作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2017/4/25 10:24:54
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让气象气候拉起手来
计算机建模专家打造领先天气预报模型

 

这场雪并不像预测的那样糟。

Shian-Jiann Lin的项目将驱动短期天气预报和长期气候模拟。图片来源:JEFF FUSCO

会议桌下传来手机提示的声音。新的天气预报来了,气候学家掏出手机查看:明天有雪——这对于2月初的美国新泽西州普林斯顿来说没什么不寻常。但天气模型预报暴风雪将很严重,积雪会达到1英尺或者更多。这很有可能是个大雪天。

在地球物理流体动力学实验室(GFDL)办公桌的另一边,Shian-Jiann(S. J.)Lin对此并不相信。他是用两万行计算机代码将大气分到盒子中,从而精确解析描述全球空气漩涡方程的大师。数十年来,Lin的项目一直驱动很多气候模型的长期模拟,包括GFDL的模拟——美国国家海洋与大气管理局(NOAA)皇冠上的一颗明珠。

现在,Lin的范围正在扩展到NOAA的另一面:国家天气服务(NWS)短期天气预报。到2018年,Lin的项目将会驱动气候和天气预报的联合系统,这个系统将会预测未来的状况或是从现在开始1个世纪的状况,并比当前模型更快、更好地做到这一点。他的工作很快将不仅指导市长们为扫雪机做计划,而且还包括正在升高的海平面。

Lin起步很早。他的小团队已经在自己的超级计算机上运行一个原型预测。在他一贯的自信和急性子风格中,他做了对第二天暴风雪的简短报告。

“如果我们的预测是正确的,那么雪将会是7.6至15.2厘米。”Lin宣布。位于办公桌旁的其他同事似乎存在质疑。“到时候会乱作一团。”有人警告。但Lin没有让步。他很少需要这样做。“明天我们再看究竟会如何。”他说,“你们想打赌吗?”

天气和气候“不分家”

很多都取决于Lin。最近,美国国家气象局(NWS)遭遇了一些明显的尴尬,比如在2012年,它预测飓风桑迪会在海洋上空停止,而一家欧洲中心则准确预测它会直接袭击纽约市。受够了美国“第二”的身份,该国国会在2013年倾注4800万美元到NWS天气预报模型中。这对于NOAA的信息很明确:让美国到前面来。

这一驱动打开了新的机遇。在很长时间,气象学家和气候学家都在各自的单独领域展开工作。气象学家集中在速度方面:从卫星、气球以及浮标上获得尽可能多的信息,并迅速将其用于预报。而气候学家则聚焦模型的挑剔物理学,以生成数十年的气候模拟。但是现在,两个队伍正在从“亚季节到季节”预测(从一个月到两年)中发现一些共同点。

为了推动天气预报超过10天左右,气象学家需要优秀物理气候模型。同时,气候学家想要知道天气现象是否会在月度或年度的时间层面发生,比如影响全球气候的厄尔尼诺。“这两个文化正在讲述对方的语言,认识到它们将会同生共死。”加州蒙特利海军研究实验室大气科学家John Michalake说。

Lin在建模中从不对此做区分。“从一开始,我们就在谈论天气和气候如何不分家。”安阿伯市密歇根大学大气科学家、Lin的长期合作者Ricky Rood说。但还有其他人不想听到这些消息,特别是听到Lin说这些话,作为一名政府部门的员工,他活跃而易怒。“这有些让我吃惊。”Rood说,“S. J.会成为统一的来源。”

下一代天气预报系统

Lin的一生中可谓都充满了风暴。在他出生长大的中国台湾省台北市,台风极为普遍,他总对台风的力量着迷。“我的血液中有着暴风雨。”他说。在美国大学毕业后,Lin决定留在当地。当时计算机尚不能模拟小尺度的气候事件。Lin很快在美国宇航局(NASA)找到了问题的症结。

上世纪80年代,Rood在NASA戈达德太空飞行中心研究南极臭氧层空洞的问题。NASA在派遣科研飞机飞入飓风中心监测可能在破坏它的化学物质。这些飞行表明若干种寿命极短的活性氧化氮在下降,这让来自人类的化学物质形成的氯徘徊不前,进一步形成反应破坏臭氧层。但Rood的大气模型不能模拟其中的流动反应。无论他做什么,氮反应物都保持稳定。

当Lin在1992年加入NASA之后,两人开始一起建立保存质量的模型。经过上世纪90年代喧嚣的几年之后,他和Rood扩展了他们的模型,使其超越化学物质输送成为充分成长的动力核心,很快便被用于气候模型。这个代码的名字一点也不平凡。他们称其为“FV”,随后发展为FV3。

他们的工作很快吸引了科罗拉多州博尔德国家大气研究中心(NCAR)的注意,这是美国天气和气候科学的领先机构之一,该机构将FV引入其具有影响力的气候模型。NASA在纽约的气候实验室也采用了它。在2003年,GFDL将Lin聘走并升级FV,并将其用于全球模拟。这些模型的结果(美国对联合国气候变化小组的重要贡献之一)已经形成了很多公众所听到的气候变暖的结果。而它们的核心都是Lin的创新。

2014年,当NOAA宣布了一项竞争,以选择该机构的下一代天气预报系统“核心”时,Lin已经做好了准备。有5个模型参选,其中包括FV3。最终经过严酷的竞争和考核,FV3在2016年7月成为赢家。在竞争过程中,Lin曾指责NOAA偏向跨尺度预测模型(MPAS),这是由NCAR开发的并被很多研究人员使用的一个长期预测系统的全球版本。不过,最终他夺得了桂冠。

PK英国同行

现在,Lin面临更大的对手:英国气象局,从上世纪90年代开始,该机构就是将天气和气候预测视为一体的唯一中心;还有欧洲中期预报中心,该机构一直运行着一流的天气模型。

欧洲建模者像其他人一样,从同样的气球、卫星和地面监测设施开始。但他们聪明地将随机性融入这些最初条件中,之后进行多次运行以产生“共识性”预测。让美国接受这些标准将需要赢得美国研究人员的支持,使其提供Lin和同事能够应用其模型的创新技术。

西雅图华盛顿大学大气科学家Cliff Mass说,现实中却存在学术界天气科学家不愿意使用FV3,转而去使用MPAS的风险,他们对其来源和记录反倒更加适应。过去,Lin不愿意分解其代码的做法也加剧了这种担心。“Lin是一名非常优秀的建模专家。”Mass说,“然而在学界支持方面他并不占优势。”但NASA戈达德太空飞行中心气象学家、Lin的长期合作伙伴Bill Putman则相信Lin会支持改进。“如果他看得到这些事情能够让这个代码走出当前的情形,我敢肯定他会愿意改变。”

在近日举行的一次研讨会上,NWS拿出了启动FV3的挑战性时刻表。今年5月,FV3将被连接到该服务的数据同化。到2018年上半年,如果一切顺利,NOAA将会触动开关,使其成为发送到人们手机上的标准预报。

同时,Lin的团队仍在继续改进FV3。该模型可提前3天观测到暴风雨的迹象。“在此之前,我们认为只有12小时可以预测相关事件。”Lin的副手Lucas Harris说。

到目前为止,这些结果尚处于实验室中,Lin正在尽可能地传播福音。但它能否成为从今日的龙卷风到未来10年的温度上升的所有天气和气候预测的根基呢?“我对此持审慎乐观态度,而并非过度乐观。”他说。

次日早晨有一个好兆头。大雪让普林斯顿银装素裹,非常漂亮。大雪约15.2厘米厚,没有达到1英尺(30.48厘米)。GFDL可以一直开门。对着天空,Lin情不自禁地对此做出最后的评论。“这场雪并不像预测的那样糟。”

(晋楠编译)

《中国科学报》 (2017-04-25 第3版 国际)
 
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2017/4/26 10:27:20 yefulin
继续努力,争取局部范围,大范围预报准确;地震也给于预报。
2017/4/25 21:18:47 Chiyankun2016
【2017/4/25 14:55:41 mecwell
混沌导致精确预测的不可能】
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非也。短期预报是完全可能的。混沌只有在时间给足够长的是条件下才起作用。
2017/4/25 19:56:26 xlsd
天气预测,难度很大
2017/4/25 14:55:41 mecwell
混沌导致精确预测的不可能
2017/4/25 10:54:36 sainthuang10
加油。。期望早点能开始使用起来。。现在我们的台风路径预测还是有点不如美国的准确。
目前已有5条评论
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