根本無(wú)法 “跑”贏實(shí)際天氣的演化速度妥色，預(yù)報(bào)天氣難于登天。
然而在艱巨的任務(wù)面前遏片，理查德森并未對(duì)對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的前景喪失信心嘹害。巨大的困難激發(fā)了他解決問(wèn)題的想象力。他構(gòu)想了一座設(shè)在一大廳內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)工廠吮便。在大廳中央有一指揮臺(tái)笔呀，上面有一類似于交響樂(lè)團(tuán)的指揮通過(guò)光信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)大廳里約六萬(wàn)位專業(yè)算手進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)計(jì)算。這個(gè)構(gòu)想和現(xiàn)在的并行計(jì)算機(jī)的工作原理有很大的相似之處线衫。
為了顯示天氣預(yù)報(bào)的可行性凿可，理查德森還以一己之力惑折，完全用手工推演的方法計(jì)算了幾個(gè)格點(diǎn)上地面氣壓在6小時(shí)的變化授账。為此他每天工作12小時(shí)以上枯跑，整整化了他六周的時(shí)間。然而白热，艱辛的推演并未得到滿意的結(jié)果敛助。恰恰相反，他計(jì)算的地面氣壓在六小時(shí)內(nèi)的變化竟高達(dá)145百帕屋确，而觀測(cè)到的氣壓變化僅僅是1百帕纳击。預(yù)報(bào)的失敗導(dǎo)致了人們對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)天氣的前景產(chǎn)生失望。
1921年攻臀，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和氣象局的支持下焕数，劍橋大學(xué)出版社出版了理查德森的《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》一書，系統(tǒng)地介紹了他的研究成果刨啸。他的工作將威廉·彼杰克尼斯對(duì)天氣預(yù)報(bào)的理論構(gòu)想變成可以通過(guò)具體科學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)堡赔。理查德森的書出版以后，反響并不是很好设联。書評(píng)作者雖然肯定他的工作的價(jià)值善已，但對(duì)他的研究結(jié)果的應(yīng)用表示懷疑。加之書中的內(nèi)容龐雜离例，使得閱讀該書比較困難换团。在書出版后的近三十年里，理查德森的工作沒(méi)有引起氣象界的關(guān)注宫蛆，他的書也被束之高閣艘包，也未有研究人員繼續(xù)這方面的研究。
雖然不被理解洒扎，理查德森并未氣餒辑甜。相反，他相信在將來(lái)某個(gè)時(shí)候袍冷，人類的計(jì)算速度會(huì)快于天氣系統(tǒng)的演化速度磷醋。他還不斷思考他預(yù)報(bào)失敗的原因，并將思考的結(jié)果胡诗，新的進(jìn)展和以及與其他學(xué)者的相關(guān)討論和通信記入專門的文件或者書的空白處邓线。他希望這些新的材料可以寫進(jìn)第二版。遺憾的是煌恢，在他去世后骇陈，這些材料因?yàn)樵谟?guó)皇家氣象學(xué)會(huì)被錯(cuò)放，而一度被認(rèn)為丟失瑰抵。直到2000年才被重新找到你雌。直到現(xiàn)在《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》第二版也沒(méi)有問(wèn)世。
計(jì)算機(jī)時(shí)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展
理查德森關(guān)于預(yù)報(bào)工作失敗的原因直到二十多年后才被了解。通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)方程進(jìn)行深入的尺度分析后人們發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)失敗的原因婿崭。第一個(gè)原因是在他的計(jì)算中使用的空間和時(shí)間步長(zhǎng)不滿足數(shù)值穩(wěn)定的庫(kù)朗判據(jù)拨拓。第二個(gè)原因是他的預(yù)報(bào)方程包含了對(duì)各種空間和時(shí)間尺度波動(dòng)的描述。這些波動(dòng)包括緩慢變化的大尺度波氓栈，天氣尺度的波和快速變化的各種重力波渣磷。受觀測(cè)資料的精度的影響，理查德森在計(jì)算中使用的初始條件有很大的誤差授瘦。在預(yù)報(bào)過(guò)程中醋界，被誤差激發(fā)的虛假重力波掩蓋了天氣尺度波動(dòng)的變化，導(dǎo)致預(yù)報(bào)誤差加大提完。這是失敗的最主要的原因形纺。
失敗的原因找到后，人們先嘗試用不包含重力波的簡(jiǎn)單模式（正壓位渦模式）在美國(guó)問(wèn)世的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 上進(jìn)行模擬徒欣。模擬的結(jié)果可以再現(xiàn)大氣環(huán)流中槽脊隨時(shí)間和空間的變化挡篓。接著人們提出不同的初始化方案對(duì)初始條件進(jìn)行處理。這些方案包括數(shù)字濾波器帚称，正規(guī)模展開(kāi)和平衡方程等等官研。由于這些被處理后的初始條件會(huì)極大地抑制虛假重力波在預(yù)報(bào)期間的發(fā)展，用理查德森一樣的預(yù)報(bào)方程進(jìn)行預(yù)報(bào)也能得到好的結(jié)果闯睹。另外戏羽，隨著氣象要素的全球地面和空間觀測(cè)網(wǎng)的建立，觀測(cè)數(shù)據(jù)在空間的覆蓋率楼吃、時(shí)間的延續(xù)以及數(shù)據(jù)的精度得到極大的提高始花。三維、四維以及卡曼濾波等數(shù)據(jù)同化方法將觀測(cè)數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)以最優(yōu)化的方式融合在一起孩锡。由此產(chǎn)生的在模式格點(diǎn)上的初始條件不但在空間分布上更加均一和自洽酷宵，精度也得到極大的改善。由此產(chǎn)生天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性也相應(yīng)地得到進(jìn)一步提高躬窜。
借助于超級(jí)計(jì)算機(jī)浇垦、覆蓋全球的衛(wèi)星和探空觀測(cè)，加之對(duì)大氣物理過(guò)程的深入理解以及先進(jìn)的數(shù)值算法荣挨，理查德森當(dāng)初的構(gòu)想終于得以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)男韧。當(dāng)今數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展可謂一日千里。世界各地研究中心紛紛發(fā)展自己的全球和區(qū)域天氣預(yù)報(bào)模式以及全球氣候模式∧ⅲ現(xiàn)在全球天氣預(yù)報(bào)模式的空間精度可以達(dá)到10公里甚至更高此虑，區(qū)域模式的空間精度達(dá)到1公里以下，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的時(shí)限幾乎每10年增加1天口锭，現(xiàn)在準(zhǔn)確預(yù)報(bào)已經(jīng)可以延伸到7天朦前。通過(guò)耦合化學(xué)反應(yīng)模式和和使用化學(xué)物質(zhì)源匯的估計(jì)，數(shù)值模型不但可以用于天氣要素的預(yù)報(bào)，而且可以用于對(duì)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和全球氣候預(yù)測(cè)韭寸。全球氣候模式被廣泛地應(yīng)用于研究人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體这溅，以及破壞大氣平流層中臭氧的化學(xué)物質(zhì)對(duì)全球氣候變化的影響，其結(jié)果必將對(duì)人類未來(lái)的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響棒仍。
這些巨大的進(jìn)步都是基于理查德森多年的艱辛探索。
理查德森的工作對(duì)人類認(rèn)識(shí)論的影響
理查德森的先驅(qū)工作不僅為準(zhǔn)確的天氣和氣候預(yù)報(bào)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)臭胜，他提出的求解方程的數(shù)值方法還被廣泛地用于其它各種工程計(jì)算莫其。更為重要的是，他的工作在理論上為探索復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間和空間的演化提供了一種十分重要的手段耸三，幫助我們深刻認(rèn)識(shí)和了解各種復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和變化規(guī)律乱陡。1963年，麻省理工學(xué)院氣象系的愛(ài)德華·洛倫茲（Edward Lorenz）教授在計(jì)算機(jī)上模擬一個(gè)高度簡(jiǎn)化但具有非線性相互作用的大氣模式時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)仪壮，如果輕微地改變預(yù)報(bào)的初時(shí)條件憨颠，其后的預(yù)報(bào)結(jié)果會(huì)完全不一樣。根據(jù)這一結(jié)果积锅，他提出了著名的“蝴蝶效應(yīng)”：“一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶爽彤，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)缚陷∈矢荩“
洛倫茲的研究結(jié)果不但解釋了像第一次世界大戰(zhàn)起因于一場(chǎng)偶然的槍擊事件這樣“差之毫厘，失之千里”現(xiàn)象背后的科學(xué)原因箫爷，更重要的是揭示了對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)不可預(yù)測(cè)的根本原因嚷节。這和熱力學(xué)中不可逆性，相對(duì)論里光速極限以及量子力學(xué)里的測(cè)不準(zhǔn)原理一起揭示了人類認(rèn)識(shí)的極限虎锚。洛倫茲的研究結(jié)果和后來(lái)在其它領(lǐng)域中對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)的研究匯和在一起硫痰，形成了波瀾壯闊的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究熱潮。眾多的研究結(jié)果極大地深化了人內(nèi)對(duì)自然界和人類社會(huì)的各種復(fù)雜現(xiàn)象的了解窜护，豐富了我們的認(rèn)識(shí)效斑。有意思的是，理查德森研究數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的初衷是利用物理原理和數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣柱徙，但基于他提出的方法的進(jìn)一步研究卻指出了天氣預(yù)報(bào)精度的極限鳍悠，這是理查德森當(dāng)初完全沒(méi)有想到的。由于這個(gè)原因坐搔，天氣預(yù)報(bào)從當(dāng)初用單一數(shù)值模式進(jìn)行決定性預(yù)報(bào)逐漸轉(zhuǎn)到用多個(gè)模式進(jìn)行概率預(yù)報(bào)藏研。
理查德森研究經(jīng)歷給我們的額外啟示
從1911年開(kāi)始思考數(shù)值天氣預(yù)報(bào)問(wèn)題到1921年出版《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》，前后跨度達(dá)10年之久概行。在這期間的大部分時(shí)間里蠢挡，他都是獨(dú)立工作，很少和其他同行交流。在荒涼潮濕的蘇格蘭的伊卡斯達(dá)勒米爾工作期間业踏，他利用工作之外的時(shí)間進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)相關(guān)的研究禽炬。為了緩解因高強(qiáng)度的工作帶來(lái)的身體和精神上的壓力，他有時(shí)在寂靜無(wú)人的夜里長(zhǎng)距離跑步勤家。第一次世界大戰(zhàn)期間腹尖，他在法國(guó)戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)送傷員。即使在艱苦的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境里伐脖，他仍然以極大的決心和毅力利用空隙時(shí)間做了大量的運(yùn)算热幔。他試圖用計(jì)算結(jié)果來(lái)證明數(shù)值方法在天氣預(yù)報(bào)的可行性。倘若沒(méi)有強(qiáng)烈的興趣和堅(jiān)持不懈的性格讼庇，很難在近十年的時(shí)間里專注于被同行認(rèn)為沒(méi)有實(shí)際意義的工作绎巨。
在理查德森年代，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究被認(rèn)為是沒(méi)有意義和應(yīng)用前景蠕啄。盡管如此场勤，他的研究得到了皇家氣象學(xué)會(huì)和英國(guó)氣象局的大力支持。1916年歼跟，皇家氣象學(xué)會(huì)答應(yīng)資助100英鎊資助他出書和媳。1921年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和英國(guó)氣象局于又提供資金幫助哈街。倘若沒(méi)有這些資助窗价，理查德森的著作《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》很難問(wèn)世。
這種支持體現(xiàn)了英國(guó)社會(huì)對(duì)不同的學(xué)術(shù)思想和觀點(diǎn)的高度包容叹卷、尊重和鼓勵(lì)撼港。正是這種寬松的學(xué)術(shù)氛圍和延續(xù)不斷的學(xué)術(shù)傳承，使得英國(guó)產(chǎn)生了建立經(jīng)典力學(xué)的牛頓骤竹，建立相對(duì)論量子力學(xué)的狄拉克帝牡，提出進(jìn)化論的達(dá)爾文，以及本文提到數(shù)值預(yù)報(bào)的先驅(qū)理查德森等等眾多的巨匠大師蒙揣。
科學(xué)史上無(wú)數(shù)例子表明靶溜，重大的科學(xué)思想往往是發(fā)端于學(xué)者的長(zhǎng)期獨(dú)立思考和研究。畢竟科學(xué)有自身的發(fā)展規(guī)律懒震。創(chuàng)造寬松的學(xué)術(shù)氛圍罩息，包容和鼓勵(lì)不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)才有利于科學(xué)的健康發(fā)展。這也許是理查德森的研究經(jīng)歷給我們額外的啟發(fā)吧个扰。
｛有刪節(jié)｝ 參考文獻(xiàn)：
1）《Weather Prediction by Numerical Process》by Lewis F.
Richardson, 1965, Dover Publication Inc.
2）Peter Lynch, 2011: From Richardson to Early Numerical Weather Prediction.? Pp. 3-17 in The Development of Atmospheric General Circulation Models: Complexity, Synthesis and Computation. Leo Donner,
Wayne Schubert, Richard Somerville (Eds). Cambridge University Press,
255pp
