諾獎得主真鍋對氣象預報百年發(fā)展有功勞
根據(jù)氣溫及氣壓等觀測數(shù)據(jù)來預測未來氣象的“數(shù)值預報”概念自提出至今已有100多年。隨著模型(計算公式)的精確化和計算機的升級換代,如今已經(jīng)可以預測幾小時后的局部地區(qū)天氣情況和數(shù)十年后的氣候變化了。獲得諾貝爾物理學獎的美國普林斯頓大學高級研究員真鍋淑郎開發(fā)的模型為數(shù)值預報的發(fā)展作出了巨大貢獻。
基于2021年7月25日上午9點的大氣情況對8月5日上午9點的降雨量進行預測(圖片由日本氣象廳提供)
數(shù)值預報是1904年挪威氣象學家皮耶克尼斯(Bjerknes)最先提出的。他認為,“只要對初期的大氣狀態(tài)以及引起大氣變化的物理規(guī)律擁有足夠正確的知識,就能進行合理的天氣預報”,并發(fā)表了運用流體力學和熱力學的方程式。
不過,計算復雜的方程式需要很長時間。英國的理查森(Richardson)曾于1920年前后嘗試手工計算出德國慕尼黑附近的6小時氣壓變化預報,但花費1個月以上的時間得出的預測值并不符合實際情況。
計算機的出現(xiàn)打破了這一壁壘。1950年,美國的馮·諾依曼(Von Neumann)使用被稱為世界首臺實用性計算機的“埃尼阿克(ENIAC)”,成功對美洲大陸上空大氣一天后的情況進行預報。
1954年瑞典開始作為氣象相關(guān)部門的業(yè)務而進行數(shù)值預報,美國的開始時間為1955年,日本為1959年。
預測整個地球大氣流動的技術(shù)也于1950~1960年代以美國為中心開始進行研究。帶頭的是美國環(huán)境科學廳(ESSA,現(xiàn)在的美國國家海洋和大氣管理局)下屬的地球物理流體力學研究所(GFDL)、加利福尼亞大學洛杉磯分校及美國國家大氣研究中心。日本研究人員也有參與。
地球物理流體力學研究所于1956年對計算機進行積極投資,引進了IBM首款商用大型計算機“701”等。真鍋淑郎在東京大學取得博士學位后成為該研究所研究人員,他在1960年代后半期建立了研究二氧化碳對全球變暖所產(chǎn)生影響的模型以及研究大氣與海洋熱交換的“大氣-海洋耦合模型”。
隨著計算機的性能迅速提高,氣象預測使用的超級計算機的運算速度大約每5年增長至原來的10倍。1970~1980年代,日立制作所、NEC及富士通的超算在世界上投入使用。
日本氣象廳開始數(shù)值預報之初,以381公里見方的區(qū)域為單位,預測北半球的天氣?,F(xiàn)在使用計算能力是當時1.5萬億倍的超算,以20公里見方的區(qū)域為單位,預測整個地球11天后的天氣。在日本周邊,以2公里見方的區(qū)域為單位,預測10小時后的局部降雨等。還根據(jù)真鍋的大氣-海洋耦合模型,進行1個月以上的長期預報。
日本理化學研究所和富士通開發(fā)的超算“富岳”
日本九州大學及日本國立環(huán)境研究所等正在使用世界最快的超算“富岳”,研究大氣中的微粒對氣候變化的影響。數(shù)值預報涉及廣泛的領(lǐng)域,已成為現(xiàn)代社會不可或缺的技術(shù)。
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本文來自微信公眾號“日經(jīng)中文網(wǎng)”(ID:rijingzhongwenwang),作者:淺沼直樹、矢野攝士,36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。