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　　面對千變萬化的天氣狀況，古代先哲通過觀天積累了一定經驗，可大體知道某些天氣變化規(guī)律。時移勢易，我們現(xiàn)今邁進了數(shù)值天氣預報時代，得益于這一預報技術的進步，全國24小時晴雨預報準確率已達87%，暴雨預警準確率提高到88%。

　　春有百花秋有月，夏有涼風冬有雪……時序更替雖有規(guī)律，但也經?！疤煊胁粶y風云”。為應對變化無常的天氣狀況，古代先哲留下了許多智慧結晶——“日落胭脂紅，無雨必有風”“朝霞不出門，晚霞行千里”“滿天亂飛云，雨雪下不停”……通過觀天，古人積累了一定經驗，可知道某些天氣變化規(guī)律，這就是前科學時代的天氣預報——憑個人經驗。

　　而如今，得益于天氣預報的技術進步，我們從經驗預報時代邁進了數(shù)值天氣預報時代，全國24小時晴雨預報準確率已達87%，暴雨預警準確率提高到88%。

　　在這個春暖花開的季節(jié)，就讓我們跟隨第61屆國際氣象組織獎獲得者、中國科學院大氣物理研究所院士曾慶存，一覽數(shù)值天氣預報的前世今生。

　　數(shù)值天氣預報被稱為20世紀最偉大的科技發(fā)展之一

　　作為一名氣象科學的老戰(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，隨著氣象儀器的發(fā)明，風速、氣壓、氣溫、濕度等大氣狀態(tài)變量有了準確計量器，氣象學才開始進入“科學時代”。此時，受益于無線電技術的成功研發(fā)與大量應用，各地氣象觀測數(shù)據(jù)可以及時匯總到一個中心，繪成“天氣圖”。然而，這種天氣圖法的預報雖建立在科學分析基礎上，仍在很大程度上依賴于預報員憑經驗作出主觀判斷。

　　為讓天氣預報準點，再準點，于是有了今日的數(shù)值天氣預報方法。那么，什么是數(shù)值天氣預報？

　　曾慶存這樣解釋：根據(jù)物理學原理（大氣動力學）建立描述天氣演變過程的方程組（數(shù)學模型），輸入觀測資料，用電子計算機作數(shù)值求解，預測未來天氣。

　　聽起來似乎很簡單，其實不然。20世紀初，科學界開始提出，利用描述大氣運動的原始方程組做定量天氣預報的構思。但方程組非常復雜，無法直接求解。后來，科學家創(chuàng)造出“數(shù)值求解”法，但由于未認識到大氣動力過程的多尺度性，無法區(qū)分天氣系統(tǒng)演變的主因，嘗試宣告失敗。

　　時間一轉眼到了1950年，美國一位氣象學家使用電子數(shù)字積分計算機（ENIAC），做出了第一張24小時天氣形勢預報圖——由此，“數(shù)值天氣預報”一詞正式使用。可惜這一預報圖無法直接預報描述大氣運動的其他變量，如風場、降水場和比濕等，在實際業(yè)務中無法開展應用，相關試驗最終宣告停止。

　　此后，國際科學界轉向對完整大氣方程的研究，努力尋找天氣變化的主因，以及能供電子計算機及時計算的方法。唯有如此，才能有真正可實用的數(shù)值天氣預報。

　　朝著這一目標努力奔跑，時光不負情深，目前國際上天氣預報的有效性從早期的1天至3天，提高到5天至7天，且7天的預測能力達到可進入實際業(yè)務預報的程度。

　　“數(shù)值天氣預報，20世紀最偉大的科技發(fā)展之一?！笔澜鐨庀蠼M織如是評價。頂級期刊《自然》則盛贊其發(fā)展是一場靜悄悄的革命。

　　“半隱式差分法”讓今天的數(shù)值天氣預報成為可能

　　數(shù)值天氣預報從夢想照進現(xiàn)實，事實上離不開曾慶存。

　　這位公認的國際數(shù)值天氣預報理論重要奠基人，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上，在國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報圖。這讓天氣預報從望天看云的民謠和經驗，轉變?yōu)閼酶煽康目茖W理論和數(shù)據(jù)，也讓今天的數(shù)值天氣預報成為可能。

　　“中華民族是有優(yōu)秀理論思維的。盡管我國在1985年前沒有可供作數(shù)值天氣預報的大型計算機，但理論研究一直繼續(xù)，向世界貢獻了‘世界首創(chuàng)’的、嚴謹?shù)臄?shù)值天氣預報物理數(shù)學基礎理論研究成果。”曾慶存表示。

　　咬定青山不放松，曾慶存此后又集中攻關研究大氣和地球流體力學的基本理論問題，以及數(shù)值天氣預報進一步發(fā)展中要解決的理論問題，并出版專著《數(shù)值天氣預報的數(shù)學物理基礎》(第一卷)。

　　在1981年出版的日本《天氣》雜志中，一位日本科學家這樣評價該書：“正面引入氣象力學的數(shù)學物理基礎，這是世界首創(chuàng)；為構筑氣象力學的學術基礎，這樣的工作必不可少；曾慶存的書是氣象學理論化極重要篇章。”在國際科學界看來，該專著為數(shù)值天氣預報和大氣動力學奠定了堅實理論基礎，結合其對斜壓原始方程組的奠基性貢獻，曾慶存成為國際數(shù)值天氣預報理論的奠基人之一。

　　科學研究沒有止境。資料空缺曾是制約數(shù)值天氣預報發(fā)展的第一難題，而衛(wèi)星遙感是獲取全球氣象資料時空分布和發(fā)現(xiàn)災害性天氣最重要的手段。按照國家當時的緊迫需求，曾慶存又參加了我國氣象衛(wèi)星工程的規(guī)劃和設計工作，在完成各項具體任務的同時，注力于遙感理論研究，將各個遙感方法系統(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。

　　時至今日，氣象衛(wèi)星水汽通道已成為監(jiān)測暴雨和臺風等災害天氣的利器。而曾慶存的反演方法也被世界各主要衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和服務中心所采用，用于高效提取水汽含量、溫度等實時定量信息，服務于實時天氣預警和短期天氣預報。

　　在數(shù)值天氣預報的支持下，如今經過社會各界共同努力，我國已經實現(xiàn)了多個登陸臺風的人員零死亡報告，極大保護了公眾的生命財產安全。

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

　　這只是個開始。要知道，天氣預報仍主要聚焦大氣圈，預報未來幾天的天氣。而預測未來一個季度、一年，甚至幾年、幾十年的氣候預測，則關系到國民經濟建設的方方面面。例如：夏季洪澇、冬季霧霾、農業(yè)規(guī)劃等，在全球氣候變化的背景下，氣候預測日顯重要。

　　然而，氣候預測的困難無疑更大：與天氣預報不同，氣候預測僅憑研究大氣圈遠遠不夠，還需要了解海洋、陸面及太陽活動等情況。

　　向著科學的高峰攀登。1983年，曾慶存及其團隊開始研制中國氣候系統(tǒng)模式和預測方法，自主研制了大氣、海洋、陸面模式，取得一系列創(chuàng)新性成果，并在國際上首先開創(chuàng)短期氣候預測系統(tǒng)。

　　老驥伏櫪，志在千里。已是耄耋之年的曾慶存仍推動建立著研究和預估全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化的地球數(shù)值模擬裝置。風雨兼程、歷經九載，在數(shù)百位科學家的共同努力下，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置于2018年在北京市懷柔科學城破土動工。“解讀地球計劃”邁出至關重要的一步，從此，中國可以自己為地球做CT。

　　“這一裝置將為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環(huán)境治理等重大問題提供科學支撐，促進我國地球系統(tǒng)科學整體向國際一流水平跨越?！痹鴳c存表示。

　　據(jù)了解，有了這個“國之重器”，可以實現(xiàn)對地球系統(tǒng)全圈層模擬，并提供全國區(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，它會為我們解讀地球的過去、觀察地球的現(xiàn)在、預測地球的將來。

　?。ㄔd于《經濟日報》 2019-04-04 15版）