自古以来，气候作为地球自然资源和自然环境的一个重要组成部分，它的任何变化，都会对自然、生态、经济和社会的各个方面产生重大的影响。为了得到更为精准的天气预报，气象学家们把数学物理方法引入了对天气的分析、预测，从而诞生了数值天气预报。人们在高性能计算机平台上，制作数值预报，也就是用计算机预测大气中阴晴雨雪、电闪雷鸣的万千世界。
什么是数值天气预报？
所谓数值天气预报，就是利用计算机来计算天气，让计算机告诉我们风云变幻。由于大气运动遵循一些已知的物理定律，可将大气运动状态写成一组数学方程，给出这组方程的初值，也就是大气的当前状态，就可以求解出这组方程随时间变化的变量值，据此得到大气的未来状况。
数值天气预报的原理
那么数值天气预报具体是如何实现的呢？这就要从天体力学说起了。从哥白尼、开普勒到牛顿，预报天文现象，逐渐形成了天体力学方法，这种方法建立在牛顿发现万有引力的基础之上。天体在这种力的作用下，遵循牛顿运动定律——力等于质量乘以加速度，就是我们在中学都学过过的基本物理定律。先根据天体的相互位置算出万有引力，这样就能算出天体运动的加速度，有了天体运动的加速度。再根据观测知道的天体当前位置和当前移动速度，可以算出未来任一时刻，新的天体位置和在新的位置上的移动速度，这样一步一步地推算下去，就可以计算出天体运动的空间轨迹。人们设想用类似计算天体运动轨迹的方法，计算一个个空气质点的运动轨迹，由这些质点轨迹确定未来时刻的大气状态，从而预测出未来的“天气”，这就是数值天气预报的基本思想。
我们所居住的地球，表面上空被一层厚度十几公里到二十几公里的大气层所环绕，我们每天所看到的、感受到的阴晴雨霜、冷暖风雪的“天气”，就发生在这十几到二十几公里厚的大气层里。大气环绕着地球，每天都在运动变化着，大气的运动虽然瞬息万变，但也有一定的规律性，而且所有的天气变化，一般都是大气运动中的能量积累、释放、转换的结果。它遵循着一系列自然物理规律，可以根据某一时刻观测到的大气状态，用数学的方法求解方程，从而得到未来一个时刻大气的状态，也就是“天气”的状态。
失败的初次尝试
1904年挪威的贝杰克尼斯教授首次提出了数值天气预报的理论思想，认为人们完全可以通过求解一组支配大气运动变化的数学物理方程，“预知”未来的大气状态——“天气”。但是，直到1916年以后，英国的理查逊博士第一次尝试实践贝杰克尼斯提出的“数值天气预报”理论，将预报区域划分为一个一个棋盘上的格子，将时间划分为一小段一小段的时间步长，如每步为一小时，然后一个个格子、一个个时间步长地计算，当时还没有电子计算器和计算机，只能靠手工计算器来完成所有的计算。而且当时正值一战前夕，理查逊博士在前线当救护车的司机，只能利用从前线往返接送伤员的间隙，断断续续的进行他的科学计算。得出计算结果是伦敦地面的6小时气压变化为145百帕，而实际上伦敦那次的地面6小时变压几乎没有什么变化。再者，完成这一计算零零星星加起来大约花了他整整6个星期。这显然也没有“预报”的意义了。
所以，数值预报的第一次实际计算试验可以说是失败了。当时没有找到失败的原因，理查逊强调，由于资料缺乏和观测误差太大，而导致了结果不准确。事实也确实如此，当时他们只能得到欧洲地区地面的一些及其稀疏的资料，完全没有高空资料，由此构造的模式初值很不协调，计算方法使用也不得当，最终导致预报失败。
从前线回到伦敦后，他将她的“失败”工作整理成书，于1922年再伦敦出版，向人们展示了实现数值天气预报的基本计算过程和步骤，以及面临的基本问题，为后人提供了很好的参考借鉴。此外，理查逊注意到要实现这种预报，计算量相当的大。如果一个人一天工作8小时，需要约65年才完成的了。而实际上计算要与天气赛跑，“计算”要赶在天气出现之前完成，才有实际意义。在电子计算机出现之前，要完成这项任务实际上是不可能的，当人们还在做繁杂的信息采集、整理、计算时，天气已经再次出现了变化。因此，理查逊设想，当某一天计算的速度比天气发展的速度更快时，这种预报还是可能实现的。
成功的希望——计算机的诞生
在1946年的2月14号，在这个浪漫的情人节过后，世界上诞生了第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”，它是由1.8万个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，它的重量达30多吨，占地167平方米，但是它的运算速度达到了每秒5000次加法运算。参加了“埃尼阿克”研制工作的美国科学家冯诺伊曼立即想到把电子计算机用于数值天气预报的可能性。新闻界对此非常敏感，美国《纽约时报》的记者立即发表题为“天气预报将来可以由电子计算机器制作完成”的文章。
1950年，美国科学家查尼、费也托付、冯诺伊曼等三人，第一次成功地在计算机上算出了500百帕天气形势的24小时预报，第一次数值天气预报的成功，在当时的气象界轰动一时，它无论在数学上还是在大气科学上，都是一个划时代的标志。理查逊获知这一消息后，立刻给查尼团队发去电报表示祝贺，认为这是一项巨大的科学进步。从此，数值天气预报开始正式进入到气象业务发展的进程。
1954年，国际上开始将数值天气预报提到了实际业务化应用的开发日程。首先，罗斯贝教授在瑞典组织了一个业务数值天气预报研发小组，其后，美国的空军、气象局、海军三个单位联合组建了美国业务数值天气预报研发小组，随后不就，瑞典、美国就实现了数值天气预报的业务化应用。
自上个世纪初数值天气预报理论思想的提出，已经经历了一个多世纪。自上个世纪50年代起，数值天气预报的实际业务应用，也经历了半个世纪的发展完善，巨型计算机技术的飞速发展，卫星、雷达、飞机、地面等组成的综合观测系统的大规模建立，大气科学理论的不断发展完善，促进了数值天气预报准确率的不断提高。数值天气预报，已经成为世界各国气象部门每天制作天气预报服务，不可或缺的重要基础。
来源：中国科学院大气物理研究所
作者王雨曦，系2012级硕博研究生
