计算,天气预报的新方法
刘易斯·弗赖伊·理查森是贵格会教徒,也是坚定的和平主义者。英国空军部接管英国气象局后,他辞去职务,开始开发一个数值大气模型。1913年,他担任苏格兰邓弗里斯郡(Dumfriesshire)埃斯科达勒姆(Eskdalemuir)观象台的负责人,这是一个观测地磁和气象的研究机构。这个观象台是英国国家物理实验室的一个分支,在电气化铁路投入使用时,从伦敦附近的基尤(Kew)搬到了埃斯科达勒姆。观象台位于潮湿、僻静的边区村落,选址特意尽可能地远离任何人工磁场,这样的环境适合理查森。他巩固自己的梦想,并有意识地加以引导,让他的思想在似睡似醒之间获得平衡。他解释说:“这种‘差不多’的条件恰恰对创造性思维有利。”
第一次世界大战爆发后,理查森发现自己“陷入了近距离观战的强烈好奇心和强烈反对杀戮的情绪挣扎中”。1914年,在公谊服务会(Friends’Ambulance Unit)成立时,他就申请加入,并于1916年5月最终获准离开观象台。他先参加了基本训练,训练内容为维持救护车运行和确保伤员的生命安全。9月,他前往法国,在战争前线服务,直到1919年才离开。在此期间,他隶属于法国步兵第16师。
自查尔斯二世复辟和威廉·佩恩被监禁以来,贵格会逐渐获得了社会的认可和尊重。由于贵格会拒绝向军方屈服,且肩负救死扶伤的人道使命,公谊服务会在第一次世界大战期间一直高度自律。理查森的救援车队被称为“英国卫生部”(Section Sanitaire Anglaise Treize,简称S.S.A.13),拥有20辆救护车和45名工作人员。1914年2月至1919年1月期间,他们运送了74501名伤员,行驶路程超过599410千米。
理查森虽然驾车技术较差,但是在机械方面却很有天赋,这让他赢得了救护队其他成员的喜爱。“有一天,我的照明发电机出了问题,”1916年12月8日,奥拉夫·斯特普尔顿(Olaf Stapledon)这样写道,他后来创作了《最后和最先的人》(Last and First Men),“机械师走了,我又对电学了解甚少,所以就没办法了。幸运的是,我发现我们那个古怪的气象学家也是电工专家。我和他忙了一个早上,拧螺丝、修补、清洗和修整,有时席地躺在车下,有时爬到机器里头去。”
一年后,理查森和斯特普尔顿在一起庆祝了战争中的第4个圣诞节。“月光皎洁,照得地上一片光亮,如有积雪。昨晚还在月亮旁边的木星,现在被甩开了一小段距离。金星刚刚化作一团红光,在西边落下。之前,它一直在天上,发出耀眼的白色光芒,”1917年12月26日,斯特普尔顿报告说,“我刚和我们的教授散步回来。他讲述的内容让我感到震惊,他带我领略了原子和电子的奥秘,以及上帝最玄妙的创造:乙醚的真相。其间,我们始终在宽阔的白色山谷中穿行,向松树岭走去。脚下到处都是雪的结晶,荧光闪烁,然后又像我们脑海中匆匆掠过的电子真相那样,神秘地消失了。脚踩在雪上,感觉松软如粉,像一条柔软的白色毛毯铺在坎坷结冰的泥路上。山顶的松树排成黑色的阵列俯视着我们,走近可以听到微风从中间吹过发出的私语声。教授(他约莫35岁,性格活泼,心思缜密)慢步前行,尽管我身披羊皮大衣,但还是感觉很冷;不过一段时间后,我完全沉浸在和他的谈话中,甚至忘记了冰冷的双耳……我们通过一条狭窄的裂缝越过山脊,暴露在一片全新的天地面前,浑然一色,愈加荒凉。新的天际线横在我们来时的土地和路线之上。从遥远处传来枪声,好似咕哝声。”
理查森只要有片刻休息时间,就会投入到他的数学模型的研究中。“这个军营简直就是一个谷仓,严重超员,”1918年1月12日,斯特普尔顿写道,“我旁边坐着理查森,也就是‘教授’,他一整晚都在进行数学计算,用隔音材料堵住耳朵。”该模型以1910年5月20日凌晨4:00到10:00,6个小时之间观测到的北欧上空天气状况的表格为输入。当天是“国际热气球节”,挪威气象学家威廉·皮叶克尼斯(Vilhelm Bjerknes)收集了其详细记录。威廉开拓性的努力意在让我们对大气的理解实现量化,它给理查森带来了启示。威廉的儿子雅各布·皮叶克尼斯是汤普森后来在加利福尼亚大学洛杉矶分校的主管。
“在寒冷的军营中,我的办公室就是一堆干草,”理查森声称,“我把6个星期的时间一大半都花在第一次制作计算表格以及计算两个竖排的新分布上。”旷日持久的战争正好适合长时间的计算。尽管周围充斥着泥土、死亡和弹片,理查森还是努力重建天气。那是一个春天的早晨,许多热气球飘浮在欧洲当时宁静的乡村上空。他把大气的运动看作求解微分方程组的自然方法,这个微分方程组连接着两个时间步长之间相邻单元中的条件。
理查森使用了他在1909年发展的有限差分法。这一年,他在给英国皇家学会的报告中写道:“对于工程学和许多不太确切的科学,如生物学,都需要能快速解决问题的方法,既要易于理解,又要适用于不常见的公式和不规则的结构。”通常,在气象学中,由于边界条件的定义模糊,得出近似的答案已经很不错了。
虽然得出的预测与1910年5月20日所发生的真实情况相去甚远,但理查森的信念是正确的,即计算终将取代天气预报现有的天气学方法。在现有的方法中,预测所基于的假设是大气之前如何发展,以后仍会重复这一发展,并且大气的历史记录,可以被当作展现其本身的综合工作模型。他完成了测试预测,在1917 年 4 月的香槟(Champagne)战役中,预测的工作副本被寄往后方。结果,这一副本却在后方遗失,几个月后才在一堆煤炭下被发现。
战争结束后,理查森发表了一份详细的报告,题目为《利用数值过程预测天气》(Weather Prediction by Numerical Process),让其他人可以从中吸取教训。在这本书的结尾,根据他的设想,在地球表面划分3200个气象单元,通过电报将实时观测资料传递到多个拱形画廊和一个大厅里的下沉式露天剧场,然后那里的64000位计算员不停地计算每个单元与相邻单元之间关系的方程,维持着一个大气的实时数值模型。他这样想象:“外面是运动场、房屋、高山和湖泊,因为大家认为计算天气的人就应该自由地呼吸。”同时还补充说:“在昏暗的将来,也许有一天,计算的进步将比天气的发展速度更快,并且可以在获得的信息方面节约成本。”
26年后,菲利普·汤普森从理查森止步的地方继续起航。他回忆说:“经过了1946年一年的酝酿,问题的定义和解决方法最终慢慢靠拢起来,尽管不是通过设计。”汤普森使用一台古老的门罗台式计算器拼命工作,他试图找出捷径,越来越为手工计算的重担犯愁。正如他所描述的:“直到1946年初秋一个晴朗的下午,乔根·霍姆伯(Jorgen Holmboe)教授叫我过去,他说知道我在做什么,并把《纽约时报》上的一篇文章递给我看。”该文章宣布,美国无线电公司的弗拉基米尔·佐利金和高等研究院的约翰·冯·诺依曼打算合作建造高速电子计算机,并研究气象预报和控制的应用。“第二天,我打电话给我的指挥官本·霍尔兹曼(Ben Holzman)将军,请求他批准我前往普林斯顿会见冯·诺依曼,”汤普森继续说道,“霍尔兹曼将军抱怨了一下,但他还是同意了,并让我顺路坐上飞往东部的一架军用飞机。第二天的安排很明确,我在前往普林斯顿的途中坐了B-29轰炸机、公交车、马车、火车、牛车以及PJ&B。”PJ&B是两节车厢的火车,又叫“丁基”(Dinky),它来往于普林斯顿大学和普林斯顿交汇点的干线之间。
汤普森和冯·诺依曼见了面,他“被震住”,不过竭力控制,没有偏离话题。他解释了自己一直以来在加利福尼亚大学洛杉矶分校使用台式计算器所做的事。“大约半小时后,他问我是否愿意加入他的电子计算机项目,”汤普森回忆说,“然后他询问应该如何为我安排。我建议他给霍尔兹曼将军打电话并提出这个要求。他打过去,聊了几分钟,然后说霍尔兹曼将军想和我说话。谈话很简短,只是那边单方面在说。好像是,‘好吧,我想你最好先回来,收拾行李。命令马上就会下来’。”
1946年12月,汤普森来到了研究院,搬进了古老小径尽头的一栋麦尼维尔公寓。“他身材高大、很有贵族气派,”阿克雷沃·康德普里亚回忆说,“他很帅气,很像彼得·奥图尔(Peter O’Toole)……他穿着制服。我猜想,他是富家子弟。”气象组主要由临时访问学者组成。“我和来自索邦大学的保罗·奎奈(Paul Queney)共用一间办公室,就是富尔德楼下方的一间小办公室,”汤普森回忆说,“有段时间我们的沟通很困难,因为他的英语和我的法语一样差。”
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