数值天气预报和其历史（科普文章）

????????日落胭脂红，无雨便是风。晴转阴雨之前，空气中水汽、尘埃显著增加，阳光中除红色光外，几乎全部被散射，所以太阳光盘呈现"胭脂红"，预兆将有风雨。古人通过经验的积累来预测天气，如今我们打开电视或者拿出手机就能知道未来几天的天气。天气为什么可以被准确地预报呢？

????????17世纪以前，人们对天气的认识主要都是直觉的经验的，依靠人们的经验进行推测。古人有很多关于天气的谚语比如朝霞不出门，晚霞行千里 。天上勾勾云，地上雨淋淋 。蚂蚁搬家蛇过道，大雨不久要来到等等。18世纪,物理学化学和数学基础学科的发展，观测仪器的发明使得人们能够定量描述大气运动，物理化学变化。1593年意大利科学家伽利略发明了第一支温度计，此后人们可以测量大气的温度，1644年伽利略的学生托里拆利发明了第一支气压计，从此人们可以测量大气的气压。这些发现将大气的状态定量化，人们能够定量具体化大气的物理状态。

????????1793年，道尔顿提出云可能是无数小水滴组成，1850年埃斯皮明确提出气流的上升运动对云体的悬浮有重要作用。人们逐渐认识到天气现象的本质上主要是大气运动过程中水汽相态的变化。云就是大气中的水汽凝结成小水滴，小冰晶。而雨则是在一定的条件下，云中的液态水和固态水下降到地面的表现。雪则是在低层大气温度较低的情况下，冰晶没有融化以固态水的形式降落到地面上的表现。

????????1820年，布兰德斯绘制了历史上第一张天气图。1835年，柯里奥利提出了柯里奥利力。1857年，白贝罗建立了风场和气压场关系的经验定律。人们认识到小范围天气和大范围的形势有关，大气的质量分布和大气运动关系密切。等等这些成为大气动力学和天气分析的基石。

????????1897年，V.皮耶克尼斯建立了旋转地球大气的环流理论。1904年，V.皮耶克尼斯建立了描述旋转地球大气运动方程组，并以力学和物理学的观点制定了研究天气预报的计划。

????????这些天气现象为什么可以被预报呢？因为实际上天气系统水平尺度比较大,这些天气现象往往都和大范围（大尺度）的天气形势有关，这里大尺度的天气形势从物理上来说就是大气的质量，动量和能量分布。换句话说，如果我们知道某一时刻的质量，动量和能量分布，我们也就知道了这个时刻的天气。大气的运动依然符合动量守恒，质量守恒和能量守恒定律。依据这些物理学基本定律以及初始时间的大气基本量（初值条件），理论上我们就可以求解数学物理方程来得到大气的质量，动量和能量分布。这从数学物理方程角度来说是求解确定系统的初值问题，理论上是存在稳定唯一解的。

????????有了数值预报的思想，可是实际上怎么实现呢？人们接着在这条道路上进行探索。

1922年，第一位尝试用数值模式来做天气预报人的是理查森。那会还没有电子计算机，他招了很多人以手算的方式计算了两年，运用数值方法做出来了天气预报，但是计算出的6小时气压变化值达到100多百帕，和实际情况差别比较大。原因就在于他没有对原始方程做任何处理，没有考虑数值天气预报的计算稳定性问题。虽然他失败了，但是这次尝试是后人成功的基石。

????????1939年，罗斯贝开创了长波动力学研究，他创造性简化了涡度方程，引入了β平面近似，求出了正压水平无辐散的涡度方程波动解，之后又和其他科学家共同导出了位涡理论，从而创建了长波理论，建立了芝加哥学派。芝加哥学派在40年代的一些创新性研究成果奠定了数值预报的理论基础。

????????1950年恰尼，费约托夫，冯诺依曼使用尺度分析的方法简化大气运动方程建立准地转模式，成功在ENIAC计算机上做出世界上第一张数值天气预报图。这项工作的成功，标志着气象科学从定性的描述性的科学发展成定量，实验性的数理科学。

????????1956年，菲利普斯利用两层斜压准地转模式成功进行了大气环流的数值试验。

????????1963年，曾庆存使用原始方程进行数值试验成功，原始方程比准地转模式更加全面准确。曾先生在苏联留学的时候，导师让他去做这个非常困难的题目“使用原始方程进行数值试验”，他发现自己的数学水平还不够，于是坐地铁去别的大学旁听数学课。苏联当时的计算资源也是非常稀缺的，于是曾先生白天推导公式，将代码打在纸条上（当时编程还是以打孔方式），然后晚上去机房实验，就这样没日没夜工作，最后终于成功了，曾先生和他的导师基别尔都非常高兴。

????????20世纪60年代，世界上很多研究小组开始利用原始方程来模拟和预报大气运动。美国地球流体动力学实验室（GFDL）,加利福利亚大学洛杉矶分校（UCLA）,美国大气研究中心（NCAR）都先后构造出了原始方程模式并进行数值模拟。

????????1960年，美国发射第一颗气象卫星“泰罗斯1号”，1988年，中国的第一颗气象卫星“风云1号”升空。气象卫星为我们带来更多更全面的气象资料，这些资料会被同化进模式中，这进一步提高了数值预报的水平。

????????20世纪60年代至今，随着计算机技术的不断进步和计算流体力学的发展，数值预报技术不断发展和进步，一些业务预报模式已经达到了很高的预报水准。当今，世界上用于预报的模式主要有欧洲中期预报中心（ECMWF）的EC模式和美国的GFS预报系统，我们国家也有我们自己的模式GRAPES,T639模式，这几个模式都是大尺度环流模式，除此之外还有区域模式比如大名鼎鼎的WRF中尺度模式，它也会在实际业务中被参考和使用。

????????目前，中国气象局数值预报的精度已经非常高了。截至2021年，对于24小时晴雨预报准确率达到86%，最高最低气温预报准确率分别达到82%和84%，暴雨预警准确率达到89 %，雷暴冰雹天气的强对流天气预警可以提前38分钟，台风路径预报24小时误差在70KM以下。截至2022年，暴雨预警准确率达到91 %，雷暴冰雹天气的强对流天气预警可以提前42分钟。

????????数值天气预报的发展为国家防灾减灾，应对全球气候变化，生态环境变化问题，资源规划决策，增进民生福祉起到了重要的作用。