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天气预报的不靠谱之路

天气可以左右人的情绪,影响农作物的收割,决定外出旅行的基调,也会对战事的推进产生重要的作用。然而,老实说,在历史上很长一段时间中,天气预报是很不靠谱的。

气象仪器和气象预报的出现

天气预报离不开气象仪器的发明与应用。有了这些定量的测量仪器,冷热干湿才有了标准和程度的区别。

15世纪,压板风速仪被发明出来,大气运动的速度有了衡量标准。而17世纪至18世纪,各种定量测量天气现象的仪器如雨后春笋般涌现,气压计、温度计、雨量器、湿度计……科学家对自然气象的认识也更为深刻,比如美国科学家富兰克林通过风筝了解了雷暴云中的电荷性质,法国科学家J.A.C.查理制成了携带探测气象要素仪器的氢气气球,可以用于测量空中不同高度的温度和气压。

1853年克里米亚战争爆发,英、法同俄国因瓜分土耳其存在矛盾大打出手。在1854年的一场战役中,英法联军大败。气象分析发现,战役失败的一大原因是未能发现并预报黑海地区风暴的移动,如果早些了解这些气象情况,这次失败完全可以避免。为此,法国政府专门设立气象站,开展天气图分析并发送天气预报,将其作为一项日常业务。这样的举措也陆续推广到其他国家。

不靠谱的预测

同样是谈天气,一战期间这个话题就变得严肃而紧张了。因为战时气象预报不再是回望过去的气象模式,而是需要通过科学的数学模型展望未来的气象变化,为战争的进行提供支持。

战争期间,航空、弹道分析、毒气漂移,许多战争手段都需要依赖准确的天气预报。然而,当时的气象分析一点也不可靠。尽管气象学从19世纪就开始发展,当时气象地图已绘制,并靠着比风更快的电报服务发布每日天气警示,但这种天气预报并不准确,常常出错。

英国数学家路易斯·弗莱伊·理查森认为当时的天气预报在性质上太死板,与其说是预报,倒不如说是记录档案。气象员仅仅把当前观察到的天气现象与之前天气现象的历史记录相对照,这样做并没办法准确预测未来天气变化。这种预测假定过去的气象变化未来也会重复,而这种假定的前提没有科学依据,并不能成立。理查森认为,要找到更准确的预测方法,气象研究人员不应受过去的气象指数所局限。

1917年,理查森决定根据科学实验数据进行气象预测。那时候,挪威气象学家皮叶克尼斯实时记录了整个西欧的气象条件,包括温度、气压、空气密度、云量、风速以及上层大气的化合价等信息,而这些数据是公开的。这些数据使得理查森可以用数学运算的方式模拟气象预测。他希望通过皮叶克尼斯的记录创造出一个数学模型,用于未来天气预测。于是,他做了一张覆盖欧洲地图的网格,每个小格子合并皮叶克尼斯的气象数据,包括地域性的变化,比如露天水体对空气中的水蒸气影响的扩展,5个垂直的格子表示上层大气。

理查森花费了6周时间计算某一地区6小时的气象。如果更细致的计算那么可能6周的时间还不够用。由于这项计算耗时良久,计算结果与真实气象情况会不同步,并且与实际的天气情况存在明显的偏差。

不靠谱的数学模型竟是正确的

这种通过计算天气的算法不太成功,但是当时倡导的这种通过数据化的描述来表现天气的方式(被人们称为“新气象学”)倒是在一战后变得非常流行,这在当时的文学作品中也有所反映。20世纪20年代,澳大利亚作家罗伯特·穆齐尔在小说《没有个性的人》中写道:“等温线和等夏温线都在发挥其应有的功能……空中的水蒸气在密度最大的状态……1913年8月的这一天天气很好。”有趣的是,“好天气”开始有了一套新的科学量化表述。

20世纪40年代,当第一代电子计算机出现之后,理查森用于气象预测的数学计算方法得到了证实,结果是正确的。这种计算方法至今仍是气象预测中的基础,他的实验也使得全球开始发展起有关数值的科学气象预测。

但是,查理森进行气象模型建造时计算机还没问世,仅依靠人工计算不可能完成这种算法的验证。要想跟上天气的无常变化,预测一次天气需要雇6.4万人参与计算。所以,即便是正确的测算模型,在当时也派不上用场,只能归为不靠谱的天气计算。

现在,通过手机程序查看准确的天气信息已经非常方便,短时气象预测和极端天气事件的预报也十分可信。依靠精密的雷达和卫星云图,地面和高空各项气象数据都能够即时更新,收集到的信息非常准确,高效率的计算机也使得计算过程变得简单可操作,规避了所有可能影响最终结果的人为错误。奇妙的是,我们现在靠谱的天气预测还是借用了当年理查森的算法。

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