引入ENIAC,成功的24小时预报
计算机完工的时间被推迟,而且氢弹问题享有优先权,所以气象小组转而决定在ENIAC上运行全面计算。
1950年3月,查尼和加入进来的乔治·普拉兹曼(George Platzman)、拉格纳·费约托弗特、约翰·弗里曼以及约瑟夫·司马格林斯基到阿伯丁进行了考察。他们是在克拉拉·冯·诺依曼的带领下前往的。克拉拉帮助他们将问题编码,并向他们介绍了ENIAC的运作方式及外围卡片处理机器。
普拉兹曼报道说:“刘易斯·理查森50年前预言的愿景开始于1950年3月5日星期日,晚12时。它持续运行了33个日日夜夜,中间只有短暂的中断。”13天后,3月18日,他在日记中写道:“我们已经完成了一段12 小时的预测。”“在4个星期结束时,我们已经做了两段24小时预测,”4月10日,查尼报道称,“第一段预测准确度不明显,但是有几处优点;第二段预测竟然出奇得好。即使西欧上空风向转变和低气压扩展(拉格纳认为是斜压现象),也做到了准确预测。”在接下来一周的时间里,他们又做了两段24小时预测,时间分别选择了1949年1月31日和2月14日。
“由于内部存储空间有限,就在穿孔卡片上进行开发,把穿孔卡片当作大容量的读/写存储器,这使穿孔卡片运算和ENIAC运算密切耦合。这是冯·诺依曼巧妙设计出来的。”计算的每个步骤要求16次连续运算:6次ENIAC内部算术和10次外部穿孔卡片运算,以处理结果并为下一步做准备。查尼、冯·诺依曼和费约托弗特报告称:“在24小时预测的过程中,产生了约10万张标准IBM穿孔卡片,并执行了100万次乘法和除法。一旦故障被排除,24小时预测所需的计算时间大约只要24小时,也就是说,我们正好能够与天气保持同步。”
查尼和他的同事们凯旋,回到了普林斯顿。“24小时预测就是演进中的24小时,没什么大不了,”他解释说,“这纯粹是个技术问题。两年后,我们使用自己的机器能在5分钟内做出相同的预测。”受到成功的鼓舞后,他们白天为北半球上空的大气开发一系列更为详细的模型,夜间则活跃住房项目区的气氛。
“哦,我们爱他,”特尔玛·埃斯特林(Thelma Estrin)评价查尼道,“他热情、友好,喜欢派对,总是最后一个回家。”工程师和气象学家一起生活在麦尼维尔的房屋中,他们关系亲密。其他学术访客受到吸引,也加入到他们的阵营中。匈牙利拓扑学家拉乌尔·博特这样评价:“所有的气象学家都非常有趣,都能喝酒。”1949年,他怀揣工程学学位,以冯·诺依曼门生的身份来到了这里。“我们举行了盛大、疯狂的派对,”他回忆说,“这是我生命中的高潮部分。”
就在第一次考察ENIAC之后,博特挑了一个晚上举行派对,当时诗人狄兰·托马斯(Dylan Thomas)也在镇里。“大约晚上10时30分,也可能是11时,我们在其中一间房间里举行了盛大的派对。我想:‘好啊,这么盛大的派对,不正适合叫上狄兰·托马斯吗?’于是我给旅馆打电话(我是一个性急的年轻人),找到了他,他已经躺在床上了。但是他说,‘哦,无论如何,我很乐意被唤醒’。你知道,他随时准备来参加派对。所以我和妻子开车到旅馆接他(我们有一辆1935年的别克敞篷车),她当然非常兴奋。狄兰·托马斯坐进车里不久,我就看出来可能会有点问题。因为很明显,今晚我的妻子要成为他的舞伴了。”
查尼的研究小组在改进模型的同时,还需要一个基准,借以评估他们的预测。理查森将1910年5月20日平静的早晨用作他的测试实例。查尼的研究小组选择了1950年的感恩节,当天强劲的风暴袭击了美国的中部和东部。当时可用的预测未能洞察天气的发展,结果造成300人死亡和前所未有的财产损失,甚至连普林斯顿大学帕尔默物理实验室的屋顶都被掀掉了一部分。这场风暴最适合作为测试实例。
查尼说:“由于这场风暴为自然发生且强度很大,它被选作预测气旋生成的理想测试实例。”尽管湍流具有不可预测性,但是他认为:“气旋的产生和发展是确定的、可预测的事件。虽然气旋的生成可能随机出现,然而初始的扰动将在空间和时间上有一个优选位置,并且虽然其幅度最初可能较小,但是完全由基本气流决定。这就像一辆汽车被推向悬崖,虽然缓慢,但势不可当。”
1950年11月,《每月天气评论》(Monthly Weather Review)的摘要开头就是:“11月25日至27日的风暴最初见于格林尼治时间12:30的地面天气图,11月24日作为一小股低压产生于北卡罗来纳州和弗吉尼亚州西部上空。”在未来48小时内,扰动不断增强,直至成为美国有记录以来最严重的风暴。西弗吉尼亚州的科伯恩溪(Coburn Creek)降雪量达157厘米。-18℃的记录分别出现在肯塔基州的路易斯维尔和田纳西州的纳什维尔(Nashville)。匹兹堡降雪量达76厘米,钢铁行业陷入了停滞。
“2. 5维的模型未能捕捉到气旋的生成,尽管它有些模糊的迹象,”查尼后来报告称,“所以,我们转换到3维模型,即2+2/3维模型,我们确实捕获到了气旋生成。虽然不是非常准确,但毫无疑问我们做到了。我一直认为这是一件非常重要的事情……我想让全世界都知道!”
成功的24小时预测需要48分钟的计算时间,接着就是一个300千米的16×16的单元网格,需要48个半小时时间步长。据查尼称,“在此期间,机器大约执行了75万次乘法和除法,1000万次加法和减法,并执行了3000万条不同的指令”。气象学家们努力在计算机内部模拟天气的同时,也受到了计算机外部天气的困扰。面对着普林斯顿闷热的天气,“约克”制冷机组继续超负荷运转。出现雷雨天气时,威廉姆斯管存储器往往会失效。那是5月的一天,天气非常炎热,IBM穿孔卡片设备出现了故障,机器的日志记录显示:“IBM机器把类似焦油的物质滴到了卡片上。”下一条日志条目解释:“焦油是屋顶的焦油。”
查尼计划开发一个不断完善的层次模型,现在,这个计划正在如火如荼地展开。1952年8月5日,冯·诺依曼在高等研究院主持了一次会议,目的是由气象局和空军及海军气象部门探索数值预报的常规方法的可能性。1953年9月,气象局、空军、海军同意建立一个联合数值天气预报中心(Joint Numerical Weather Predic-tion Unit)。1954年1月,由冯·诺依曼主持的技术咨询小组推荐使用一台IBM 701,每年的租金预算为175000~300000美元。IBM于1955年初交付了这台计算机,4月18日获得了第一份业务预报。
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