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冯·诺依曼与计算天气之梦
分享 | 2015年01月24日 10:04  来源:中国气象局

1946年8月29日至30日,在美国新泽西州的普林斯顿大学高级研究院,召开了一次对现代气象学发展具有历史意义的重要会议,这次被认为是世界上第一次数值天气预报学术会议的组织者和主持人,不是著名气象学家,而是普林斯顿大学高级研究院数据教授冯·诺依曼。当然,也就是为人们所熟知的那位现代电子计算机创始人之一。

冯·诺依曼与第一台电子计算机ENIAC

 

        为什么冯·诺依曼会与数值天气预报结缘呢?事情还要从气象学家的“计算天气之梦”说起。

  早在20世纪初期,英国科学家理查森就进行了数值天气预报的尝试。1922年,他在《天气预报的数值方法》一书中,论述了数值预报的原理和可能性,并且应用完全的原始方程组,对欧洲地区的地面气压场进行了6小时预报。但其结果很不理想:他预报该地区的气压在6小时中的变化为154百帕,而实际气压几乎没有变化。他的失败曾使人们一度怀疑数值天气预报的实际可能性。而且,在数值天气预报的过程中,分析天气图、读取数据乃至计算均由人工完成,需要耗费漫长的时间与巨大的精力。第一台电子计算机ENIAC的诞生,为解决这一问题提供了新的可能。

  1944年,冯·诺依曼来到宾夕法尼亚大学摩尔工程学院,正式成为ENIAC研制项目的顾问。1945年末,他成功说服了高级研究院主任和理事会,拨款10万美元支持ENIAC项目。冯·诺依曼大约在1945年末或更晚些时候,注意到了气象领域。他很快就意识到,数值天气预报是计算机在数学应用领域面临的最重要的挑战之一。

  1946年5月,他向美国军方提出建议,在ENIAC项目内成立气象组。同样期待着更为准确的天气预报的美国军方非常明智和快速地支持了冯·诺依曼的建议,从1946年开始支持和ENIAC项目捆绑的数值天气预报计划。

  于是,一批美国当时最有思想的气象学家,通过文章开头叙述的那次有重要历史意义的会议走到了一起,并取得了不仅在气象科学领域,而且在应用数学和自然科学领域都具有划时代意义的成果。

  在这次会议后的几年里,冯·诺依曼身边总是聚集着一支来自美国乃至世界各地最优秀的气象学家和电子工程师队伍,他们的目标是用刚刚诞生的电子计算机做出准确的天气预报。这个目标在1950年4月初实现。在以1949年1月31日观测记录为初值,进行欧洲地区24小时数值预报的试验中,数值预报首获成功,计算机输出的结果对欧洲西部的风向转换和反映大气斜压特征的低槽延伸现象都正确地进行了预报。

  1946年,罗斯贝(美国气象学家,芝加哥气象学派创始人)更加深刻地意识到了冯·诺依曼气象项目的意义。他认为,冯·诺依曼带来的数值实验方法,一方面能让科学家避免在似乎完美的数学定律面前,面对实际问题无计可施;另外,也能从数值实验中,审视用微分方程或方程组表示的所谓自然规律是否真的很完美,揭示其可能存在的不足。冯·诺依曼的这一思想,被称为“启发式计算”,它从20世纪60年代开始,被更多的气象学者认识到,并逐渐成为气象学科最先构筑的标准方法。数值模式也从单一的天气预报进化到具备更多和更加丰富的职能。可以说数值模式的研制和应用,改变了气象学科的面貌,数值实验的开展,使得理论得以拓展,而更加合理和准确的理论或计算方案,又在不断改进着数值天气预报。

  组织和实施数值天气预报仅仅是冯·诺依曼一生学术成就的很小一部分,甚至只是一段插曲而已。然而,正是由于这项工作,冯·诺依曼和一组优秀的气象学家一起改变了天气预报的历史。他在这项研究中提出并解决了计算机程序编制问题,即让快速运转的计算机自己读懂用接近计算公式的“高级语言”编写的计算指令。冯·诺依曼以数值天气预报为突破口,对非线性方程的离散化及计算稳定性这一重要的数学应用问题,形成了一套理论和解决方案,其应用价值和受益领域远远不局限于气象领域。

  在电子计算机研制阶段,就着手思考其应用价值并成功地与气象结合起来,是冯·诺依曼这位“全能型”科学家最难得的思想,这使得“单打独斗”的“计算天气之梦”,变为受到美国军方支持、科学界和舆论关注的事件,也让一直在美国军方操控下的ENIAC为数值天气预报成功做出了贡献。

  1946年12月,在芝加哥大学召开的一次气象学术年会上,对数值天气预报的结论是“目前构建数值预报系统的时机还不成熟”,美国气象学会主席也认为“完全基于正确的物理定律的客观预报方法目前还遥不可及”,美国国家气象局也对年轻气象学者埃利奥特提交的《计算的天气预报》没有任何表示。然而,这些气象界“大腕”和当局的所谓主流观点,却在冯·诺依曼项目取得成功,并从9年之后的1955年开始,陆续成为各国天气预报主要手段的事实面前不攻自破。

 

编辑:贾鹏飞

 

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