天氣預報的不靠譜之路

路鷺

天氣可以左右人的情緒，影響農(nóng)作物的收割，決定外出旅行的基調(diào)，也會對戰(zhàn)事的推進產(chǎn)生重要的作用。然而，老實說，在歷史上很長一段時間中，天氣預報是很不靠譜的。

氣象儀器和氣象預報的出現(xiàn)

天氣預報離不開氣象儀器的發(fā)明與應(yīng)用。有了這些定量的測量儀器，冷熱干濕才有了標準和程度的區(qū)別。

15世紀，壓板風速儀被發(fā)明出來，大氣運動的速度有了衡量標準。而17世紀至18世紀，各種定量測量天氣現(xiàn)象的儀器如雨后春筍般涌現(xiàn)，氣壓計、溫度計、雨量器、濕度計……科學家對自然氣象的認識也更為深刻，比如美國科學家富蘭克林通過風箏了解了雷暴云中的電荷性質(zhì)，法國科學家J.A.C.查理制成了攜帶探測氣象要素儀器的氫氣氣球，可以用于測量空中不同高度的溫度和氣壓。

1853年克里米亞戰(zhàn)爭爆發(fā)，英、法同俄國因瓜分土耳其存在矛盾大打出手。在1854年的一場戰(zhàn)役中，英法聯(lián)軍大敗。氣象分析發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)役失敗的一大原因是未能發(fā)現(xiàn)并預報黑海地區(qū)風暴的移動，如果早些了解這些氣象情況，這次失敗完全可以避免。為此，法國政府專門設(shè)立氣象站，開展天氣圖分析并發(fā)送天氣預報，將其作為一項日常業(yè)務(wù)。這樣的舉措也陸續(xù)推廣到其他國家。

不靠譜的預測

同樣是談天氣，一戰(zhàn)期間這個話題就變得嚴肅而緊張了。因為戰(zhàn)時氣象預報不再是回望過去的氣象模式，而是需要通過科學的數(shù)學模型展望未來的氣象變化，為戰(zhàn)爭的進行提供支持。

戰(zhàn)爭期間，航空、彈道分析、毒氣漂移，許多戰(zhàn)爭手段都需要依賴準確的天氣預報。然而，當時的氣象分析一點也不可靠。盡管氣象學從19世紀就開始發(fā)展，當時氣象地圖已繪制，并靠著比風更快的電報服務(wù)發(fā)布每日天氣警示，但這種天氣預報并不準確，常常出錯。

英國數(shù)學家路易斯·弗萊伊·理查森認為當時的天氣預報在性質(zhì)上太死板，與其說是預報，倒不如說是記錄檔案。氣象員僅僅把當前觀察到的天氣現(xiàn)象與之前天氣現(xiàn)象的歷史記錄相對照，這樣做并沒辦法準確預測未來天氣變化。這種預測假定過去的氣象變化未來也會重復，而這種假定的前提沒有科學依據(jù)，并不能成立。理查森認為，要找到更準確的預測方法，氣象研究人員不應(yīng)受過去的氣象指數(shù)所局限。

1917年，理查森決定根據(jù)科學實驗數(shù)據(jù)進行氣象預測。那時候，挪威氣象學家皮葉克尼斯實時記錄了整個西歐的氣象條件，包括溫度、氣壓、空氣密度、云量、風速以及上層大氣的化合價等信息，而這些數(shù)據(jù)是公開的。這些數(shù)據(jù)使得理查森可以用數(shù)學運算的方式模擬氣象預測。他希望通過皮葉克尼斯的記錄創(chuàng)造出一個數(shù)學模型，用于未來天氣預測。于是，他做了一張覆蓋歐洲地圖的網(wǎng)格，每個小格子合并皮葉克尼斯的氣象數(shù)據(jù)，包括地域性的變化，比如露天水體對空氣中的水蒸氣影響的擴展，5個垂直的格子表示上層大氣。

理查森花費了6周時間計算某一地區(qū)6小時的氣象。如果更細致的計算那么可能6周的時間還不夠用。由于這項計算耗時良久，計算結(jié)果與真實氣象情況會不同步，并且與實際的天氣情況存在明顯的偏差。

不靠譜的數(shù)學模型竟是正確的

這種通過計算天氣的算法不太成功，但是當時倡導的這種通過數(shù)據(jù)化的描述來表現(xiàn)天氣的方式（被人們稱為“新氣象學”）倒是在一戰(zhàn)后變得非常流行，這在當時的文學作品中也有所反映。20世紀20年代，澳大利亞作家羅伯特·穆齊爾在小說《沒有個性的人》中寫道：“等溫線和等夏溫線都在發(fā)揮其應(yīng)有的功能……空中的水蒸氣在密度最大的狀態(tài)……1913年8月的這一天天氣很好。”有趣的是，“好天氣”開始有了一套新的科學量化表述。

20世紀40年代，當?shù)谝淮娮佑嬎銠C出現(xiàn)之后，理查森用于氣象預測的數(shù)學計算方法得到了證實，結(jié)果是正確的。這種計算方法至今仍是氣象預測中的基礎(chǔ)，他的實驗也使得全球開始發(fā)展起有關(guān)數(shù)值的科學氣象預測。

但是，查理森進行氣象模型建造時計算機還沒問世，僅依靠人工計算不可能完成這種算法的驗證。要想跟上天氣的無常變化，預測一次天氣需要雇6.4萬人參與計算。所以，即便是正確的測算模型，在當時也派不上用場，只能歸為不靠譜的天氣計算。

現(xiàn)在，通過手機程序查看準確的天氣信息已經(jīng)非常方便，短時氣象預測和極端天氣事件的預報也十分可信。依靠精密的雷達和衛(wèi)星云圖，地面和高空各項氣象數(shù)據(jù)都能夠即時更新，收集到的信息非常準確，高效率的計算機也使得計算過程變得簡單可操作，規(guī)避了所有可能影響最終結(jié)果的人為錯誤。奇妙的是，我們現(xiàn)在靠譜的天氣預測還是借用了當年理查森的算法。endprint