但是这样的分析显然还不够客观与定量,要想得到更高精确度的定量结果,我们必须用人类积累至今的数学工具精确地把结果“算”出来,这就是“数值天气预报方法”。
类似于我们中学解物理题的思路,把各个物理定律以方程组的形式联立起来,建立模型,最后带入值解方程组,得到结果,这结果就相当于一个预报。
天气预报同样需要“建模-求解”的思路。科学革命后,人类通过几个世纪的研究掌握了大气的基本物理规律,如牛顿第二定律、热力学第一定律、质量守恒定律等,并通过数学方程组全部联立起来,就建立了一个反映实际大气运动的模型,比如这个:
做个简单的连线题吧 ▼
当全球的观测点获得当前大气各个变量的初值后,我们就可以通过解方程组来预测地球大气运动。
但“可以”是一回事,“做到”就是另一回事了。
把地球算得明明白白
刚刚那个方程在数学上属于“多元非线性偏微分方程组”,这么长头衔的数学名词一听就是叠满了buff,直接求解是相当相当困难的。
但随着数学的发展,人们发现可以通过有限步的加、减、乘、除四则运算得到某个连续变量的近似值,这种方法被称为数值计算方法,让人们看到了求解的曙光。
第一位大胆尝试将数值计算方法用于天气预报的是1916年英国的理查森,他将预报区域划分为棋盘上的网格,并将时间划分为一段一段,用后来记录在每个网格上的气象数据,随着时间一段段推算1910年5月20日那一天的天气状况。
人类科学技术不断发展的主要原因之一
就是科学家的想法总是具有前瞻性的
且总是超越当时的技术▼
最终,当时身处一战中的理查森在工作间歇时间,用整整6个星期完成了6小时的天气预报,而且由于初始数据中存在噪音,其预测还存在相当的偏差,这就类似“蝴蝶效应”,失之毫厘,差之千里。
从人力计算的角度看,理查森算是“效率斐然”了。但这个速度对于天气预报,显然太慢了。1922 年,理查森在专著中描述了他关于 “天气预报工场”的奇思妙想:
1922年发表的《数值过程天气预报》
(图:Twitter)▼
一个类似剧院的挂着世界地图的球形大厅,64000个计算员在各自的座位上,分别对自己对应的地图位置予以计算,并将即时结果显示在身后的袖珍屏幕上,供周边计算员读取使用。
在大厅中心,总指挥保证全球各地的计算员保持同步计算,他的助理们以最快的速度整理计算结果,最终将预报编码并向全世界各地广播。
没有计算机的年代,只能通过大量的人力来进行计算
但如何调度如此庞大的体量
如何保证个人计算正确率又是新的问题▼