趣說天氣預(yù)報

杭蘇

天氣預(yù)報說，紐約市將遭遇50年來最為嚴(yán)重的世紀(jì)暴風(fēng)雪，在部分地區(qū)，積雪將厚達(dá)1米。于是，人們紛紛涌入超市，搶購食物。學(xué)校大都停課、銀行停業(yè)、航空公司取消航班。然而，整整一天，人們卻沒見到世紀(jì)暴風(fēng)雪，只看到一些懶懶散散的雪花，而且一著地就很快被提前拋撒在地上的鹽粒融化。于是，紐約百姓大呼上當(dāng)。美國廣播公司的一位著名女主持人手拿一把小尺量路邊的積雪，并說：“1米？一定是我的尺子錯了！”

天氣預(yù)測與我們生活是如此密不可分，以至于我們已經(jīng)不再對其產(chǎn)生懷疑。在過去的50 年里，我們已經(jīng)習(xí)慣性地認(rèn)為天氣是可以被“預(yù)測的”， 應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，現(xiàn)在的天氣預(yù)報準(zhǔn)確率還有待提高。盡管科技的發(fā)展給天氣預(yù)報帶來了翻天覆地的變化，但還是難以避免誤報的發(fā)生。所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)報其實是不準(zhǔn)確的時候，那種感覺像是違反了自然常規(guī)。

早期預(yù)報就像算命

今天出門穿什么，需不需要帶雨具？出門前看下當(dāng)天的天氣預(yù)報，早已深深嵌入我們的腦海中。其實，真正意義上的每日天氣預(yù)報歷史不到100年。

預(yù)測風(fēng)雨冷暖，是自古以來人類與大自然抗?fàn)幍牟恍缸非蟆Ｎ覈缭谌Ф嗄昵暗募坠俏闹芯陀嘘P(guān)于天氣預(yù)測的記述。北魏賈思勰在《齊民要術(shù)》中也有“天氣新晴，是夜必霜”等。唐杜甫詩中有“布谷催春種”，它是說布谷鳥叫以后一般不會有強(qiáng)冷空氣影響了，農(nóng)家可以播種了。中國有句“朝霞不出門，晚霞行千里”的古代諺語，在日本也廣為流傳。這句諺語在美國則以另一種韻味出現(xiàn)：“傍晚天空紅，水手樂無窮”。

世界上最早刊登天氣預(yù)報的報紙是倫敦的《泰晤士報》，日期是1875年4月1日。日本早期的天氣預(yù)報只有“全國風(fēng)向不定、天氣多變、可能有雨”等概括性的內(nèi)容。早期天氣預(yù)報愛用“晴時多云偶有陣雨”，幾乎全世界通用。

先驅(qū)竟是一名司機(jī)

每日天氣預(yù)報產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上。在一戰(zhàn)期間，一位名叫劉易斯·理查德森的救護(hù)車司機(jī)，對預(yù)見天氣狀況的可能性產(chǎn)生了濃厚的興趣，并對今天與我們的生活息息相關(guān)的每日天氣預(yù)報的形成奠定了基礎(chǔ)。

理查德森，這位天氣預(yù)報領(lǐng)域的真正巨匠，在數(shù)學(xué)的一門分支學(xué)科——數(shù)值分析中也是一位先驅(qū)。數(shù)值分析為一些過于復(fù)雜的問題尋求各種可能的方法，同時它也在人與計算機(jī)之間擔(dān)當(dāng)起了橋梁。人與計算機(jī)的關(guān)鍵區(qū)別之一在于計算機(jī)能夠以閃電的速度進(jìn)行計算。另一方面，人類能夠想出巧妙的數(shù)學(xué)方程式來展現(xiàn)這個世界是如何運(yùn)行的。

在第一次世界大戰(zhàn)時，挪威的地球物理學(xué)家威廉·皮葉克尼斯已經(jīng)得出了能夠描述大氣行為的方程式。任何時間、任何地點的大氣狀態(tài)都可以用壓強(qiáng)、溫度、密度、水汽含量、東風(fēng)、北風(fēng)、上升風(fēng)向，這7個數(shù)值來描述。理查德森知道，皮葉克尼斯的方程式可以利用數(shù)值分析進(jìn)一步簡化，而一旦對方程式進(jìn)行了簡化，他便推算自己應(yīng)當(dāng)能夠?qū)?zhàn)爭地區(qū)做出一次天氣預(yù)報了。

為了實現(xiàn)這一構(gòu)想，他將許多監(jiān)測這7個數(shù)值的器材分開放置于東西橫跨約3個經(jīng)度、南北縱跨約 125英里的整片大氣中，收集數(shù)據(jù)以進(jìn)行測量；這項分配作業(yè)約在平面上使用了12 000個監(jiān)測器，而每個監(jiān)測器在大氣中又分出 5層。

當(dāng)然，在那個時代，理查德森都是用他的雙手來完成這些工作。在那時能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的計算機(jī)仍然是個遙遠(yuǎn)的夢想，所以這位司機(jī)只能通過鉛筆和紙張來處理天氣預(yù)測的問題。理查德森想出了預(yù)見未來的方法，但是他無法獨自實現(xiàn)，他需要計算機(jī)。他后來寫道：“這個方案很復(fù)雜，因為大氣情況如此錯綜復(fù)雜。”即使最簡化的步驟所要求的計算量也足以令人發(fā)狂。如此多的計算需要同時進(jìn)行，以至于最終計算出一次僅6小時后的天氣預(yù)報就需要整整6個月的工作時間，這對預(yù)測本身毫無任何意義。

煤堆下的巨著

但理查德森沒有氣餒，他表示他的夢想是“在難以預(yù)料的未來的某一天，能把計算速度精進(jìn)得比天氣變化的速度更快”。當(dāng)理查德森寫下這些話時，他肯定在想象著未來人們能夠更快地做著計算。其實，在并不太遙遠(yuǎn)的未來，計算機(jī)已經(jīng)能夠輕而易舉地超越了人工計算。

不幸的是，做出預(yù)報所需的計算時間不是理查德森面臨的唯一問題。他用來計算的“初始數(shù)據(jù)”既不完整也不精確。他并沒有所需的全部觀測數(shù)據(jù)來完全呈現(xiàn)大氣的物理狀態(tài)。結(jié)果，首次官方天氣預(yù)報就像一尊完整的半身像一樣沉入了歷史的汪洋，這尊半身像引出了近代天氣預(yù)報最重要的規(guī)則之一：預(yù)測的準(zhǔn)確度只與獲取資料的精確度一致。

不過，雖然預(yù)報工作本身被取消了，但是理查德森的大部分提議還是正確的。對于今天我們所有依賴可靠天氣預(yù)報的人來說，幸運(yùn)的是理查德森足夠勇敢，他打算向全世界公布他的想法。然而，這時他必須找到他的手稿——在1917年4月的一次戰(zhàn)役中，他丟失了唯一的一份預(yù)報計算的手稿。數(shù)月之后他在一片廢墟的煤堆下面找到了它們。這份手稿在1922年整理出版，書名為《通過數(shù)值處理進(jìn)行天氣預(yù)測》。這本書現(xiàn)在看來不過是記錄一次天氣預(yù)測的失敗手稿，卻被廣泛認(rèn)為是已寫成的關(guān)于氣象學(xué)的最具深遠(yuǎn)影響的著作之一。

從戰(zhàn)爭中獲益

從一戰(zhàn)戰(zhàn)場回來后，當(dāng)理查德森發(fā)現(xiàn)他的工作被用在軍事目的上，他最終退出了氣象學(xué)領(lǐng)域的研究。作為一名堅定的和平主義者，這位高尚的巨匠摧毀了自己的一些研究成果，以避免它們被軍方利用。在他的余生中，理查德森將大部分時間花費(fèi)在運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來了解戰(zhàn)爭的起因上面。不過，隨著時間的推移以及理論氣象學(xué)的逐漸成熟，理查德森關(guān)于天氣預(yù)報的早期夢想被完全實現(xiàn)了。人們開發(fā)出了計算機(jī)，到20世紀(jì)40年代后期，第一次成功的數(shù)值天氣預(yù)測在位于新澤西州的普林斯頓進(jìn)修學(xué)院得以實現(xiàn)。到了20世紀(jì)50年代，日常天氣預(yù)報開始進(jìn)行。這些預(yù)報使用了非常簡單的模型，沒有考慮諸如輻射一類的變量，所以還是產(chǎn)生了種種謬誤。

一次令人滿意的天氣預(yù)報對于經(jīng)濟(jì)極其重要，因此，天氣預(yù)測領(lǐng)域開始受到更多資金的贊助。通過使用間諜衛(wèi)星來對天氣進(jìn)行偵測早在1950年就已被提出。1960年，美國國防部使用秘密間諜衛(wèi)星技術(shù)發(fā)射了首枚天氣衛(wèi)星。1969年，雨云3號衛(wèi)星的設(shè)計使用證明了天氣衛(wèi)星在改進(jìn)天氣預(yù)報方面很有幫助。衛(wèi)星的紅外輻射探測器能夠測量全世界各個地點不同高度的大氣溫度。不過，頗具諷刺意味的是，如果我們沒忘的話，應(yīng)該記得理查德森是一位和平主義者，但是天氣預(yù)測的科學(xué)研究正是受益于來自軍方的經(jīng)費(fèi)和技術(shù)。

預(yù)報為啥只有7天

然而盡管存在這些缺陷，計算機(jī)還是證明了自己在預(yù)測天氣方面是非常有效的，特別是隨著更先進(jìn)的表格和資料被收集起來以向模型提供更精確的信息。

隨著天氣預(yù)報變得越來越常規(guī)以及預(yù)報技術(shù)的不斷提升，科學(xué)家們開始尋找新的挑戰(zhàn)。今天，氣象觀測組織利用這一模型來進(jìn)行預(yù)報工作——只需90分鐘的時間來獲取所有的資料（非常重要的大氣初始資料），然后計算機(jī)運(yùn)算在實際不到 90分鐘的時間里就可以提供未來80小時（3.5天）的天氣預(yù)報。 所以，只需給一個模型3個小時，它就可以給你整個國家接下來 3天的天氣情況。

天氣預(yù)報關(guān)注的只是大氣層中發(fā)生的事情，而大氣層具有大約一周時間的記憶容量。這便是為什么地方天氣預(yù)報最多只能預(yù)報一周時間的原因。