一、天氣的威力

　　一次沙暴，可能影響世界格局走向；一場(chǎng)暴雨，可能使戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)易主；一次嚴(yán)寒，可能帶來(lái)朝代盛衰興替……

鐘青研究員

　　你是否想過(guò)，日日伴隨我們的天氣，對(duì)生活的影響除了衣食住行，竟然還有如此宏闊的方方面面？
　　如果說(shuō)赤壁之戰(zhàn)的諸葛東風(fēng)、滑鐵盧之戰(zhàn)中導(dǎo)致拿破侖帝國(guó)覆亡的傾盆大雨、諾曼底登陸時(shí)轉(zhuǎn)瞬即逝的大雨間隙，這種瞬時(shí)的天氣現(xiàn)象因其與人心所向的偶然重合，而為人津津樂(lè)道的話。那么，小到家庭生計(jì)，大到戰(zhàn)爭(zhēng)成敗，民族興衰，朝代更迭，可能會(huì)因?yàn)椤疤鞖狻边@一只“蝴蝶的翅膀”而走向迥異。
　　1979年之前，美國(guó)和伊朗曾經(jīng)有過(guò)很長(zhǎng)一段蜜月時(shí)光。但天有不測(cè)風(fēng)云，1979年的一場(chǎng)“伊斯蘭革命”卻拉開(kāi)了美伊交惡的序幕，而隨后的“德黑蘭人質(zhì)事件”更使美伊形同水火。當(dāng)雙方誰(shuí)都不能克制時(shí)，必有一方首先動(dòng)武。
　　1980年4月，在伊斯蘭“安息日”前夜，即4月24日夜間，以“藍(lán)光”突擊隊(duì)命名的營(yíng)救人質(zhì)的“藍(lán)光行動(dòng)”開(kāi)始了。
　　22時(shí)，“尼米茲”號(hào)核動(dòng)力航母悄無(wú)聲息停駐在了伊朗附近平靜的海水中。突然，飛行甲板上的大照明燈拉開(kāi)了，16名飛行員和180名突擊隊(duì)員，分別奔入早已檢修完畢的8架直升機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲中，直升機(jī)一架一架地斜刺著升入黑洞洞的夜空。
　　然而原來(lái)“周密”的營(yíng)救計(jì)劃卻因一位“不速之客”的打擾而功虧一簣—直升飛機(jī)編隊(duì)在飛行途中遭遇沙漠風(fēng)暴，導(dǎo)致3架直升機(jī)中途發(fā)生機(jī)械故障，營(yíng)救人質(zhì)成為不可能完成的任務(wù)。更為嚴(yán)重的是，在回撤途中，突擊隊(duì)又傳來(lái)運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)相撞的消息，8名美國(guó)軍人陣亡。
　　該行動(dòng)的飛機(jī)殘骸被伊朗人發(fā)現(xiàn)并展示出來(lái)，而遇難者遺體則被游行示威者帶到德黑蘭游街，這樣的畫(huà)面通過(guò)電視傳遍全世界。
　　一廂情愿的營(yíng)救行動(dòng)以得不償失的結(jié)果告終，不僅令卡特總統(tǒng)感到不快， 更讓“帝國(guó)”形象大打折扣。美伊關(guān)系進(jìn)一步惡化。
　　處于國(guó)際輿論漩渦中的美國(guó)，在中東的影響頓感勢(shì)微，這直接影響了它在隨后的兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)中的取舍，同時(shí)也讓它更急于培植其在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)抗前蘇聯(lián)的代理人。而美國(guó)人不會(huì)想到，他們當(dāng)時(shí)所培植的代理人本•拉登，日后會(huì)成為有著帝國(guó)象征意義的“世貿(mào)大廈”的掘墓人。
　　如果說(shuō)一場(chǎng)沙漠風(fēng)暴影響了世界格局這種說(shuō)法太過(guò)牽強(qiáng)，那么氣候?qū)τ跉v史走向的影響則是經(jīng)過(guò)氣象學(xué)家深入研究后的結(jié)論。
　　熟悉中國(guó)近代史的人都難以繞開(kāi)這樣一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)—1840年。它就像中國(guó)歷史上的一場(chǎng)地震，一下子將古老中國(guó)從“天朝上國(guó)”的迷思中推入半殖民地半封建的深淵。但是仔細(xì)尋找，這些衰落背后，自有其歷史脈絡(luò)。
　　根據(jù)史實(shí)記載，19世紀(jì)中葉至末葉（1840～1880年）氣候比較寒冷，寒冷的天氣通常伴隨而來(lái)的是干旱。一部中國(guó)近代史，是中國(guó)歷史上災(zāi)荒最頻繁、最為嚴(yán)重的一段歷史，尤以水、旱、震、風(fēng)、蟲(chóng)等災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)最多。而在內(nèi)憂中步履蹣跚的古老中國(guó)，恰在此時(shí)遭遇了正值青春旺盛的西方新興列強(qiáng)的侵略，竟然從精神意志到國(guó)力軍力都羸弱到毫無(wú)抵抗之力。
　　《春秋左傳•成公十三年》中說(shuō)：“國(guó)之大事，在祀與戎。”祭祀是向神靈求福消災(zāi)的傳統(tǒng)禮俗儀式。天子之祀，除了昭示其政權(quán)的合法性外，祈求風(fēng)調(diào)雨順，五谷豐登也成為常用的祝禱。而對(duì)于一向注重“天時(shí)”的中國(guó)古代軍事家，天氣更有著關(guān)乎勝敗的意義。天氣對(duì)于以農(nóng)業(yè)立國(guó)的古代中國(guó)，可以說(shuō)關(guān)系著國(guó)之根本。
　　同樣在歷史上，氣候的變遷與中國(guó)的內(nèi)部分裂期的重合，也很難認(rèn)為是偶然的。歷史上朝代的變遷可以說(shuō)直接印證了氣象學(xué)家的這種論斷。著名的氣象學(xué)家竺可楨在《中國(guó)近五千年來(lái)氣候變遷的初步研究》中就有論述：
　　“周初溫暖的氣候不久就惡化了，漢江在公元前903年和897年就兩次結(jié)冰?！被蛟S正是這種壓力，刺激了游牧的西戎向南方的周王朝擴(kuò)張的野心。至于“周幽王烽火戲諸侯”的一幕，也許只是這一必然歷史進(jìn)程中的偶然劇情。
　　竺可楨先生指出：“到東漢時(shí)代，即公元之初，我國(guó)天氣有趨于寒冷的趨勢(shì)……”這種趨勢(shì)幾乎一直持續(xù)到六世紀(jì)上半葉。割據(jù)、叛亂、紛爭(zhēng)，“五胡亂華”的戲碼便在這種寒冷中上演。
　　12世紀(jì)初期，中國(guó)氣候加劇轉(zhuǎn)寒。與此同時(shí)發(fā)生的蒙古族的入侵，終于導(dǎo)致了宋朝政權(quán)的滅亡……
　　1644年清軍入關(guān)，也基于相同的原因。
　　縱觀中國(guó)歷史，大多數(shù)的反叛戰(zhàn)爭(zhēng)和農(nóng)民起義，都發(fā)生在氣候變冷的時(shí)期。而研究西方文明的歷史，也會(huì)有同樣的發(fā)現(xiàn)，羅馬帝國(guó)和瑪雅文化也是在氣候變冷時(shí)衰亡。
　　時(shí)至今日，氣候幾乎影響了社會(huì)生活的方方面面。大到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)家安全，小到百姓的衣食住行，諸如健康、運(yùn)輸、城市發(fā)展、糧食安全、水、能源和其他資源的管理、旅游及休閑等方方面面，都需要新的和更為復(fù)雜精準(zhǔn)的氣象與水文服務(wù)。
　　據(jù)民政部、國(guó)家減災(zāi)辦公布的數(shù)據(jù)，2013年8月，各類自然災(zāi)害共造成全國(guó)13939.8萬(wàn)人次受災(zāi)，367人死亡，115人失蹤，313萬(wàn)人次緊急轉(zhuǎn)移安置。東北和華南地區(qū)災(zāi)情尤其突出。
　　人們不會(huì)忘記，2012年7月21日，北京城遭遇60多年以來(lái)的最大降雨。暴雨引發(fā)房山地區(qū)山洪暴發(fā)，洪澇災(zāi)害造成房山、通州、石景山等11區(qū)（縣）12.4萬(wàn)人受災(zāi)，4.3萬(wàn)人緊急轉(zhuǎn)移安置。全市受災(zāi)人口190萬(wàn)人。79人遇難。
　　2007年7月16日，重慶沙坪壩，降雨量達(dá)到266.6毫米，突破了自1892年有氣象觀測(cè)記錄以來(lái)的歷史最大日降雨量，造成20多人死亡。
　　……
　　專家提醒，極端天氣事件給經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的損失不可小覷。我國(guó)每年因各種氣象災(zāi)害造成農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積5000萬(wàn)公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP總值1％至3％，占GDP增加值的10％以上。
　　“GDP總值1％至3％，GDP增加值的10％以上”—對(duì)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)而言，這意味著巨額的財(cái)富構(gòu)成，對(duì)于災(zāi)區(qū)群眾而言，甚至意味著生命安全。
　　僅僅這一數(shù)據(jù)的變化，就無(wú)疑讓人動(dòng)容。天氣對(duì)于社會(huì)生活的影響，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)數(shù)值可以衡量的界限。而目前所能提供的氣象服務(wù)，與及時(shí)、多樣、精準(zhǔn)的要求相比，簡(jiǎn)直杯水車薪。如果我們能夠掌握這種自然規(guī)律并使之為人類服務(wù)，那么，其所能發(fā)揮的威力是不可比擬的。
　　天氣里面大有文章可做，如果能更加精準(zhǔn)地預(yù)報(bào)天氣，將氣象災(zāi)害的影響降至最低，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來(lái)的益處將是不可估量的。而在這個(gè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，要做到精準(zhǔn)地預(yù)報(bào)天氣，則需要依靠高新科技的力量，要能支撐起中華民族的復(fù)興大業(yè)，則需要領(lǐng)先的核心高新科技的力量。
　　我們難以假設(shè)如果我們的祖先當(dāng)時(shí)能夠提前預(yù)知天氣，歷史會(huì)有什么樣的不同，但我們卻可以以今天的努力，使明天的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)成為可能。

　　二、氣象學(xué)上的挑戰(zhàn)者

　　他叫鐘青，與其說(shuō)他是一名科學(xué)家，不如說(shuō)他更像一名候場(chǎng)的舞者。
　　20多年來(lái)，他一直在大氣動(dòng)力學(xué)上默默探索，為極端天氣現(xiàn)象窮盡思索。
　　他等待的，只是一個(gè)可以將他畢生所學(xué)學(xué)以致用的研究平臺(tái)，一個(gè)可以讓他刻苦修煉的技藝得以一朝驚艷世人眼的舞臺(tái)。
　　他的絕技，雖不似公孫大娘“一舞劍器動(dòng)四方”，“天地為之久低昂”，卻能預(yù)測(cè)雷霆的“震怒”，探測(cè)江海的“清光”。
　　這就是他的新型新一代全球/區(qū)域非靜力動(dòng)力模式研制工作，以及由此衍生出的觀測(cè)預(yù)報(bào)一體化的未來(lái)一代多尺度氣象非靜力數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)想。

　　好奇之門(mén)

　　鐘青對(duì)于大氣動(dòng)力學(xué)的鐘愛(ài)并非天然而來(lái)。
　　少年時(shí)期，成績(jī)一向優(yōu)異的他，對(duì)于生命科學(xué)心馳神往。然而高考中過(guò)于松弛導(dǎo)致的稍稍失常，使得他與心怡的學(xué)科擦肩而過(guò)，邁進(jìn)了北京大學(xué)地球物理系動(dòng)力氣象專業(yè)的門(mén)檻。讀本科時(shí)，鐘青對(duì)于氣象科學(xué)顯得有些三心二意。然而師長(zhǎng)們的諄諄教誨，潛移默化地影響著他的人生走向。
　　許多科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)都是由于對(duì)現(xiàn)象的追問(wèn)、對(duì)好奇的探求，比如說(shuō)蘋(píng)果落地之于萬(wàn)有引力。鐘青仍然清晰地記得一名女教授在一節(jié)課上，給他對(duì)本學(xué)科興趣的最初啟蒙。她用近乎崇敬的語(yǔ)言，介紹了一名日本學(xué)者在破解一項(xiàng)既經(jīng)典又歷經(jīng)百年未被解決的難題—守恒格式方面的專業(yè)貢獻(xiàn)—雖然那位學(xué)者并沒(méi)有解決這一難題，但是他的貢獻(xiàn)足以使他獲得這種榮耀。
　　這是一個(gè)怎樣的難題？這門(mén)學(xué)科里還有什么樣的難題？它們有什么用？
　　鐘青終于打開(kāi)了對(duì)天氣現(xiàn)象的好奇之門(mén)，決心一探其中奧秘。

　　在等待中

　　臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功。
　　在等待舞臺(tái)大幕拉開(kāi)的時(shí)間里，鐘青所做的并不只是等待。
　　1985年，鐘青從北京大學(xué)畢業(yè)，考入中科院大氣物理研究所讀研究生。在此期間，他首選的命題便是厄爾尼諾現(xiàn)象和南方濤動(dòng)。這絕對(duì)是一個(gè)世界級(jí)科學(xué)難題。
　　初出茅廬，“不知天高地厚”，也注定了他的科研道路走得不會(huì)太容易。
　　在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)并不發(fā)達(dá)的當(dāng)時(shí)，僅查找閱讀文獻(xiàn)就是一個(gè)浩大的工程。等到讀完中科院圖書(shū)館的所有相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，同屆的碩士畢業(yè)典禮都要舉辦了，而他，論文還只字未動(dòng)。
　　可能是重壓下的靈光突現(xiàn)，也可能是日常積累的知識(shí)由量變產(chǎn)生的質(zhì)變，窘境中，鐘青突然茅塞頓開(kāi)，決定跳出傳統(tǒng)的經(jīng)典理論框架，把厄爾尼諾和南方濤動(dòng)現(xiàn)象歸結(jié)于大氣—海洋耦合非線性本征系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的非線性本征問(wèn)題。
　　這是國(guó)內(nèi)外首次出現(xiàn)的思路和做法，其實(shí)質(zhì)是把一個(gè)艱難甚至不可分析的無(wú)窮繼問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)等價(jià)的有限維易分析的問(wèn)題。
　　就如同修煉內(nèi)功的人突然打通了“任督二脈”，鐘青的研究一下子變得順暢起來(lái)。他把自己關(guān)在宿舍里，十來(lái)天的時(shí)間，幾百頁(yè)紙的計(jì)算和推導(dǎo)，終于完成了他想實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。
　　他的導(dǎo)師也說(shuō)，鐘青的研究能夠解釋厄爾尼諾周而復(fù)始而又間隔不等的2～10年周期性和周期的不規(guī)則性，以及發(fā)展和終止的突變特點(diǎn)。
　　一個(gè)讓無(wú)數(shù)專家學(xué)者束手無(wú)策的棘手世界性難題，被一個(gè)毛頭小子攻克了。但是解決是一回事，獲得理解和認(rèn)可是另外一回事。在國(guó)內(nèi)碰壁后，鐘青將研究成果轉(zhuǎn)投至國(guó)際刊物，不想一投得中。文章發(fā)表之后，國(guó)外不少同行包括耶魯大學(xué)的教授等都來(lái)索要。
　　1994年，基于這一成果，他在1994年北京市第三屆青年科技論文獎(jiǎng)評(píng)選中獲得了一等獎(jiǎng)。
　　初戰(zhàn)告捷，不畏挑戰(zhàn)的鐘青，又對(duì)那個(gè)讓他對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)萌發(fā)初始興趣的世界難題躍躍欲試—守恒格式。
　　物理守恒規(guī)律是自然界的基本規(guī)則，本質(zhì)是非線性的，相應(yīng)物理模型往往只能離散計(jì)算，數(shù)值求解，在把連續(xù)變化的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散性數(shù)值求解時(shí)，必然涉及物理量時(shí)間和空間的守恒格式問(wèn)題。近百年來(lái)，人們解決的只是一些理想的特例情況下，半離散瞬時(shí)守恒格式和平凡的一次全守恒格式。
　　面對(duì)新課題的挑戰(zhàn)，質(zhì)疑聲又起—研究它有什么用？
　　鐘青認(rèn)為，作為19世紀(jì)的三大自然科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，能量守恒和質(zhì)量不滅幾乎是整個(gè)物理科學(xué)的基礎(chǔ)，而氣象科學(xué)則是物理科學(xué)的一個(gè)分支。解決物理量的時(shí)間和空間守恒格式問(wèn)題，將會(huì)對(duì)整個(gè)氣象科學(xué)產(chǎn)生重要的意義。
　　他提出了“物理守恒保真”概念，建立了幾種守恒格式方案，并在解決時(shí)間離散化理論上產(chǎn)生了新的進(jìn)展。其論文《物理守恒律保真格式構(gòu)造與數(shù)值預(yù)報(bào)斜壓原始方程傳統(tǒng)譜模式改進(jìn)研究》發(fā)表在1998年第6期《氣象學(xué)報(bào)》上。同年秋天，他被授予“世界氣象組織青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)”（全球僅兩人獲獎(jiǎng)），成為第一個(gè)代表國(guó)家被授予該獎(jiǎng)項(xiàng)的中國(guó)人。世界氣象組織評(píng)價(jià)：“毫無(wú)疑問(wèn)，他已經(jīng)取得了突出的研究成果……這項(xiàng)工作將解決更廣泛類型的線性和非線性計(jì)算不穩(wěn)定問(wèn)題與進(jìn)化問(wèn)題，被認(rèn)為是重要的改進(jìn)氣象論……鐘先生獲得“世界氣象組織青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)”實(shí)至名歸?！?BR>　　這一獎(jiǎng)項(xiàng)，使他由藉藉無(wú)名的后輩，成為這一領(lǐng)域的先鋒人物，也使他的探索更加向前深入，他又迎來(lái)了自己學(xué)術(shù)生涯的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這一次，似乎比之前更加艱難。

　　蜀道之難

　　天有不測(cè)風(fēng)云。
　　大氣運(yùn)動(dòng)本身是復(fù)雜多變的，在鐘青研究的領(lǐng)域，這叫作混沌。所謂混沌，即不按常理出牌。
　　當(dāng)人們從大氣運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)出發(fā)計(jì)算未來(lái)天氣狀況時(shí)，初始狀態(tài)的微小差異也會(huì)使后來(lái)的演變結(jié)果大相徑庭。這就演變成了天氣預(yù)報(bào)中的測(cè)得準(zhǔn)和測(cè)不準(zhǔn)。
　　通俗講來(lái)，兩團(tuán)極為相似的云，可以會(huì)因?yàn)槟承O為微小的差異，一朵當(dāng)空飄過(guò)，一朵則化作大雨傾盆。
　　如何不被一片混沌數(shù)據(jù)所迷惑，從中抽離出真正有價(jià)值的“微小差異”，變“莫測(cè)風(fēng)云”為“可測(cè)風(fēng)云”，這是鐘青與他的同行們的使命。而數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，就成為他們用以完成這種使命的手段。
　　所謂數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，是根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定初值和邊值條件下，采用數(shù)值計(jì)算的方法，求解描寫(xiě)天氣演變過(guò)程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組，預(yù)報(bào)未來(lái)天氣的方法。
　　20世紀(jì)以來(lái)，數(shù)值預(yù)報(bào)的能力大幅提高，其對(duì)環(huán)流場(chǎng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，但是對(duì)天氣要素特別是對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)，與防災(zāi)減災(zāi)及預(yù)報(bào)精細(xì)化的要求距離甚遠(yuǎn)。尤其是在高影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、天氣預(yù)報(bào)信息的利用方面。
　　高影響天氣預(yù)報(bào)是對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生影響后果的天氣預(yù)報(bào)。高影響天氣預(yù)報(bào)特別與溫帶和熱帶氣旋的預(yù)報(bào)相聯(lián)系，而這類氣旋包含有顯著中尺度天氣及其影響。還包括對(duì)影響空氣質(zhì)量的氣象條件、異常高溫/低溫、干旱、對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生高影響的非極端天氣的預(yù)報(bào)。
　　高影響天氣事件具有低概率、高風(fēng)險(xiǎn)的特征，它雖然似乎不大可能出現(xiàn)，但是，一旦出現(xiàn)其后果就有可能是災(zāi)難性的。提高高影響天氣預(yù)報(bào)的技巧是21世紀(jì)科學(xué)與社會(huì)的重大挑戰(zhàn)之一。
　　為了應(yīng)對(duì)高影響天氣的挑戰(zhàn)， 2003年世界氣象組織第14屆會(huì)議上確定的全球大氣10年研究發(fā)展計(jì)劃，即THORPEX，旨在加速提高1天至14天高影響天氣預(yù)報(bào)精度。從2004年至今，該項(xiàng)目已開(kāi)展了9年。
　　之所以會(huì)牽涉到各方力量參與其中，正是因?yàn)閿?shù)值預(yù)報(bào)的難度非同尋常。THORPEX指出，目前數(shù)值預(yù)報(bào)在如下方面仍然面臨挑戰(zhàn)：在高影響天氣預(yù)報(bào)方面的顯著失?。粺o(wú)法將有效預(yù)測(cè)延長(zhǎng)至兩周乃至以上；在對(duì)于熱帶氣候和其對(duì)于較高緯度地區(qū)氣候影響的預(yù)報(bào)方面乏善可陳；中尺度天氣特別是暴雨預(yù)報(bào)方面技術(shù)不足。
　　以文章開(kāi)關(guān)提到的北京暴雨為例，“7•21”暴雨過(guò)后，氣象部門(mén)連續(xù)發(fā)布兩次暴雨預(yù)報(bào)。其中，26日預(yù)報(bào)北京暴雨，但實(shí)際降雨地點(diǎn)為天津；28日，再次預(yù)報(bào)北京暴雨，但實(shí)際降雨只有小雨量級(jí)。對(duì)此，氣象專家回應(yīng)稱，在所有的降雨預(yù)報(bào)中，暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率是偏低的。據(jù)專家介紹，國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率一般只有20%～30%，現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)還不能對(duì)特大暴雨做準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
　　在暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率方面，2012年美國(guó)WPC的評(píng)分為0.25左右（滿分為1分制），而我國(guó)國(guó)家氣象中心的暴雨評(píng)分還要低于美國(guó)；總體來(lái)說(shuō)，暴雨預(yù)報(bào)是一道世界性的難題。
　　僅僅是暴雨的預(yù)測(cè)，就讓氣象學(xué)家們倍感挫折，預(yù)知?dú)庀蟮奶魬?zhàn)，似乎真的是“蜀道難，難于上青天”。

世界氣象組織青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)”獲得者、中國(guó)科學(xué)院大氣物理所研究員鐘青

　　三、無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰

　　馬克思說(shuō)：“在科學(xué)的入口處，正像在地獄的入口處一樣，必須提出這樣的要求：這里必須杜絕一切猶豫，這里任何怯懦都無(wú)濟(jì)于事。”
　　對(duì)于鐘青這樣一個(gè)極富挑戰(zhàn)精神的人來(lái)說(shuō)，向困難進(jìn)發(fā)，是一種人生態(tài)度。迎難而上—除此之外，沒(méi)有選擇。
　　鐘青說(shuō)，“好的預(yù)報(bào)依賴好的預(yù)報(bào)模式和好的預(yù)報(bào)資料，只有兩者都好，才可能預(yù)報(bào)得更好。”建立科學(xué)的預(yù)報(bào)模式，在海量數(shù)據(jù)中把真實(shí)、有用的數(shù)據(jù)提煉出來(lái)，把“噪音”濾掉，這是精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)需要解決的問(wèn)題。
　　對(duì)于中小尺度、尤其是風(fēng)暴尺度天氣事件的預(yù)報(bào)，雷達(dá)資料起著關(guān)鍵性作用，利用雷達(dá)資料同化技術(shù)，為模式提供一個(gè)合理描述大氣中水汽場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的初始預(yù)報(bào)場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，采用新型非靜力模式對(duì)預(yù)設(shè)的個(gè)例進(jìn)行預(yù)報(bào)，并通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)其預(yù)報(bào)效果—這就是鐘青要走的技術(shù)路線圖。
　　在擁有海量氣象資料的前提下，發(fā)展新一代非靜力數(shù)值模式是提高強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的必由之路。因?yàn)閺?qiáng)對(duì)流天氣是強(qiáng)非靜力的，靜力近似假設(shè)對(duì)其歪曲極大。
　　在上述技術(shù)路線的指引下，鐘青和他的助手們歷時(shí)十余載，在吸取國(guó)際新一代非靜力數(shù)值模式先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用中國(guó)自主發(fā)展起來(lái)的獨(dú)特的能量—物質(zhì)保真計(jì)算技術(shù)，初步建立起一種新型非靜力數(shù)值模式（F-model）。它能更準(zhǔn)確的描述水汽和能量的循環(huán)過(guò)程，從而可為進(jìn)一步提高強(qiáng)天氣的預(yù)報(bào)水平提供新的可能。
　　2003年，基于鐘青曾被授予“世界氣象組織青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)”的成果“物理守恒保真說(shuō)”，在“973”項(xiàng)目“我國(guó)重大氣候與天氣災(zāi)害的形成機(jī)理和預(yù)測(cè)理論研究”支持下，他開(kāi)始了“非靜力區(qū)域動(dòng)力模式理論基礎(chǔ)及應(yīng)用研究”，為我國(guó)非靜力模式可持續(xù)發(fā)展提供基于本土的、比較扎實(shí)可靠的科學(xué)基礎(chǔ)與先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)。
　　可以說(shuō)，在國(guó)際上提出THORPEX之前，鐘青已經(jīng)在做同樣的工作。而他早期對(duì)于艱深理論的鉆研使他在應(yīng)對(duì)這些難題時(shí)受益良多?；谶@一理論利用NCEP41年再分析資料（1958～1998），對(duì)F-GSM與ECMWF譜模式方案比對(duì)動(dòng)力測(cè)試中，第二周及以后系統(tǒng)誤差改進(jìn)令人側(cè)目，體現(xiàn)在月預(yù)報(bào)平均統(tǒng)計(jì)減少一半，其中，直接改進(jìn)1/4，地形間接改進(jìn)1/4。
　　在隨后的幾年中，鐘青開(kāi)始了他在數(shù)值預(yù)報(bào)方面的漫漫征程，他的研究主要聚焦在觀測(cè)資料同化技術(shù)、數(shù)值模式發(fā)展和大氣可預(yù)報(bào)性三個(gè)方面。
　　在觀測(cè)資料相關(guān)研究方面，他們開(kāi)發(fā)并掌握了一系列資料同化系統(tǒng)，并進(jìn)行了資料同化的有益嘗試，使雷達(dá)、衛(wèi)星等資料同化應(yīng)用水平有大的提高；并在集合卡門(mén)濾波資料同化系統(tǒng)發(fā)展取得新進(jìn)展；在適應(yīng)性觀測(cè)研究方面已能提供成功示范實(shí)例，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
　　在數(shù)值模式發(fā)展的研究上，他們改進(jìn)了區(qū)域非靜力中尺度保真模式(F-MM)，增強(qiáng)了資料初值處理功能，特別是非常規(guī)資料處理功能；改進(jìn)了天氣尺度全球保真譜模式(F-GSM)，增加了ECMWF輻射物理過(guò)程方案；增加了冰雹的微物理改進(jìn)方案；提高模式垂直分辨率；顯著改進(jìn)了模式的誤差，尤其是赤道對(duì)流層頂附近（100hpa）的誤差。
　　在可預(yù)報(bào)性研究方面，在強(qiáng)風(fēng)暴的臨近預(yù)報(bào)上，把握國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，廣泛采用各種資料和利用多種資料同化手段，在發(fā)展臨近以及甚短時(shí)預(yù)報(bào)方面數(shù)值預(yù)報(bào)方面取得明顯進(jìn)展，包括：已獲得將我國(guó)MICAPS地表、探空、雷達(dá)和衛(wèi)星等資料應(yīng)用到數(shù)值模式預(yù)報(bào)中的全套技術(shù)能力；已獲得冰雹等局地強(qiáng)對(duì)流數(shù)值模式預(yù)報(bào)技術(shù)能力，并有疑難個(gè)例成功預(yù)報(bào)范例。在中小尺度臺(tái)風(fēng)中、短期暴雨預(yù)報(bào)上，精細(xì)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)能力獲得新的提升，水平分辨率已提升至9/3km水平。其理論與技術(shù)上的先進(jìn)性在實(shí)際暴雨預(yù)報(bào)流場(chǎng)、降水場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)路徑與強(qiáng)度預(yù)報(bào)均有新的體現(xiàn)；中尺度集合預(yù)報(bào)研究已可提供算例。采用新型區(qū)域F-model，局地強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報(bào)世界難題取得突破性進(jìn)展；采用新型全球保真譜模式(F-GSM)，對(duì)中緯度典型斜壓波運(yùn)動(dòng)模擬預(yù)報(bào)取得令人興奮的進(jìn)展；此外，他們還在中尺度集合預(yù)報(bào)可預(yù)報(bào)性研究取得進(jìn)展。
　　在該系列研究中，他構(gòu)建了完整的物理保真算子理論，從理論上證明了存在物理守恒保真（三次全能量）方案，是優(yōu)于國(guó)際通行穩(wěn)定性技術(shù)的模式新計(jì)算穩(wěn)定方案。它們一方面可在線性與非線性計(jì)算穩(wěn)定性充分的條件下，消除與物理守恒離散破壞相應(yīng)的系統(tǒng)誤差/計(jì)算性虛假源匯；另一方面可在不損害離散截?cái)嗑惹疤嵯拢鉀Q計(jì)算穩(wěn)定性問(wèn)題。
　　鐘青的這一理論不僅適用于靜力與非靜力原始方程模式、水平擴(kuò)散等物理效應(yīng)保真計(jì)算，還適用于任意真實(shí)地形穩(wěn)定計(jì)算。
　　通過(guò)對(duì)非靜力區(qū)域動(dòng)力模式進(jìn)行研究，他發(fā)現(xiàn)，以三維風(fēng)分量、氣壓、密度及相對(duì)濕度為基本預(yù)報(bào)量，其新型二階精度空間差分方案具有全能量和質(zhì)量保真特性。在面對(duì)通行非靜力模式中存在的過(guò)度耗散和守恒與轉(zhuǎn)換整體物理性質(zhì)離散破壞等通病時(shí)，優(yōu)于國(guó)際通行穩(wěn)定性技術(shù)，能夠保持模式計(jì)算精度，減小模式系統(tǒng)誤差。
　　在采用包絡(luò)地形與實(shí)時(shí)側(cè)邊界方案的前提下，實(shí)例測(cè)試顯示：大尺度天氣形勢(shì)模擬新框架與MM5大體相當(dāng)，在平坦地形或如青藏高原等特殊高大陡峭地形條件下，中小尺度天氣細(xì)致渦旋結(jié)構(gòu)的有無(wú)，與模型分析資料更為一致。
　　可以說(shuō)，該項(xiàng)目在應(yīng)對(duì)前文提到的THORPEX中列舉的數(shù)值預(yù)報(bào)的幾項(xiàng)重大挑戰(zhàn)方面，均使數(shù)值預(yù)報(bào)精度取得了十分顯著的提升。
　　在項(xiàng)目驗(yàn)收中，該成果獲得了專家高度評(píng)價(jià)。專家們說(shuō)，“該課題研制的高保真非靜力區(qū)域模式動(dòng)力框架是完全基于自主發(fā)展的計(jì)算理論基礎(chǔ)上研制成功的，為改進(jìn)和完善暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)模式開(kāi)拓了新的思路，是一項(xiàng)具有探索性的研究成果”，為原創(chuàng)性成果，還推薦該成果為重大創(chuàng)新。專家們建議，“應(yīng)盡快把該課題研究的非靜力模式和物理過(guò)程模式聯(lián)接成一個(gè)完整的新一代中尺度暴雨預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)，以期在暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率上能更有新的進(jìn)展?！?BR>　　2008年奧運(yùn)會(huì)正值北京暴雨頻發(fā)期，因此，北京夏季暴雨就成為2008年奧運(yùn)會(huì)氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)保障中最重要的高影響天氣。
　　2008年7月26日至2008年8月31日，F(xiàn)-model正式在北京市氣象局北京市氣象臺(tái)參加了業(yè)務(wù)化應(yīng)用試驗(yàn)。事后檢驗(yàn)結(jié)果證明，F(xiàn)-model對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)具有較低的空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率，準(zhǔn)確率均達(dá)到80%以上。預(yù)報(bào)效果能達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求，在關(guān)鍵災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中可起到明顯的提示作用，可以作為短時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的應(yīng)急系統(tǒng)。
　　檢驗(yàn)結(jié)果表明，在采用雷達(dá)資料同化的情況下，F(xiàn)-model的預(yù)報(bào)結(jié)果普遍好于其他業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果；對(duì)于暴雨和大暴雨的預(yù)報(bào)，無(wú)論F-model是否采用雷達(dá)資料初始化，預(yù)報(bào)效果都好于其他結(jié)果。
　　通過(guò)奧運(yùn)期間F-model業(yè)務(wù)運(yùn)行的評(píng)分結(jié)果表明，F(xiàn)-model在沒(méi)有同化雷達(dá)資料，且未采用嵌套的情況下，對(duì)小雨、中雨的預(yù)報(bào)要稍好于對(duì)大雨和暴雨的結(jié)果，各項(xiàng)評(píng)分都可以FDP項(xiàng)目中的4個(gè)個(gè)例平均評(píng)分相比擬，足以說(shuō)明F-model可以作為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的支撐系統(tǒng)。
　　同時(shí)，F(xiàn)-model在某些時(shí)候會(huì)表現(xiàn)出未同化雷達(dá)資料要好于同化雷達(dá)資料的結(jié)果，這說(shuō)明F-model還有通過(guò)改善雷達(dá)資料的同化方法來(lái)提高預(yù)報(bào)水平的潛力。
　　2005年6月10日，黑龍江沙蘭鎮(zhèn)（與吉林省交界）發(fā)生了一次強(qiáng)降水過(guò)程。這次強(qiáng)降水具有明顯的局地性、突發(fā)性特征，且降水強(qiáng)度大，引發(fā)了特大山洪災(zāi)害。當(dāng)時(shí)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)沒(méi)有預(yù)報(bào)出此次突發(fā)性降水，事后利用其他一些數(shù)值預(yù)報(bào)模式（MM5、WRF）也未能有效地模擬出此次較強(qiáng)降水。
　　為了認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、反思不足，在F-model推出之后，吉林氣象臺(tái)曾利用該模式對(duì)當(dāng)時(shí)的強(qiáng)降水過(guò)程做過(guò)模擬，而F-model在一般常用分辨率情形下（9km水平分辨率），能夠?qū)@次強(qiáng)降水過(guò)程有較好預(yù)報(bào)能力，且預(yù)報(bào)的降水量級(jí)和落區(qū)與降水實(shí)況的量級(jí)及落區(qū)相對(duì)一致。這個(gè)疑難個(gè)例為F-model進(jìn)一步在吉林省氣象臺(tái)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)。而利用該模式對(duì)近兩年來(lái)其他一些個(gè)例做的模擬試驗(yàn)，也表明該模式有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，尤其是強(qiáng)天氣的預(yù)報(bào)中，能夠有效減少漏報(bào)現(xiàn)象，具有明顯的業(yè)務(wù)應(yīng)用前景。

　　鑒于鐘青課題組研發(fā)的“多普勒雷達(dá)交叉相關(guān)外推技術(shù)”，能夠利用集合的思想，考慮多時(shí)刻單體回波演變過(guò)程，提出改進(jìn)目前國(guó)內(nèi)利用集合的方法外推回波研究的不確定方案，可能更好地提供未來(lái)一小時(shí)的回波特征，且經(jīng)過(guò)了批量的前期個(gè)例檢驗(yàn)，因此，2009年，濟(jì)南市政府也把該系統(tǒng)作為全運(yùn)會(huì)氣象保障項(xiàng)目，并針對(duì)濟(jì)南的地理環(huán)境特征，采用最優(yōu)化處理方法得到Z-R關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)提供逐小時(shí)估測(cè)降水。如今，已處于穩(wěn)定業(yè)務(wù)運(yùn)行階段。
　　雖然已部分實(shí)現(xiàn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，但是這對(duì)于日益頻繁的氣象災(zāi)害來(lái)說(shuō)，仍然無(wú)異于杯水車薪。從成果到應(yīng)用的跨越，依然是擺在鐘青面前、擺在氣象學(xué)研究者面前的一項(xiàng)宏大課題。
　　而對(duì)于未來(lái)的應(yīng)用，鐘青想得很多。根據(jù)他的設(shè)想，未來(lái)的預(yù)報(bào)模式將是交互式的，一改傳統(tǒng)預(yù)報(bào)不定時(shí)、不定點(diǎn)、范圍小、單向性的特點(diǎn)，將針對(duì)用戶千姿百態(tài)的需求開(kāi)發(fā)出極具特色的服務(wù)方案。
　　天氣預(yù)報(bào)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際是一個(gè)浩大的系統(tǒng)工程。提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，現(xiàn)在仍是一個(gè)世界性的難題，這一使命光榮又艱巨。預(yù)測(cè)天氣，不僅是鐘青作為一名氣象工作者的挑戰(zhàn)和夢(mèng)想，更是關(guān)乎人類福祉的光榮使命。
　　“海到盡頭天是岸，山至高處人為峰?！?BR>　　對(duì)于鐘青來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)意味著難度，也意味著興趣與價(jià)值。只有跨越常人難以企及的重重阻礙，才能領(lǐng)略科學(xué)之巔的無(wú)限風(fēng)光。而這背后，更有造福億萬(wàn)民眾的巨大價(jià)值。
　　鐘青表示，“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的成功是20世紀(jì)最重大的科技和社會(huì)進(jìn)步之一。雖然在過(guò)去的20多年里數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技巧有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍需要進(jìn)一步提高，尤其是在高影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、天氣預(yù)報(bào)信息的利用方面?！辩娗嗤瑫r(shí)表示，這一模式在應(yīng)對(duì)高影響天氣方面，已經(jīng)達(dá)到新的高度，并將繼續(xù)朝著前所未有的高度進(jìn)發(fā)，如果給它以用武之地，其發(fā)揮的作用將涉及國(guó)計(jì)民生的方方面面。
　　十年磨劍，鋒芒待現(xiàn)。
　　面對(duì)極端天氣愈加頻發(fā)的趨勢(shì)，鐘青所構(gòu)想的觀測(cè)預(yù)報(bào)一體化的未來(lái)一代多尺度氣象非靜力數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，已然成為必要而迫切的時(shí)代需求。
　　這名舞者，亟待走向臺(tái)前的時(shí)刻。