張培群·解剖天氣預(yù)報

張培群

中國氣象局國家氣候中心氣候預(yù)測室主任。1987年考入蘭州大學(xué)從大本到博士，一待就是10年，中國氣象局是他的第一份工作，在同一科室工作至今。

環(huán)保是一個大科學(xué)概念，而氣象學(xué)則是一個大環(huán)保概念。氣象學(xué)家會在檢測后告訴你：按北冰洋現(xiàn)在的融冰速度將在2012年出現(xiàn)無冰現(xiàn)象；喜馬拉雅地區(qū)的冰川到2035年總面積可能從現(xiàn)在的50萬平方公里縮減到10萬平方公里——這一切讓我們介紹氣象學(xué)家的科學(xué)工作觀顯得那么急迫。

簡單來說，氣候是天氣現(xiàn)象的一個統(tǒng)計結(jié)果。作為中國氣象局國家氣候中心的一員，張培群的主要工作比下文中介紹的內(nèi)容要再多一步，那就是需要用統(tǒng)計學(xué)原理從氣象數(shù)據(jù)中得到短期社會預(yù)測。

我和張培群站在中國氣象大廈12層的窗口舉目遠(yuǎn)眺，不遠(yuǎn)處除了一群嬉鬧的孩子外，還矗立著幾座記錄天氣數(shù)值用的晴雨表、風(fēng)向儀、雨量傳感器。“照片去那兒拍吧，別人一看就知道你是做氣象研究這塊兒的。”我同他商量。張培群顯得很為難，“可那是數(shù)據(jù)觀測人員才會用到的儀器……”

他認(rèn)為上述照片的呈現(xiàn)對他工作內(nèi)容的描述不夠準(zhǔn)確，就好像之后攝影師塞給他一把破傘做拍攝道具時，他會把身上穿著的毛背心脫掉一樣。在他的概念里，如果周圍沒有雨，那么打傘這件事便與炎熱有關(guān)，哪有在大熱天里打傘還穿著毛背心的呢？做事情最好能客觀準(zhǔn)確——這種行事風(fēng)格與他對科學(xué)的認(rèn)知有關(guān)。

張氏“現(xiàn)代科學(xué)三要素”

在張培群看來，現(xiàn)代科學(xué)的基本特點(diǎn)之一是要準(zhǔn)確，能夠提出來理論性的東西，可追溯，可重復(fù)，可檢驗；第二，有規(guī)律可循，比如可以運(yùn)用公式運(yùn)算，或者只要通過既定的流程和方法，就可以做出一樣的東西；第三，是客觀定量的，可測量，并且具有穩(wěn)定性。

“氣象學(xué)是非常古老的學(xué)科，‘氣’是包裹著地球的大氣，‘象’是狀態(tài)。最開始它和地理歸在一個學(xué)科里，直到獨(dú)立成為一門科學(xué)之后才分化出了大氣科學(xué)系，也就是我們主要在做的地球大氣研究。在過去，盡管也有理論——比如諺語‘朝霞不出門，晚霞行千里’，雖然這多少帶有點(diǎn)統(tǒng)計學(xué)原理，但是卻不能用數(shù)據(jù)或公式來準(zhǔn)確地論證并預(yù)測它。所以現(xiàn)代科學(xué)作用于氣象最主要的特點(diǎn)，便是可以用明確的數(shù)理方程來描述大氣運(yùn)動，把其運(yùn)動特點(diǎn)或者變化規(guī)律提煉成公式或方程的形式。”張培群說。

也是基于他這個“現(xiàn)代科學(xué)三要素”的篩分邏輯，張培群認(rèn)為針灸不能算科學(xué)，因為它很難做到精準(zhǔn)重復(fù)，但“麥當(dāng)勞”就算科學(xué)，因為無論配方溫度都有明確的指標(biāo)，所以全世界的味道都差不太多。

“納維斯托克斯方程”

“描述天氣有幾個要素：風(fēng)、溫、壓、濕。四要素的統(tǒng)計平均值被稱為‘氣候’，早年間我們主要用的方法就是統(tǒng)計，因為缺乏物理學(xué)的認(rèn)知，所以預(yù)測結(jié)果往往與事實大相徑庭。現(xiàn)在為什么敢說天氣的基本規(guī)律已經(jīng)被掌握，是因為我們能夠用數(shù)學(xué)物理方程來描述這個變化過程。”張培群說。

具體說來，大氣本身是一種流體，符合物理的氣體流體的運(yùn)動規(guī)律，所以便可以借助物理公式來進(jìn)行研究和預(yù)測。他說：“在氣象研究中主要運(yùn)用到的是納維斯托克斯方程(Navier-StokesEquations)，這是一組描述類似液體和空氣這樣的流體物質(zhì)的方程，我們習(xí)慣叫它‘原始方程’。”

所謂的納維斯托克斯方程其實就是牛頓第二定律在不可壓縮粘性流動中的表達(dá)式，其矢量形式為“Y=1-(a/ex+b/e2x)”。“它是描述流體運(yùn)動種類的一個方程，不同流體有不同的簡化和適用形式。比如大氣，大氣層總的說有幾十公里，出現(xiàn)天氣變化最多的是近地層，其次是對流層，再上邊的平流層變化比較少，電離層則更少。找到原始方程跟天氣的適用形式，我們才有做出準(zhǔn)確天氣預(yù)報的基礎(chǔ)。”他說。

事實上，要解納維斯托克斯方程在數(shù)學(xué)上還需要有“初邊值條件”——納維斯托克斯方程屬于“偏微分方程”，而求解偏微分方程的結(jié)果除了方程外還和幾何邊界形狀有關(guān)。對天氣來說，大氣也有邊界，如果針對范圍是全球大氣，那么就是“下電面(地面或海面的交界)條件”，如果是區(qū)域大氣，那就需要“側(cè)邊界條件”。所以只有具備方程、初邊值數(shù)據(jù)，才能對原始方程進(jìn)行求解，這就是為什么在了解方程換算方式的同時還要設(shè)立那么多氣象觀測站的原因。

如何進(jìn)行精準(zhǔn)天氣預(yù)報？

“為何都是用原始方程求解，但是過去和現(xiàn)在的天氣預(yù)報精準(zhǔn)度差別那么大？現(xiàn)在比過去準(zhǔn)太多啊。”我感嘆道。張培群解釋說，之所以現(xiàn)在的預(yù)報水平提高，是因為意識到天氣預(yù)報誤差的來源是什么，即對原始方程和邊界條件的認(rèn)識不夠全面，所以現(xiàn)在的研究人員就分成了兩撥，一部分專門研究如何讓原始方程的運(yùn)算更準(zhǔn)確，另一部分則研究如何把觀測變得更細(xì)致精準(zhǔn)。

“全國現(xiàn)在有2000多個觀測站做數(shù)據(jù)覆蓋，增加觀測分辨率，有了大量的數(shù)據(jù)，才可以相對精準(zhǔn)地描述初邊值。然后通過計算機(jī)來進(jìn)行具體的運(yùn)算(所以計算機(jī)的發(fā)展一定程度上提升了天氣預(yù)報的精準(zhǔn)度)。但從數(shù)學(xué)上來說，‘偏微分方程’不能求出解析解，只能得到數(shù)值解，這已經(jīng)是目前最適合初邊值條件的一個解，所以如何讓數(shù)值解盡量接近解析解，就是我們努力的一個方向。我們現(xiàn)在主要就是把偏微分方程變成常微分方程，然后再變成代數(shù)方程。而解代數(shù)方程的困難在于‘非線形方程’，因為它是互相作用不斷變化的，所以我們只能用很多線形方程來接近非線形方程，以此減少誤差。”張培群說。

當(dāng)然，即便有了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)觀測和好的數(shù)學(xué)模式也不一定能獲得準(zhǔn)確的天氣預(yù)報，這就涉及到二者間數(shù)據(jù)的“同化”問題。“事實上，現(xiàn)代天氣預(yù)報比拼的就是這個同化過程，它更像一個工藝問題。”張培群說，“這種工藝的提高不同于工匠手藝的提高模式，它必須是現(xiàn)代生產(chǎn)方式下的提高，我覺得這是一個科學(xué)組織的問題——我們需要了解今天的科學(xué)本質(zhì)，它已經(jīng)不是一個科學(xué)家個體可以單槍匹馬出成果的時代，而必須是很多很多科學(xué)家聚在一起，用大家都能聽得懂的語言把每一個‘工藝’的細(xì)節(jié)、步驟描述出來，要分工、共享，然后不斷實踐和驗證，才能得到推進(jìn)。”

順著張培群的思路到這里，我已經(jīng)很難界定，這是屬于大科學(xué)視野的工作觀，還是一種科學(xué)的組織方式，抑或是精細(xì)管理下的科學(xué)生產(chǎn)力？我唯一能確定的，是眼前這個會把不擅與人交往的自己稱為“自然科學(xué)工作者”、把擅長與人交往的老婆稱為“社會科學(xué)工作者”、把處理“人與人之間關(guān)系”稱為“最艱深的科學(xué)”的人，是一個地地道道的科研工作者。