计算出来的天气

天气变化是地球上的一种普通的自然现象。普通百姓在长期生产实践中已总结出一些规律，如：“早霞雨，晚霞晴”，“燕子低飞蛇过道，瓢泼大雨要来到”，“天上勾勾云，地下雨淋淋”，等等。但这并不是系统化的科学预测。

从牛顿力学以来，特别是流体力学和计算机科学以来，气象研究已有长足进步。很早人们就希望机器参与天气预报，因为天气预报所涉及的数据量太大，运算很复杂。为了预报明天的天气，一伙人（如 20 人）不断地算啊

算，可能要算 170 个小时，即 7 天后才能知道结果。显然这种预报没有前瞻意义，只有检验算法的意义。早期用手算，后来用手摇机械计算机算，后来用电子管计算机、晶体管计算机等等。没有计算机、没有计算机网络通讯，就没有现代意义上的天气预报。建国初期，我国气象通信采用无线莫尔斯广播方式，以每分钟 120—130 个字码的速度拍发电报信号传送气象数据。到

了 80 年代，国内自己研制了大型计算机并引进了专用气象通讯网络，国家

气象中心每天信息吞吐量达 5000 万字节（bytes），能够及时准确地处理和传送气象雷达、卫星云图和数值预报数据。现在，利用中国自己研制的银河

-Ⅱ号巨型计算机，作全国范围的一次中期天气预报，需要计算 1 小时零 9 分。在与天气“赛跑”中，人们已经能够跑在天气前头了，但是，稍不留神，也会反过来。

而今，天气预报是人们日常生活中都熟悉的事情，广播、电视每日都在黄金时间播出天气预报节目。虽然有时讲得也不准，但给人们的印象是，天气预报还是有用的，大部分情况下说得较准。你可能也有不满意的时候，比如播音员说：“今日晴转多云，有时阴，局部地方有小到中雨，部分地区有大到暴雨，温度小于 50℃大于—3℃，风力一二级转三四级，有时七八级。”

当然，这说得太夸张了。但类似的预报确实有，有时不一定是故意的。这使人想起江湖算命先生。算命先生察颜观色、巧用语言，再加上主观诱导，准确率达到七八成大概没问题。但搞天气预报最终不是为了骗人。在现代社会，天气预报已成为保证国民经济健康发展、防灾减灾的一个重要行当，国

家设有“国家气象局”，地方设有各类气象台站。天气预报常常采用最先进的科技手段，如气象卫星、航空探测、地面测量、国际气象数据交流、超大规模计算机数据处理等等。

正是有了这些现代化装备，天气预报才达到现在的准确程度。然而即使如此，仍然没有人敢说，天气预报百分之百准确。我们时常见识过，预报明天有中雨，你出门事先带了一把伞，但那天十分晴朗；有时预报明天风和日丽，结果却下了雷阵雨。是气象部门马马虎虎吗？绝对不是，实际上是他们无能为力，他们也说不出来究竟为什么实际天气竟会那样。

1987 年 10 月 15 日，星期四，英国广播公司（BBC）播音员迈克尔·费斯（MichaeI Fish）刚刚播报：“最近不会有飓风。”可是几个小时以后，英格兰南部刮起了一场毁灭性的飓风，受害区损失惨重。这是英国自 1703

年以来遭受到的最严重的暴风，也就是说， 285 年未见的特大异常天气气象部门竟并没有预报出来。

费斯立时变得臭名昭著，听众纷纷打电话责骂他。

费斯当然是替罪羊，但谁是罪魁呢？10 月 19 日英国《卫报》发表了题为《敌不过天气的计算机》的文章。是“欧洲中长期天气预报中心”失职？顾名思义，欧洲中长期天气预报中心只负责中长期预报。那么就是短期

预报部门失职了？确实，气象部门甚至在提前 24 小时的通告中也没有说有暴风。但责任不全在人，也不全在超级计算机“赛伯 205”。在那种气候多变的时节，每作一项预报都要反复讨论，并不是一个或几个人说了算。

天气预报自冯·诺伊曼（J. von Neumann）时起就采用计算机，所用数据量越来越大，机器设备也越来越先进，预测模型包含几百个甚至上万个方程。如今的天气预报叫作数值天气预报，实际上是计算机与大自然在较量。计算机只是按照物理学原理和程序在高速运算，它本身并无可指责。

问题出在哪里呢？人们找了各种原因，如计算精度不够、采样间距太大、模型太简单等等。这的确是实实在在的理由。计算精度不够，当然影响计算结果，所以要不断改进计算。地球表面布满了温度、气压、湿度、风速等物理量采样点，说“布满了”只是极近似的说法，充其量不过 200 平方公

里、 100 平方公里设置一个点。无疑，按照百姓常识看法，暂不考虑费用

——难以想象的高昂费用，设置越来越多的地面采样点， 50 平方公里、 10 平方公里一个，并在每处放飞大量探空气球，全方位采集地表几里范围三维数据，应该说预测精度大大提高吧。第三，现在的模型可能仍然太简单，比如，可能没有考虑第 2571 个变量的影响，方程的个数应当再增加 300 个等等。

假设这些都做了，可以粗略估计工作量、计算量将成倍增加，甚至出现超出现有能力的状况，不过我们不考虑这些，暂且认为一切都 OK，我们看看预报结果与实际符合的情况。虽然没有人试过，但可以肯定地说，不会有根本性的改观！原来 200 次有一次错报，现在稍有改变，可能达到 220 次中有

一次错报。提高这样一点精度，付出的代价是极其巨大的。在 1987 年 10 月

的重大漏报事件中，每秒运算 4 亿次的赛伯机并非没有发现暴风，它知道有一场暴风，但它和往常一样，自信地肯定暴风的路线不经过英国，而向东直穿北海。天气系统与计算机较量，大自然是赢家！为什么？

由于非线性，强烈的非线性相互作用。初始诸多气象数据中气压微小的改变，就可能导致完全相反的天气结果。于是天气预报部门有这样的遁词：

“只要天气不发生意想不到的情况，我们就能准确地预报它”。多么令人恼怒的回答，多么机智的回答！

在讲述非线性作用之前，最好复习一下线性与非线性概念，这是基础的基础。