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Science:计算机建模专家打造领先天气预报模型

摘要 : 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。

 

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。”

原文链接:

Take that, Europe. Computer modeler aims to give U.S. lead in weather predictions

原文摘要:

From below the conference table comes the thrum of incoming phone alerts. The new weather forecast has rolled in, and the climate scientists, even though it’s not typically their business, dig out their phones to look: snow tomorrow—hardly unusual for early February in Princeton, New Jersey. But the weather models have the storm breaking severe, dumping a foot or more. A snow day seems likely.

来源: Science 浏览次数:0

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