气象学史：22.数值预报

上次我们讲到了威廉·皮耶克尼斯父子俩开始用热力学和流体力学的方式介入到气象学的研究，开始尝试用复杂的方程式来描述天气的变化。但是，这种微分方程是很难解的。所以，计算速度根本比不上天气的变化，也就是说，如果这种复杂的微分方程没有合适的数值解法，也就没有任何实用性。

刘易斯·理查森

第一个尝试解决这个问题的人是个英国人，他叫刘易斯·理查森。我们上次不是讲到过吗，威廉·皮耶克尼斯曾经在莱比锡大学任教，正好一战爆发，他手下的德国学生一个个都参军入伍了，其中5个人是在前线阵亡了，他们阵亡的地方距离法国第14集团军不远。这个刘易斯·理查森当时正在法国第14集团军提供服务呢，他不是战斗人员，只是负责运送伤员。

这个理查森其实本人是个坚定的反战分子。那有人奇怪啊，这个反战分子怎么还上过前线呢？他是放弃了自己稳定的工作和优厚的薪水，来战场上领略一下战争到底有多残酷。

他是个贵格派基督徒，参加了教友会救护小组，负责运送伤员，他接触到的士兵几乎就没有完整的人，全是缺胳膊断腿的。所以他也受了非常严重的刺激。战争结束以后很久他仍然经常做噩梦，有时候夜里会吓醒过来。他亲自去战场上走了一圈，才发现和平的可贵。

剑桥大学国王学院

这个理查森出生于1881年，家境还算不错，父亲是个皮匠。他从小在贵格会的一所寄宿学校里读书，后来进入了纽卡斯尔的杜伦大学达勒姆科学学院读书。1900年又转去了剑桥大学国王学院，所以他在剑桥大学有幸遇到了电子的发现者J·J·汤姆逊。正好汤姆逊是他的物理老师。

所谓名师出高徒，所以理查森在数理方面的功底子还是非常深的，他尤其擅长数学，不过他毕竟是学过工科的，对工程方面的知识他也很熟悉。后来，理查森在1903年毕业了，获得了一等学位。

理查森大学毕业以后干了很多的短期工作，包括在阳光灯具公司和国家煤炭工业有限公司上过班。在1909年他结婚了，妻子加内特是理查森同事的妹妹，理查森的老丈人也是一位数学家和物理学家，有家庭环境的熏陶，理查森的妻子对科学也很了解，也很支持丈夫的工作。可惜呀，这小两口没孩子，加内特连续7次流产。所以这两口子也是没办法，收养了两个男孩和一个女孩。

理查森第1篇重要的论文发表在1910年。标题是《物理问题中微分方程的差分算数解——在一个砖石结构大坝应力分析中的应用》这显然是一个非常复杂的工程学问题。理查森搞出了很多解微分方程的创造性方法，这种方法未来在气象学领域会得到广泛的应用。

艾斯科达勒姆观象台

到了1913年，他被委任为艾斯科达勒姆观象台的负责人。这个观象台位于苏格兰，是观测地磁和气象的一个研究机构，附属于英国气象局和伦敦皇家学会。这种工作对于理查森来讲，那是求之不得。这10年他在各个企业之间跳来跳去，工作就没有稳定过。现在终于算是端上铁饭碗了，而且人家开出350英镑的薪水，这个薪水也不低，而且还给他提供一套别墅，一个工作助手。而且工作的环境也很幽静，远离了喧嚣的城市。

理查森走马上任了。就在这个幽静的观测站，理查森的脑海里冒出了一个近乎疯狂的想法。他设想了一个庞大的计算系统。这个计算系统起码得要好几千人。每个人都要精通用他发明的差分法来求解微分方程，说白了这些人就是人形计算机。这些人通通坐在一个圆形的剧场里，中间有一个指挥台，周围是一圈又一圈的椅子，就像地球的经纬度那样分布。这个剧场就好比一个巨大的地球仪。每个“人形计算机”就负责计算自己所在经纬度的微分方程，最终把这些数字全部汇总起来，就是整个地球的天气变化。所有的计算结果要马上通过电报发往世界各地。

他的这个设想在当时的人看来简直是白日做梦。但是他还是把这个想法告诉了他的上级，也就是英国气象局的局长纳皮尔·肖。纳皮尔·肖倒是很支持理查森的想法，他就写信把理查森的这个想法告诉了挪威的威廉·皮耶克尼斯。明确无误的告诉他，理查森想在荷兰的海牙建造一座球形的建筑，里边要安装500台人形电脑，用于处理全世界的观测资料。他这还是往少了说，其实500台根本就不够。纳皮尔·肖知道威廉也在做类似的工作。但是他们显然不像理查森这么擅长做数值计算。但是威廉他们对于理论研究还是很强的，所以就把他们研究出的最新的微分方程交给了理查森。

理查森的设想

当然啦，对于理查森的这个设想，也仅仅是设想而已，当时他还没有条件去实施。最起码你得把计算方法简化再简化，要变成按部就班的计算步骤，人形计算机也是要执行程序的对吧。所以理查森就开始写一本书，叫做《数值过程的天气预报》。在这本书里，他还特地表示了对威廉的感谢。毕竟有很多的理论和公式都是人家提供的。

反正，从1913年到1916年之间，理查森的工作还是很忙的，一方面要写书，一方面观测台还有很多行政事务要管理，还要做观测，事情比较多。不过他还是把书稿的第1版给写出来了。他把威廉他们推导出来的大气运动原始方程转换了一下形式，变得更适合用他1910年发明的这种差分方法来求解。当然，他也自己推导了很多物理公式。基本的思路就是大气的气压速度等等物理量最终都要表达成数字，描绘到地图上。

理查森的上司纳皮尔·肖拿着这本书的第1版手稿，向英国皇家学会作了介绍。皇家学会很感兴趣，愿意掏100英镑帮他出版。但是理查森还觉得自己这本书不太成熟，这事儿还得向后推一推。

理查森觉得，他得把筹建天气预报工厂所需要的这个数学概念和方法以及流程都得搞清楚了，这本书才能出版。但是这个“天气预报工厂”只存在于他的脑子里。真的运行起来会是什么样子，能不能发布天气预报，发布出来的准不准，他也不知道。毕竟这需要海量的计算，最起码也得有500多“人型计算机”，上哪儿去找这么多人呢？

到了1916年，第1次世界大战已经打了两年了。按理说像理查森这样的观象台负责人是不需要应征入伍的。况且他岁数也大了，他都35岁了。而且他自己还反战，还不想服兵役。所以理查森内心挣扎了好久，最后决定还是上战场去看看，看看战争到底有多残酷。所以在1916年的5月，理查森就辞职了。有人说他实在是太冲动了，你这铁饭碗你就不要了，这么优厚的工资你也不要了。没办法，拦不住。所以理查森就去了法国战场。

到法国以后。理查森一边负责救护伤员，还得抽空改进他的算法，还得抽时间修改他的书稿。所有这些事都是在1916~1918年。他在法国战场上运送伤员的间隙完成的。

当时的条件真的是很辛苦，有一次他的计算结果差点就化为乌有了。在1917年的香槟战役之中，他把写满计算结果的草稿纸塞到自己屁股兜里，结果在行军的途中全弄丢了，辛辛苦苦计算的结果全没了。但是他真是个幸运儿，几个月以后，他在战场上的一堆碎石头底下重新找到了这一沓草稿纸。这运气真是好得出奇了。

理查森在自己的书里面添加了一个实际的案例。他使用的数据是威廉皮耶克尼斯提供的一套1910年5月20号的观测数据。这套数据包括整个欧洲的气象台在“国际气球日”对高层大气所做的观测。理查森就用这套数据来验证自己的计算方法。他外推计算了6个小时的变化，然后和实际的数值做比对。

在战争条件下要完成这样的计算是非常不容易的，理查森花了很大的力气，但是最后算出来的结果和实际结果相比对发现完全是错的。他算出来的数字是实际数字的100倍。所以这次数值天气预报以失败而告终。

不过，理查森还是把他的这次计算过程原原本本写进了书里。他也承认自己的第1次数值天气预报是失败的。他认为是气球带回的测量数据不太准。但是后人去检查他的计算过程，发现他的模型初始条件不对，难怪会算错呢。

1919年战争结束了，理查森也从战场归来。到1922年，他的这本《数值过程的天气预报》终于正式出版了。主要还是因为战争以及理查森严重的战争后遗症，拖延了这本书的出版，理查森也再次回到气象局工作。

本森观象台最开始设立在戴恩斯的私宅

老领导还是很赏识理查深的。他委派理查森到本森观象台担任研究员。本森观象台有个高层大气探测和辐射方面的顶尖科学家威廉·戴恩斯，他和理查森合作很默契。尽管戴恩斯的岁数要比理查森大25岁，但是两个人非常投缘。理查森在1920~1921年间重写了他的书稿，并在鸣谢部分感谢了戴恩斯对他的慷慨帮助。

戴恩斯

他的这本书在科学界也是广受好评，甚至被认为是科学界的一个重要的成就。但是，除了他和皮耶克尼斯，没人相信未来能靠数学计算来解决天气预报的问题。毕竟计算量还是太大了。书里面写的那些复杂的数学公式实在是让人望而生畏。所以大家都认为这个方法只是理论上有可能，实际上根本做不到。

第1次世界大战结束以后，气象观测部门就交给空军去管理了。理查森，反正他不想跟军方扯上关系，但是决定还是继续留在气象局工作。但是他得知气象局里面的某些对高层大气研究感兴趣的人，曾经是毒气专家，他的心都碎了。毒气专家怎么会跟气象扯上关系呢？废话，你放毒气不得顺风吗？逆风放毒气，你不是熏自己吗？哪天才是顺风，你不想提前知道吗？对吧。

所以理查森一气之下就离开了气象局，这辈子以后再也没有碰过气象研究。在离开气象局之后，理查森开始运用他的数学知识为和平主义服务。他试图用统计学来分析战争的原因。他认为两个国家国境线的长度跟两国开战的概率应该有一定的关系。那么国境线到底有多长啊？他发现当时公布的数字有很大的差异，比如说西班牙和葡萄牙之间的边界为987公里或者1214公里。荷兰和比利时之间的边界线长度为380公里或者449公里，到底哪个是对的？难道边界线的长度还不是一个固定的数值吗？

理查森发现了一个现象。一段复杂的曲线，特别是像海岸线这种自然形成的曲线。你要测量它的长度的时候，就必须把它分解成一小段一小段的直线，然后再加起来。可是这一小段直线到底有多长？这段直线的尺度度越长，量出来的总长度就越短，尺子越短，测量出来的长度也就越长。这就被称为“理查森效应”。

不过，他的这个发现在数学界也没有引起什么反响。一直到1967年，法国数学家曼德勃罗写了一篇论文叫做《英国海岸线到底有多长？》实际上就是基于理查森当年的论文。曼德勃罗于1975年出版了他的关于分形几何的专著《分形、机遇和维数》，标志着分形理论的诞生。分形几何与混沌理论有关系，而混沌理论和气象学又有密切关系。

所以说，理查森涉及到领域还算很广泛的。他对大气湍流也很有贡献，“理查森数”就是用他的名字命名的。

1952年，一位叫朱尔·查尼的气象学家寄给理查森几篇论文。这几篇论文主要就是讨论了如何利用现代的电子计算机对大气数值进行模拟计算。1952年已经有电子计算机了，他们这几篇论文主要还是针对ENIAC计算机的。

朱尔·查尼

朱尔·查尼1948年进入普林斯顿高级研究院，成为了气象研究小组的负责人。他的工作就是探讨利用数字电子计算机计算天气预报可行性。这项集体工作为后来的美国海洋与大气管理局的地球物理流体动力实验室的建立铺平了道路。

当时的理查森已经垂垂老矣。他虽然还没能看到数值天气预报成为现实。他只是看到了一些理论上的进展和针对计算机进行了算法优化，但是他已经很开心了。他立刻向朱尔·查尼表示祝贺，这是科学又迈出了一大步，尽管当年那个叫理查森的家伙算错了。

1953年的9月30日。刘易斯·理查森在睡梦之中因心脏病发作而去世，享年71岁。最终他还是没有看到数值天气预报变为现实，但是曙光就在眼前。

我们下次再说。