未来一个月天气预报天有可测风云 数值天气预报

天有可测风云——数值天气预报的诞生

过去，人们对天气的预测主要是凭经验。在民间有许多天气的谚语，然而这种预测是很不准确的。如何准确地预测天气情况呢？数学家们把数学计算方法引入了天气的分析，从而诞生了数值天气预报。

数值天气预报，指的是运用数学方法，通过数值计算进行天气预报的方法和相关的理论，是现代天气预报及天气变化预测的主要方式。

人能算天

古代中国人，很早就有通过数的计算来预测天气变化的想法。在中国古代学者看来，天气的变化也是“天文”的一个组成部分，历代的《天文志》都有关于异常天气或气象的记载。既然当时人们已成功地计算出日月星辰的运行，对它们的未来位置进行预测，为什么不能算出天气的变化呢？不过，要说对天气数值预报进行可行性的探讨却是在很久以后。

1631年，意大利学者G·伽利略发明了温度计，1643年，他的学生E·托里拆利提出了气压计原理，这使人们有可能对形成天气的某些要素作定量考察。

牛顿力学体系的建立和微积分学的创立提供了用数学方法研究气象问题的真正的可能性。但对大气现象的确切的数学表述却是在两个世纪之后了。这一段时间，许多科学家的成果为之奠定了基础。流体动力学方程，波义耳—查理定律，热力学第一定律等以及赫尔姆霍茨、开尔文、瑞利等人的出色的工作等等。

1904年挪威气象学家别克内斯指出，天气预报的中心问题就是：已知大气状态在一个时刻的观测值来解一般形式的流体力学方程。这是别克内斯对气象学的一个重大贡献——解决了从数学上怎样作预报的问题。

首次明确设法求解流体力学方程的则是英国学者L·F·理查逊，他于1910年推出了解流体力学方程这类非线性偏微分方程的数值解法——有限差方法。这个方法是把连续变量的特征用大量固定而离散的点上的值来表示，对变量的连续变化用它在离散而密布的点上的差来逼近。实际上是用有限差分近似地把所给的偏微分方程化为一系列代数方程，而这些代数方程的解是可以计算出来的。

理查逊用他的这一计算方法，求出1910年5月20日6个小时后的天气变化。这可以说是第一次“数值天气预报”。可是，理查逊的预报与实际不符，第一次数值预报失败了。 理查逊探讨了失败的原因：首先是对大气运动的描述不够理想，其次是计算方法误差太大，而更精确的计算方法要求更多的计算时间——数据太多了。那么庞大的数据，如果用64000人来计算，才有可能达到6小时前预报天气变化的结果。这简直太费时间和人力了。他的工作和经验汇集在他的《天气预报的数值方法》一书中，为后人打开了一条思路。 其后，许多气象学家对大气环流、天气系统又做了详细的研究。美国气象学家罗斯比、豪威茨、查尼等人都创建了一大批新的成果。理论有了改进，算法也有了进展。但是，一个主要的困难摆在面前——计算量特别大，利用人工计算，甚至于利用当时已有的机械式计算机，都不可能在24小时内计算出一天的预报，因而使实际的数值预报成为不可能。