計算機建模專家的目標：讓美國的天氣預報處于領先地位

胡德良/編譯

計算機建模專家的目標：讓美國的天氣預報處于領先地位

胡德良/編譯

● 氣候大師林先建的大氣網格如何統一天氣預報和氣候模型……

會議桌的下方傳來了來電提醒的單調聲音，有新的天氣預報傳過來。通常這不是氣候科學家的業務，但是現在他們也拿起電話查看：明天有雪，這對于2月初的新澤西州普林斯頓來說并非不正常。但是，天氣模型顯示有大暴雪，降雪將達一英尺或更大。看來下雪不可避免。

林先建坐在地球物理流體動力學實驗室（GFDL）的會議桌對面，他對此次天氣預報并不確信。他是20 000行計算機代碼的大師，這些代碼將大氣分成網格，能夠精確地解出描述全球氣旋方式的方程式。幾十年來，林先建的研究推動了許多氣候模型的長期模擬，包括GFDL的模型，這個模型是美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的王牌模型之一。現在，林先建的研究領域擴展到NOAA的另一個方面：國家氣象局（NWS）的短期天氣預報。到2018年，林先建的研究將會形成氣候和天氣預報的統一系統，既能夠預測明天的天氣狀況，也能夠預測一個世紀以后的氣候狀況，比當前的模型更快、更好。他的研究將很快能夠指導市長的計劃，計劃既包括鏟雪車也包括海平面的上升。

但是，林先建的研究早就開始了，他的小團隊已經在他們的超級計算機上進行了原型預測。通常，林先建的行為方式總是自信而快速，有關第二天的暴雪，他提供了少數派報告。

林先建宣布說：“如果我們的預報是正確的，這場雪只有3至6英寸。”坐在桌旁的同行似乎有些懷疑，其中一個人警告說：“預報會出現混亂的！”但是，林先建不肯讓步，也不需要做出讓步。他說：“我們要看看明天的雪有到底多大，你要不要賭一把？”

情況到底如何，在很大程度上取決于林先建。最近，NWS遇到了一些明顯難堪的事情。例如：在2012年的時候，NWS預測颶風桑迪會逐漸平息于海面上，而歐洲氣象中心準確預測出這場颶風會直接襲擊紐約市。國會無法容忍美國在氣象預報上排名第二的現狀，2013年為NWS投資4 800萬美元，讓其開發天氣模型。這項投資為NOAA提供了明確的信息：要讓美國排名第一！

這一舉措開辟了一個機會。長期以來，氣象學家和氣候科學家在各自的領域開展研究。氣象學家專注于速度：從衛星、氣球和浮標上獲取盡可能多的數據，然后快速將其轉化為天氣預報。氣候科學家專注于模型的物理方面，產生幾十年的氣候模擬。但是，目前在1個月到兩年的“次季節性和季節性”預報中，這兩個領域發現了共同點。為了將天氣預報提前到10天左右，氣象學家需要氣候模型提供較多的物理特性；同時，氣候科學家想知道，在1個月或1年的時間尺度上所產生的天氣現象（如厄爾尼諾）是如何影響全球氣候的。加州蒙特雷海軍研究實驗室的大氣科學家約翰·米查拉克斯（John Michalakes）說：“這兩個領域的人們有共同語言，他們意識到將會成敗與共。”

打破天氣和氣候之間的界限還有另外一個好處：氣候科學家不愿意明說的好處。賓夕法尼亞州立大學天氣與氣候風險解決中心主任大衛·蒂特利（David Titley）說：盡管人類造成的氣候變化之說面臨美國保守派政治家的審查和蔑視，但是天氣研究仍然受到各派的一致擁護。例如，就在2017年 4月，國會通過了一項天氣預報法案，其中規定NOAA要拿出2 650萬美元的預算來改進季節性預測，氣候變化的懷疑者也在法案支持者之列。蒂特利說：“如果由我來掌管這個領域的話，我就會打破這種界限。”

林先建在模擬中從未進行過區分。林先建的長期合作者、密歇根大學安娜堡分校大氣科學家里基·魯德（Ricky Rood）稱：“從一開始，我們就說在天氣和氣候之間沒有區別。”但是，其他人對這個觀念聽不進去，特別是聽不進林先建的觀念，因為他就像政府雇員那樣爭強好辯、易怒易躁。魯德說：“對我來說，這是一個莫大的驚喜，林先建可能會成為將天氣和氣候統一起來的人。”

林先建的一生就像風暴那樣動蕩不安。他從小長大的地方（臺北）經常有臺風光顧，他一直對臺風的力量極感興趣。他說：“我的血液里都刮著颶風！”林先建出生于 1958年，他的父母經營一家小型建筑公司，在他的家庭中他是第一個上大學的。作為臺灣大學的學生，他學習微處理器架構、氣象學和流體力學，他迷上了利用不連續的0或1的計算機代碼系統來表達連續的氣流所帶來的挑戰。

林先建的模型可以以高分辨率模擬龍卷風，如 2013年在俄克拉荷馬州穆爾地區發生的那場龍卷風，造成了 24人死亡

當時，臺灣實行獨裁統治，林先建加入了反對這種體制的學生組織。大學畢業后，他面臨著幾年的義務兵役生涯。他以優異的成績通過了入伍考試，以為自己將會在臺北謀得一個輕松安逸的工程崗位。然而事與愿違，他被運往距離中國大陸 16公里的馬祖列島。他算不上一位模范士兵，他討厭在隊伍集合的時候背誦政黨的政治主張。他說：“你不得不假裝，不得不說一些言不由衷的話。”

臺灣似乎沒有林先建的容身之地，于是他在1983年開始就讀于俄克拉荷馬大學航空航天工程系，他能夠上得起的學校極少，這所院校是其中之一。他想當一名火箭科學家，但是過渡是艱難的。跟英語相比，他更加注重學習計算機語言，他感到了孤獨。他的口音問題在溝通上是一種障礙，但這不是唯一的障礙。美國國家航空航天管理局（NASA）戈達德太空飛行中心氣象學家比爾·普特曼（Bill Putman）是林先建的另一位長期合作者，他說：“有些人往往覺得難以聽懂林先建的話，但是這不一定是語言上的障礙，這更像是知識上的障礙。”看到林先建在計算流體力學方面有天分，他的導師建議他轉學到普林斯頓大學學習，該大學跟GFDL有合作關系，是學習大氣建模的理想場所。

林先建學習了GFDL的科學家如何將大氣沿著經緯線分成3D網格，這些網格遍布全球，從地球表面延伸到平流層。沿著網格上的點位，他們設置初始條件（某一特定時刻的天氣或氣候狀況），然后，計算機就會一個點位一個點位地連續解出描述風力、空氣壓力、溫度和濕度變化的方程式。當時計算機的主機就有房間那么大，模型網格也是巨大的，方孔大小為500公里。這些模型只能重現最大規模的大氣特征，如急流和哈得來環流圈，后者是暖空氣從赤道地區流傳到亞熱帶。

研究生畢業后，林先建決定留在美國。他說：“現在，與其說我是臺灣人，倒不如說我是美國人了。”他喝威士忌，但要往酒里加入人參。他回到俄克拉荷馬大學，開展龍卷風建模的博士后工作。但是，當時的計算機還無法模擬如此小規模的事件。失敗使人的銳氣受挫，但是林先建說失敗也給他提供了一句真言：“在擁有資源的時候，選擇針對特定問題的合適的復雜程度。”在NASA，林先建很快發現了問題所在。

20世紀80年代末期，魯德在NASA戈達德太空飛行中心研究南極臭氧空洞的問題。NASA執行研究任務的飛機飛入空洞去測量可能破壞臭氧的化學物質。這些飛行任務發現：幾種短期活性的氮氧化物含量有所下降，這使得來自人造化學物質中的氯留存下來，促進了分解臭氧反應的進一步發生。但是，魯德的大氣模型不能模擬流量和反應情況。無論他怎么做，氮反應物總是保持穩定不變。

怎么會發生這樣的情況呢？當時，一種叫作“譜方法”的精確數學方案超越了全球模擬。這種方案沒有在經緯網格的點位上解決問題，科學家意識到：大氣的流體流量可以表示為數百條正弦的縱橫波的總和。這種代碼運行較快，運算結果可以轉換回常規網格中。目前，譜方法仍然支持全球的大多數天氣預報，包括NWS的預報在內。但是，這一運行速度是有代價的：當這些波發射回物理空間時，質量可能會逐漸失去平衡。對于天氣模型來說，只是預報未來幾天的情況，問題并不大。但是對于大氣化學和氣候模型來說，運行的時間要長得多，那么這種失衡就成為關鍵性的瑕疵。

對于魯德來說，幸運的是有一位年輕的臺灣科學家為他所發表的論著所吸引，給他寫了一封信。1992年，林先建作為承包人加入NASA的時候，兩者開始創建一種模型，把保持質量平衡放到首位。這么做首先意味著放棄了譜方法，還意味著從揭示網格點位的有限差分模擬升級到揭示每個網格整體平均狀況的有限體積模擬，這種模擬真正適于保持質量平衡，因為計算時要將物質流量從一個網格延伸到另一個網格。其他研究人員也考慮過利用這樣的解決方案，但是他們認為這么做太復雜，在計算上付出的代價會很大。

然而，林先建是一位高效計算大師。20世紀90年代中期，經過幾年的努力奮斗，他和魯德擴展了他們的模型至完整的動力核心，超越了目前仍然作為標準的化學傳輸，在速度上足以用作氣候模型。GFDL的氣溶膠建模師保羅·吉諾克斯 （Paul Ginoux）也在戈達德太空飛行中心跟林先建進行合作，他說：“如果輸入空氣中的一粒塵埃，這種代碼就會在正確的位置、正確的時間對其進行傳輸，做到這一點是很棒的！”但是，這種代碼的名字要平淡得多，他們稱之為“FV”代表“有限體積”，后來改稱為“FV3”。

他們的研究成果很快引起了科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心（NCAR）的關注，該中心是美國研究天氣和氣候科學的領先機構之一。NCAR將FV引進其富有影響力的氣候模型中，位于紐約市的 NASA氣候實驗室也采用了這種代碼。2003年，GFDL通過人才引進把林先建請過去，將FV升級，然后把它用于該實驗室的全球模擬系統中。這些模型的成果（美國對聯合國氣候變化專家組的主要貢獻之一）在很大程度上澄清了公眾對全球變暖的看法，這些成果都是以林先建的創新為基礎的。

在NOAA，人們用術語“防災預算”描述國會資助天氣研究的反應方式。這個術語并不動聽，但說明：大氣建模的合二為一從根本上來講是由颶風卡特里娜和桑迪所帶來的災難促成的。

2005年，NWS沒能準確預測颶風卡特里娜對路易斯安那州新奧爾良的直接襲擊。兩天后，國會撥出資金，用于改進對大西洋颶風的預測。碰巧，也正是在這個時候，林先建走進了 GFDL主任艾薩克·赫爾德（Isaac Held）的辦公室，他宣稱：“我要對天氣預測實施變革。”這個時候的計算機能夠處理小型網格，足以模擬颶風。更重要的是，林先建開發了一套關鍵的物理方法，該方法適合于利用FV3來預測實際的颶風。許多全球預測模型都是利用一種叫作“流體靜力學原理”的假設來運行。該理論認為：任何網格里的空氣重力跟網格底部氣壓所產生的向上浮力正好是平衡的。這個原理對于粗略的模型來說是有效的，但是它不能直接用于模擬真實大氣中上下流動的細微氣流。模擬像颶風和雷暴這樣的天氣事件需要打破流體靜力學原理，因為這樣的事件中，上升氣流是很重要的。經過10年的反復考慮，林先建最終找到一個有效的方法，將非靜力氣流加入代碼中。

林先建需要對其模型進行測試。在佛羅里達州邁阿密NOAA大西洋海洋與氣象實驗室主持颶風研究工作的弗蘭克·馬克斯（Frank Marks）在監督大西洋沿岸地區颶風模型的改進情況。林先建說服馬克斯利用卡特里娜颶風的研究資金購買額外的超級計算機，并向他保證：在分辨率為1公里的情況下運行FV3，會呈現出颶風最完整的細節。

放大風暴

FV3模型將大氣分成網格，可以模擬每一個網格中的天氣狀況。為了避免兩極地區出現的問題，其坐標系采用了將球體立方化的方式。此外，這個程序可以通過嵌入網格來模擬不同尺度范圍的天氣狀況。

2014年，NOAA宣布要通過競爭的方式來選擇下一代天氣預報系統的“核心模型”。此時，林先建早已做好了準備。有5個模型參選，包括FV3在內。到2015年夏季，FV3成為兩個水平領先的模型之一，另外一個是“全部尺度預測模型（MPAS）”，這是NCAR創建的全球化長期預測體系，很多研究人員都使用這個體系。對這些模型的判斷，要依靠模仿大氣流動的速度和準確性。

在 6個月的時間里，林先建平靜的辦公室里變得異常熱鬧。為了將 FV3嵌入天氣服務系統中，他的研究小組在夜晚和周末都加班加點地工作。林先建說：“從科學的立場上來講，我從來都沒有想過我們會在競爭中輸掉。”他的模型具有一個優勢——高效。高效也正是林先建的執著追求，這不僅僅是他在工作上的追求：颶風桑迪的襲擊使他簡樸的家中斷了電，他拒絕使用普通的發電機，而是把豐田普銳斯汽車的電連接到他的家庭線路系統中。他解釋說：這臺汽車的電池會確保發電機所產生的額外電量不會浪費掉。

為了使FV3充分利用有限的計算能力，林先建及其團隊編寫的代碼以平行方式運行。這對于全球性模型來說是相當困難的，因為一個網格里的天氣狀況可能會影響半球之外的另一個網格。但是在垂直的方向上，這種相互關聯性不是大問題。因此，林先建能夠使FV3的層與層之間相互分離，以平行的方式進行處理。通過改變網格的形狀，林先建獲得了更高的效率。所謂的“極地問題”困擾著氣候模型的建立，這個問題是由極地附近奇特的扁平拉伸網格造成的。因此，林先建和他以前的NASA同事普特曼放棄了那種經緯體系，采取了球體立方體系，就像六面體的氣球。這樣就沒有什么極地問題需要處理了，只有六個方塊在接縫處發生著微妙的相互作用。

最終結果：跟MPAS相比，FV3在規范運行狀態下只占用了 1/3的計算機處理器。據測量，對于大量的處理器來講，FV3的效率更高，而且它能夠擴展到以高分辨率模擬全球某個地區的狀況，在地貌不規則的地區也不會使其性能出現偏差。2016年7月，在NOAA指定FV3勝出之前，NCAR就已經退出競爭。主持計算對比的米查拉克斯說：“沒有任何確鑿的證據表明 MPAS具有成本優勢。 ”

在競爭期間，林先建曾經抱怨NOAA偏向于MPAS。現在，他可以高調地談論自己的勝利了。他說：“在這個學科領域，多數人都不尊重我們的研究工作。”隨著NCAR的落敗，林先建現在面臨更強勁的對手：英國氣象局和歐洲中期預測中心。自從20世紀90年代初期以來，英國氣象局一直是將天氣預報和氣候預測結合在一起的唯一機構。長期以來，歐洲中期預測中心一直運行頂級的天氣預報模型。

這一次，他將會需要幫助。

跟其他建模師一樣，歐洲建模師也是始于利用相同的氣球、衛星和地面的測量數據。但是，他們往初始天氣條件中注入了隨機性因素，然后經過多輪模擬運行，形成具有共識的預報。要想使美國達到這樣的標準，就需要贏得美國研究人員的支持，提供創新技術，便于林先建及同事用于自己的模型。

然而，西雅圖華盛頓大學的大氣科學家克利夫·馬斯（Cliff Mass）稱：還存在一種風險：具有學術背景的天氣科學家可能會不肯使用FV3，相反他們可能會繼續使用MPAS，他們更加習慣該模型的原代碼和文檔。過去，林先建曾經表示不愿意分解自己的代碼，這也加重了人們的擔憂情緒。馬斯說：“林先建是一位才華橫溢的建模師，他不怎么依靠團體的支持。”但是，普特曼認為，林先建將會欣然接受真正的改進意見。他說：“如果他見到有一種方法能夠將他的代碼向前推進一步，我敢肯定，他會樂意采用的。”

在之后的專題討論會上，NWS將會制定出運行FV3的時間表。到2017年5月份，FV3應該能夠完全融入NWS的數據同化算法中。到2018年上半年，如果一切順利，NOAA將會啟動天氣預報開關，使其成為發送到所有手機中的標準預報。

同時，林先建的團隊需要繼續進一步完善FV3，他們正在開發一種更加強大的縮放技術——允許在感興趣的區域上空創建由高分辨網格構成的網絡，網格的每個邊長為2至3公里。這樣能夠在進行全球預測的同時進行高分辨颶風預報，不必等到全球預測結束后再預測颶風。該模型還能夠捕捉到龍卷風和大型風暴，這些天氣對于此前的全球性模型來說太過細膩，無法進行模擬。林先建說：“我們擁有幾分雄心壯志，我們正在努力使其涵蓋一切天氣狀況。 ”

在GFDL的屏幕上，林先建的副手盧卡斯·哈里斯（Lucas Harris）正在放大俄克拉荷馬州，一個嵌套的FV3網格正在重現該州于2013年5月的龍卷風事件。2013年5月，一場嚴重的龍卷風穿越俄克拉荷馬州的穆爾地區，使 24人喪生。隨著模型的運行，分散的風暴形成一道颮線，然后砧狀云形成，來自雷暴單體的龍卷風自上而下觸及穆爾地區。接下來，哈里斯變換地點和時間，變換到2012年6月的美國東部地區，當時一場風暴（所謂的“德雷科”）讓天氣預報人員猝不及防，在某些地區造成停電一周的嚴重后果。通過該模型提前將近三天的時間就觀察到了這場風暴的跡象。哈里斯說：“以前，專家認為對這類事件的預測僅僅能夠提前12個小時。”

到目前為止，這些模擬結果留在了實驗室，而林先建正在盡力宣傳他的成果。在2017年颶風來襲的季節，他的模型將與現有的地方颶風模型一道運行。下個月，林先建將要返回俄克拉荷馬州去進行“春季實驗”，這是由研究強勁風暴的科學家參與的一次大型研究活動，目的是測試如何利用縮放技術來幫助地方的天氣預報員。

所有這種合作、這種依靠外界做貢獻的事情都會使林先建感到緊張。他的模型就要走出實驗室了，要到變化無常的真實世界中。從未來一周的龍卷風到未來 10年的氣溫上升，該模型能否成為所有天氣和氣候預測的堅實基礎呢？林先建說：“對此，我感到謹慎樂觀，但不會過于樂觀。”

第二天早晨出現了好兆頭：降雪覆蓋了普林斯頓，景觀很美麗，而且積雪也不難處理——將近6英寸厚，而不是一英尺或更厚。林先建禁不住對那天的天氣做了最終的評論，他寫道：“降雪不像他們預報的那么大。”

[資料來源：Science][責任編輯：岳 峰]