孔明先生也犯難

古人預(yù)測(cè)天氣主要依靠天氣現(xiàn)象，比如在中國古典名著《三國演義》中有“借東風(fēng)”的情節(jié)：蜀漢丞相諸葛亮通過連續(xù)觀測(cè)，結(jié)合史書上對(duì)長(zhǎng)江流域天氣變化的記載推算規(guī)律，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出東風(fēng)的到來。他的操作即為標(biāo)準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)原理：從歷史觀測(cè)中總結(jié)規(guī)律，再結(jié)合臨近的觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后預(yù)報(bào)未來的天氣變化。?

“借東風(fēng)”實(shí)非易事，因?yàn)榇髿夂Ｑ筮\(yùn)動(dòng)覆蓋的時(shí)空范圍實(shí)在是太大了，信息量遠(yuǎn)非常人能夠處理。而且僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)得出的主觀預(yù)報(bào)，可能出現(xiàn)1000個(gè)預(yù)報(bào)員有1000種預(yù)報(bào)結(jié)論的情況。

數(shù)值模式橫空出世

要想合理充分地利用觀測(cè)信息來預(yù)測(cè)未來天氣變化，就必須找出歷史觀測(cè)事實(shí)中隱藏的規(guī)律。以海洋運(yùn)動(dòng)為例，整個(gè)大海的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，如果把全世界的海洋劃分成一個(gè)個(gè)海水團(tuán)，再依次分析每個(gè)海水團(tuán)，就能得出整個(gè)海洋的客觀預(yù)報(bào)。由此，科學(xué)家們開始給海水團(tuán)找規(guī)律。?

計(jì)算流體力學(xué)理論奠基者

1687年，英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓找出了第一個(gè)普適規(guī)律，即牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律：任意物體運(yùn)動(dòng)所出現(xiàn)的改變，都是源自外力施加于這個(gè)物體。然而，在實(shí)際應(yīng)用中需要一個(gè)針對(duì)海洋大氣的專有規(guī)律，瑞士科學(xué)家萊昂哈德·歐拉在1757年，進(jìn)一步從牛頓運(yùn)動(dòng)定律中具象出歐拉方程，它給出每個(gè)小水團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方式，即有風(fēng)吹或者有其他小水團(tuán)推動(dòng)，小水團(tuán)會(huì)向哪里運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)的速度。

但水作為自由度很高的流體，每個(gè)小水團(tuán)并不是很“聽話”。因此，法國工程師兼物理學(xué)家納維和愛爾蘭物理學(xué)家喬治·斯托克斯將牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律擴(kuò)展到流體應(yīng)用中，提出納維-斯托克斯方程，它奠定了計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)。從此，誕生了能夠客觀定量描述的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這一整套規(guī)律的集合就叫作模式。

運(yùn)轉(zhuǎn)模式的“超強(qiáng)大腦”

如果把海洋按照1立方米的大小劃分為小水團(tuán)的話，那么全球就有130億億個(gè)小水團(tuán)！每個(gè)小水團(tuán)內(nèi)部的溫度、鹽度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越統(tǒng)一，那么最終的計(jì)算效果也就越好?？墒牵@對(duì)于人類來講是不可能完成的計(jì)算任務(wù)。因此，有數(shù)十萬的計(jì)算核心和百萬億次以上級(jí)別計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)就是必不可少的“助手”了。在它的幫助下，人類終于可以將模式數(shù)值化并開展運(yùn)算。

國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)

目前的數(shù)值模式通常將全球海洋劃分為數(shù)億個(gè)約1立方千米的小水團(tuán)，然后將數(shù)億個(gè)小水團(tuán)分為幾千份，每一份交由一臺(tái)計(jì)算機(jī)計(jì)算，這樣可以大大提高模式的求解速度。受計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力限制，現(xiàn)代海洋數(shù)值模式對(duì)水團(tuán)的劃分還比較粗糙，數(shù)值模式仍有較大的發(fā)展空間。

由海洋環(huán)境數(shù)值模式“媽祖1.0”計(jì)算出的西北太平洋表面高度和黑潮洋流。

2021年12月，由中國完全自主開發(fā)的“海洋環(huán)流數(shù)值模式‘媽祖1.0’”正式發(fā)布。它采用質(zhì)量守恒物理框架，克服了傳統(tǒng)體積守恒海洋模型在精確模擬海面高度和鹽度等方面的固有缺陷。相比采用傳統(tǒng)模式，“媽祖1.0”降低能耗90%左右，每年可節(jié)省約200萬元電費(fèi)，相當(dāng)于減少碳排放520噸。國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心在不斷推進(jìn)海洋預(yù)報(bào)“芯片”工程，不斷提升海洋預(yù)報(bào)“中國芯”的影響力。

如果我們能夠突破“將多個(gè)數(shù)值模式融合的地球系統(tǒng)數(shù)值模式”這個(gè)難題，未來就可以更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)大氣、海洋氣象災(zāi)害，乃至長(zhǎng)期的氣候預(yù)測(cè)都將不是夢(mèng)想。屆時(shí)，受過培訓(xùn)的預(yù)報(bào)員只需要坐在計(jì)算機(jī)前輕輕敲擊鍵盤，就可獲得更準(zhǔn)確、詳細(xì)和客觀的天氣信息。

（文/圖：張宇，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心）

責(zé)任編輯：胡惠雯