计算机建模专家打造领先天气预报模型

这场雪不像预测的那么糟糕。

沙扬-建林项目将推动短期天气预报和长期气候模拟。资料来源:JEFF FUSCO

手机提示的声音从会议桌下传来。当新的天气预报到来时，气候学家拿出他们的手机检查:明天会下雪——这对于二月初的美国新泽西州普林斯顿来说并不罕见。但是天气模型预测会有严重的暴风雪，积雪会达到一英尺或更高。这可能是一个下雪天。

在地球物理流体动力学实验室(GFDL)的桌子的另一边，林不相信这一点。他是一位大师，用20，000行计算机代码将大气分成几个盒子，从而准确地分析和描述了全球空气涡旋方程。数十年来，林的项目一直在推动许多气候模型的长期模拟，包括国家海洋与大气管理局(NOAA)皇冠上的一颗宝石——模拟。

现在，林的范围正在扩大到美国国家海洋与大气管理局的另一边:国家气象局(NWS)短期天气预报。到2018年，林的项目将推动一个气候和天气预报联合系统，该系统将预测未来一个世纪的条件或状况，并且比目前的模式做得更快、更好。他的工作不仅将很快指导市长们规划扫雪机，还将包括上升的海平面。

林开始得很早。他的小组已经在其超级计算机上运行了一个原型预测。第二天，他以他一贯的自信和冲动的风格，就暴风雪做了一个简短的报告。

"如果我们的预测是正确的，雪将会是7.6到15.2厘米."林宣布。办公桌上的其他同事似乎也有疑虑。“会有混乱。”有人警告过。但是林没有屈服。他很少需要这样做。“我们看看明天会发生什么。”他说，“你想打赌吗？”

天气和气候“不会导致家庭分裂”

很大程度上取决于林。最近，美国国家气象局(NWS)遇到了一些明显的尴尬。例如，在2012年，它预测飓风桑迪会停在海面上，而一个欧洲中心准确地预测它会直接袭击纽约市。厌倦了成为“第二”美国，美国国会在2013年向NWS天气预报模型投入了4800万美元。这对于美国国家海洋与大气管理局的信息来说是非常清楚的:让美国站出来。

这一努力带来了新的机遇。长期以来，气象学家和气候学家一直在各自的领域工作。气象学家关注速度:从卫星、气球和浮标中获取尽可能多的信息，并快速用于预测。另一方面，气候学家专注于模型的关键物理，以产生数十年的气候模拟。但现在，这两个团队在“季对季”预测(从一个月到两年)中找到了一些共同点。

为了推广10天以上的天气预报，气象学家需要优秀的物理气候模型。同时，气候学家想知道天气现象是按月还是按年发生，比如影响全球气候的厄尔尼诺现象。“这两种文化在互相讲述对方的语言，并意识到他们将一起生活和死亡。”加州蒙特里海军研究实验室的大气科学家John Michalake说。

林在造型上从来没有区分过这一点。“从一开始，我们就一直在谈论天气和气候是如何相互分离的。”密歇根大学安阿伯分校的大气科学家、林的长期合作者瑞奇·路德说。但也有其他人不想听到这个消息，特别是林，他作为一名*雇员既活跃又急躁。“这让我有些吃惊。”Rood说，“s.j .将成为一个统一的来源。”

下一代天气预报系统

林的生活充满了风暴。在他出生和成长的中国*省台北市，台风极其常见。他总是对台风的威力着迷。“我的血液里有一场风暴。”他说。从美国大学毕业后，林决定留在那里。当时，计算机无法模拟小规模的气候事件。林很快就在美国宇航局找到了问题的症结所在。

1980年代，路德在美国宇航局戈达德太空飞行中心研究南极臭氧洞问题。美国国家航空航天局正派遣研究飞机进入飓风中心，监测可能对其造成损害的化学物质。这些飞行表明，几种寿命极短的活性氮氧化物正在减少，这导致人类产生的化学物质形成的氯停滞不前，进而形成破坏臭氧层的反应。然而，路德的大气模型不能模拟其中的流动反应。不管他做什么，氮反应物保持稳定。

1992年林加入美国国家航空航天局后，两人开始一起建立一个保存质量的模型。在经历了20世纪90年代的几年动荡之后，他和鲁德将他们的模型扩展到了化学运输以外，成为全面增长的驱动力，并很快被用于气候模型。这个代码的名字绝不是普通的。他们称之为“FV”，后来发展成FV3。

他们的工作很快引起了位于科罗拉多州博尔德市的国家大气研究中心(NCAR)的注意，该中心是美国气象和气候科学的领先机构之一，它将FV引入了其有影响力的气候模型。美国宇航局在纽约的气候实验室也采用了它。2003年，招募了林，升级了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专门委员会的重要贡献之一)已经导致了气候变暖，这一点许多公众已经听说过。而他们的核心是林的创新。

2014年，当美国国家海洋与大气管理局宣布竞争选择该局下一代天气预报系统的“核心”时，林已经做好了准备。有五种型号在运行，包括FV3。经过激烈的竞争和考验，FV3终于在2016年7月胜出。在比赛中，林指责美国国家海洋与大气管理局偏爱跨尺度预报模式(MPAS)，这是一个由NCAR开发的长期预报系统的全球版本，被许多研究人员使用。然而，他最终赢得了桂冠。

PK英国同行

现在林面临着一个更大的竞争对手:英国气象局，该机构自20世纪90年代以来一直是唯一一个整合天气和气候预测的中心。还有欧洲中期预报中心，它一直在运行一流的天气模型。

像其他人一样，欧洲的建模者从同样的气球、卫星和地面监测设备开始。但是他们巧妙地将随机性融入到这些初始条件中，然后运行多次以产生“一致”的预测。要让美国接受这些标准，需要美国研究人员的支持，为林和他的同事提供能够应用他们模型的创新技术。

西雅图华盛顿大学的大气科学家克里夫·马斯说，实际上存在这样一种风险，即学术气象科学家不愿意使用FV3，而是使用MPAS。相反，它们更能适应它们的来源和记录。过去，林不愿意破解其代码也加剧了这种担忧。"林是一个很好的建模专家."马斯说，“然而，他在学术支持方面没有优势。”然而，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的气象学家、林的长期合作伙伴比尔·普特曼认为，林将支持这一改进。“如果他能看到这些东西能让这个代码脱离当前的状况，我肯定他会愿意改变。”

在最近的一次研讨会上，NWS提出了一个具有挑战性的时间表来推出FV3。今年5月，FV3将被与该服务相关的数据同化。到2018年上半年，如果一切顺利，美国国家海洋与大气管理局将启动开关，并使其成为发送到人们手机的标准预报。

与此同时，林的团队继续改进FV3。该模型可以提前3天观察到风暴迹象。"在此之前，我们认为只有12个小时来预测相关事件."林的副手卢卡斯·哈里斯说。

到目前为止，这些结果还在实验室里，林正在尽可能地传播福音。但是它能成为从今天的龙卷风到未来10年气温上升的所有天气和气候预测的基础吗？"我对此持谨慎乐观态度，而不是过于乐观."他说。

第二天早上出现了一个好迹象。大雪使普林斯顿变得非常美丽。雪大约15.2厘米厚，不到1英尺(30.48厘米)。GFDL总能开门。面对天空，林不禁做出了最后的评论。"这场雪不像预测的那么糟糕。"

(晋南编)

《中国科学日报》(2017-04-25，第三版国际版)

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