气候大师林先建的大气网格如何统一天气预报和气候模型……
林先建的研究将为短期天气预报和长期气候模拟提供支持
会议桌的下方传来了来电提醒的单调声音，有新的天气预报传过来。通常这不是气候科学家的业务，但是现在他们也拿起电话查看：明天有雪，这对于2月初的新泽西州普林斯顿来说并非不正常。但是，天气模型显示有大暴雪，降雪将达一英尺或更大。看来下雪不可避免。
林先建坐在地球物理流体动力学实验室（GFDL）的会议桌对面，他对此次天气预报并不确信。他是20 000行计算机代码的大师，这些代码将大气分成网格，能够精确地解出描述全球气旋方式的方程式。几十年来，林先建的研究推动了许多气候模型的长期模拟，包括GFDL的模型，这个模型是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的王牌模型之一。现在，林先建的研究领域扩展到NOAA的另一个方面：国家气象局（NWS）的短期天气预报。到2018年，林先建的研究将会形成气候和天气预报的统一系统，既能够预测明天的天气状况，也能够预测一个世纪以后的气候状况，比当前的模型更快、更好。他的研究将很快能够指导市长的计划，计划既包括铲雪车也包括海平面的上升。
但是，林先建的研究早就开始了，他的小团队已经在他们的超级计算机上进行了原型预测。通常，林先建的行为方式总是自信而快速，有关第二天的暴雪，他提供了少数派报告。
林先建宣布说：“如果我们的预报是正确的，这场雪只有3至6英寸。”坐在桌旁的同行似乎有些怀疑，其中一个人警告说：“预报会出现混乱的！”但是，林先建不肯让步，也不需要做出让步。他说：“我们要看看明天的雪有到底多大，你要不要赌一把？”
情况到底如何，在很大程度上取决于林先建。最近，NWS遇到了一些明显难堪的事情。例如：在2012年的时候，NWS预测飓风桑迪会逐渐平息于海面上，而欧洲气象中心准确预测出这场飓风会直接袭击纽约市。国会无法容忍美国在气象预报上排名第二的现状，2013年为NWS投资4800万美元，让其开发天气模型。这项投资为NOAA提供了明确的信息：要让美国排名第一！
这一举措开辟了一个机会。长期以来，气象学家和气候科学家在各自的领域开展研究。气象学家专注于速度：从卫星、气球和浮标上获取尽可能多的数据，然后快速将其转化为天气预报。气候科学家专注于模型的物理方面，产生几十年的气候模拟。但是，目前在1个月到两年的“次季节性和季节性”预报中，这两个领域发现了共同点。为了将天气预报提前到10天左右，气象学家需要气候模型提供较多的物理特性；同时，气候科学家想知道，在1个月或1年的时间尺度上所产生的天气现象（如厄尔尼诺）是如何影响全球气候的。加州蒙特雷海军研究实验室的大气科学家约翰·米查拉克斯（John Michalakes）说：“这两个领域的人们有共同语言，他们意识到将会成败与共。”
林先建的模型可以以高分辨率模拟龙卷风，如2013年在俄克拉荷马州穆尔地区发生的那场龙卷风，造成了24人死亡
打破天气和气候之间的界限还有另外一个好处：气候科学家不愿意明说的好处。宾夕法尼亚州立大学天气与气候风险解决中心主任大卫·蒂特利（David Titley）说：尽管人类造成的气候变化之说面临美国保守派政治家的审查和蔑视，但是天气研究仍然受到各派的一致拥护。例如，就在2017年4月，国会通过了一项天气预报法案，其中规定NOAA要拿出2 650万美元的预算来改进季节性预测，气候变化的怀疑者也在法案支持者之列。蒂特利说：“如果由我来掌管这个领域的话，我就会打破这种界限。”
林先建在模拟中从未进行过区分。林先建的长期合作者、密歇根大学安娜堡分校大气科学家里基·鲁德（Ricky Rood）称：“从一开始，我们就说在天气和气候之间没有区别。”但是，其他人对这个观念听不进去，特别是听不进林先建的观念，因为他就像政府雇员那样争强好辩、易怒易躁。鲁德说：“对我来说，这是一个莫大的惊喜，林先建可能会成为将天气和气候统一起来的人。”
林先建的一生就像风暴那样动荡不安。他从小长大的地方（台北）经常有台风光顾，他一直对台风的力量极感兴趣。他说：“我的血液里都刮着飓风！”林先建出生于1958年，他的父母经营一家小型建筑公司，在他的家庭中他是第一个上大学的。作为台湾大学的学生，他学习微处理器架构、气象学和流体力学，他迷上了利用不连续的0或1的计算机代码系统来表达连续的气流所带来的挑战。
当时，台湾实行独裁统治，林先建加入了反对这种体制的学生组织。大学毕业后，他面临着几年的义务兵役生涯。他以优异的成绩通过了入伍考试，以为自己将会在台北谋得一个轻松安逸的工程岗位。然而事与愿违，他被运往距离中国大陆16公里的马祖列岛。他算不上一位模范士兵，他讨厌在队伍集合的时候背诵政党的政治主张。他说：“你不得不假装，不得不说一些言不由衷的话。”
台湾似乎没有林先建的容身之地，于是他在1983年开始就读于俄克拉荷马大学航空航天工程系，他能够上得起的学校极少，这所院校是其中之一。他想当一名火箭科学家，但是过渡是艰难的。跟英语相比，他更加注重学习计算机语言，他感到了孤独。他的口音问题在沟通上是一种障碍，但这不是唯一的障碍。美国国家航空航天管理局（NASA）戈达德太空飞行中心气象学家比尔·普特曼（Bill Putman）是林先建的另一位长期合作者，他说：“有些人往往觉得难以听懂林先建的话，但是这不一定是语言上的障碍，这更像是知识上的障碍。”看到林先建在计算流体力学方面有天分，他的导师建议他转学到普林斯顿大学学习，该大学跟GFDL有合作关系，是学习大气建模的理想场所。
林先建学习了GFDL的科学家如何将大气沿着经纬线分成3D网格，这些网格遍布全球，从地球表面延伸到平流层。沿着网格上的点位，他们设置初始条件（某一特定时刻的天气或气候状况），然后，计算机就会一个点位一个点位地连续解出描述风力、空气压力、温度和湿度变化的方程式。当时计算机的主机就有房间那么大，模型网格也是巨大的，方孔大小为500公里。这些模型只能重现最大规模的大气特征，如急流和哈得来环流圈，后者是暖空气从赤道地区流传到亚热带。
研究生毕业后，林先建决定留在美国。他说：“现在，与其说我是台湾人，倒不如说我是美国人了。”他喝威士忌，但要往酒里加入人参。他回到俄克拉荷马大学，开展龙卷风建模的博士后工作。但是，当时的计算机还无法模拟如此小规模的事件。失败使人的锐气受挫，但是林先建说失败也给他提供了一句真言：“在拥有资源的时候，选择针对特定问题的合适的复杂程度。”在NASA，林先建很快发现了问题所在。
20世纪80年代末期，鲁德在NASA戈达德太空飞行中心研究南极臭氧空洞的问题。NASA执行研究任务的飞机飞入空洞去测量可能破坏臭氧的化学物质。这些飞行任务发现：几种短期活性的氮氧化物含量有所下降，这使得来自人造化学物质中的氯留存下来，促进了分解臭氧反应的进一步发生。但是，鲁德的大气模型不能模拟流量和反应情况。无论他怎么做，氮反应物总是保持稳定不变。
怎么会发生这样的情况呢？当时，一种叫作“谱方法”的精确数学方案超越了全球模拟。这种方案没有在经纬网格的点位上解决问题，科学家意识到：大气的流体流量可以表示为数百条正弦的纵横波的总和。这种代码运行较快，运算结果可以转换回常规网格中。目前，谱方法仍然支持全球的大多数天气预报，包括NWS的预报在内。但是，这一运行速度是有代价的：当这些波发射回物理空间时，质量可能会逐渐失去平衡。对于天气模型来说，只是预报未来几天的情况，问题并不大。但是对于大气化学和气候模型来说，运行的时间要长得多，那么这种失衡就成为关键性的瑕疵。
对于鲁德来说，幸运的是有一位年轻的台湾科学家为他所发表的论著所吸引，给他写了一封信。1992年，林先建作为承包人加入NASA的时候，两者开始创建一种模型，把保持质量平衡放到首位。这么做首先意味着放弃了谱方法，还意味着从揭示网格点位的有限差分模拟升级到揭示每个网格整体平均状况的有限体积模拟，这种模拟真正适于保持质量平衡，因为计算时要将物质流量从一个网格延伸到另一个网格。其他研究人员也考虑过利用这样的解决方案，但是他们认为这么做太复杂，在计算上付出的代价会很大。
然而，林先建是一位高效计算大师。20世纪90年代中期，经过几年的努力奋斗，他和鲁德扩展了他们的模型至完整的动力核心，超越了目前仍然作为标准的化学传输，在速度上足以用作气候模型。GFDL的气溶胶建模师保罗·吉诺克斯（Paul Ginoux）也在戈达德太空飞行中心跟林先建进行合作，他说：“如果输入空气中的一粒尘埃，这种代码就会在正确的位置、正确的时间对其进行传输，做到这一点是很棒的！”但是，这种代码的名字要平淡得多，他们称之为“FV”代表“有限体积”，后来改称为“FV3”。
他们的研究成果很快引起了科罗拉多州博尔德国家大气研究中心（NCAR）的关注，该中心是美国研究天气和气候科学的领先机构之一。NCAR将FV引进其富有影响力的气候模型中，位于纽约市的NASA气候实验室也采用了这种代码。2003年，GFDL通过人才引进把林先建请过去，将FV升级，然后把它用于该实验室的全球模拟系统中。这些模型的成果（美国对联合国气候变化专家组的主要贡献之一）在很大程度上澄清了公众对全球变暖的看法，这些成果都是以林先建的创新为基础的。
在NOAA，人们用术语“防灾预算”描述国会资助天气研究的反应方式。这个术语并不动听，但说明：大气建模的合二为一从根本上来讲是由飓风卡特里娜和桑迪所带来的灾难促成的。
2005年，NWS没能准确预测飓风卡特里娜对路易斯安那州新奥尔良的直接袭击。两天后，国会拨出资金，用于改进对大西洋飓风的预测。碰巧，也正是在这个时候，林先建走进了GFDL主任艾萨克·赫尔德（Isaac Held）的办公室，他宣称：“我要对天气预测实施变革。”这个时候的计算机能够处理小型网格，足以模拟飓风。更重要的是，林先建开发了一套关键的物理方法，该方法适合于利用FV3来预测实际的飓风。许多全球预测模型都是利用一种叫作“流体静力学原理”的假设来运行。该理论认为：任何网格里的空气重力跟网格底部气压所产生的向上浮力正好是平衡的。这个原理对于粗略的模型来说是有效的，但是它不能直接用于模拟真实大气中上下流动的细微气流。模拟像飓风和雷暴这样的天气事件需要打破流体静力学原理，因为这样的事件中，上升气流是很重要的。经过10年的反复考虑，林先建最终找到一个有效的方法，将非静力气流加入代码中。
林先建需要对其模型进行测试。在佛罗里达州迈阿密NOAA大西洋海洋与气象实验室主持飓风研究工作的弗兰克·马克斯（Frank Marks）在监督大西洋沿岸地区飓风模型的改进情况。林先建说服马克斯利用卡特里娜飓风的研究资金购买额外的超级计算机，并向他保证：在分辨率为1公里的情况下运行FV3，会呈现出飓风最完整的细节。
放大风暴
FV3模型将大气分成网格，可以模拟每一个网格中的天气状况。为了避免两极地区出现的问题，其坐标系采用了将球体立方化的方式。此外，这个程序可以通过嵌入网格来模拟不同尺度范围的天气状况。
2014年，NOAA宣布要通过竞争的方式来选择下一代天气预报系统的“核心模型”。此时，林先建早已做好了准备。有5个模型参选，包括FV3在内。到2015年夏季，FV3成为两个水平领先的模型之一，另外一个是“全部尺度预测模型（MPAS）”，这是NCAR创建的全球化长期预测体系，很多研究人员都使用这个体系。对这些模型的判断，要依靠模仿大气流动的速度和准确性。
在6个月的时间里，林先建平静的办公室里变得异常热闹。为了将FV3嵌入天气服务系统中，他的研究小组在夜晚和周末都加班加点地工作。林先建说：“从科学的立场上来讲，我从来都没有想过我们会在竞争中输掉。”他的模型具有一个优势――高效。高效也正是林先建的执着追求，这不仅仅是他在工作上的追求：飓风桑迪的袭击使他简朴的家中断了电，他拒绝使用普通的发电机，而是把丰田普锐斯汽车的电连接到他的家庭线路系统中。他解释说：这台汽车的电池会确保发电机所产生的额外电量不会浪费掉。
为了使FV3充分利用有限的计算能力，林先建及其团队编写的代码以平行方式运行。这对于全球性模型来说是相当困难的，因为一个网格里的天气状况可能会影响半球之外的另一个网格。但是在垂直的方向上，这种相互关联性不是大问题。因此，林先建能够使FV3的层与层之间相互分离，以平行的方式进行处理。通过改变网格的形状，林先建获得了更高的效率。所谓的“极地问题”困扰着气候模型的建立，这个问题是由极地附近奇特的扁平拉伸网格造成的。因此，林先建和他以前的NASA同事普特曼放弃了那种经纬体系，采取了球体立方体系，就像六面体的气球。这样就没有什么极地问题需要处理了，只有六个方块在接缝处发生着微妙的相互作用。
最终结果：跟MPAS相比，FV3在规范运行状态下只占用了1/3的计算机处理器。据测量，对于大量的处理器来讲，FV3的效率更高，而且它能够扩展到以高分辨率模拟全球某个地区的状况，在地貌不规则的地区也不会使其性能出现偏差。2016年7月，在NOAA指定FV3胜出之前，NCAR就已经退出竞争。主持计算对比的米查拉克斯说：“没有任何确凿的证据表明MPAS具有成本优势。”
在竞争期间，林先建曾经抱怨NOAA偏向于MPAS。现在，他可以高调地谈论自己的胜利了。他说：“在这个学科领域，多数人都不尊重我们的研究工作。”随着NCAR的落败，林先建现在面临更强劲的对手：英国气象局和欧洲中期预测中心。自从20世纪90年代初期以来，英国气象局一直是将天气预报和气候预测结合在一起的唯一机构。长期以来，欧洲中期预测中心一直运行顶级的天气预报模型。
这一次，他将会需要帮助。
跟其他建模师一样，欧洲建模师也是始于利用相同的气球、卫星和地面的测量数据。但是，他们往初始天气条件中注入了随机性因素，然后经过多轮模拟运行，形成具有共识的预报。要想使美国达到这样的标准，就需要赢得美国研究人员的支持，提供创新技术，便于林先建及同事用于自己的模型。
然而，西雅图华盛顿大学的大气科学家克利夫·马斯（Cliff Mass）称：还存在一种风险：具有学术背景的天气科学家可能会不肯使用FV3，相反他们可能会继续使用MPAS，他们更加习惯该模型的原代码和文档。过去，林先建曾经表示不愿意分解自己的代码，这也加重了人们的担忧情绪。马斯说：“林先建是一位才华横溢的建模师，他不怎么依靠团体的支持。”但是，普特曼认为，林先建将会欣然接受真正的改进意见。他说：“如果他见到有一种方法能够将他的代码向前推进一步，我敢肯定，他会乐意采用的。”
在之后的专题讨论会上，NWS将会制定出运行FV3的时间表。到2017年5月份，FV3应该能够完全融入NWS的数据同化算法中。到2018年上半年，如果一切顺利，NOAA将会启动天气预报开关，使其成为发送到所有手机中的标准预报。
同时，林先建的团队需要继续进一步完善FV3，他们正在开发一种更加强大的缩放技术――允许在感兴趣的区域上空创建由高分辨网格构成的网络，网格的每个边长为2至3公里。这样能够在进行全球预测的同时进行高分辨飓风预报，不必等到全球预测结束后再预测飓风。该模型还能够捕捉到龙卷风和大型风暴，这些天气对于此前的全球性模型来说太过细腻，无法进行模拟。林先建说：“我们拥有几分雄心壮志，我们正在努力使其涵盖一切天气状况。”
在GFDL的屏幕上，林先建的副手卢卡斯·哈里斯（Lucas Harris）正在放大俄克拉荷马州，一个嵌套的FV3网格正在重现该州于2013年5月的龙卷风事件。2013年5月，一场严重的龙卷风穿越俄克拉荷马州的穆尔地区，使24人丧生。随着模型的运行，分散的风暴形成一道飑线，然后砧状云形成，来自雷暴单体的龙卷风自上而下触及穆尔地区。接下来，哈里斯变换地点和时间，变换到2012年6月的美国东部地区，当时一场风暴（所谓的“德雷科”）让天气预报人员猝不及防，在某些地区造成停电一周的严重后果。通过该模型提前将近三天的时间就观察到了这场风暴的迹象。哈里斯说：“以前，专家认为对这类事件的预测仅仅能够提前12个小时。”
到目前为止，这些模拟结果留在了实验室，而林先建正在尽力宣传他的成果。在2017年飓风来袭的季节，他的模型将与现有的地方飓风模型一道运行。下个月，林先建将要返回俄克拉荷马州去进行“春季实验”，这是由研究强劲风暴的科学家参与的一次大型研究活动，目的是测试如何利用缩放技术来帮助地方的天气预报员。
所有这种合作、这种依靠外界做贡献的事情都会使林先建感到紧张。他的模型就要走出实验室了，要到变化无常的真实世界中。从未来一周的龙卷风到未来10年的气温上升，该模型能否成为所有天气和气候预测的坚实基础呢？林先建说：“对此，我感到谨慎乐观，但不会过于乐观。”
第二天早晨出现了好兆头：降雪覆盖了普林斯顿，景观很美丽，而且积雪也不难处理――将近6英寸厚，而不是一英尺或更厚。林先建禁不住对那天的天气做了最终的评论，他写道：“降雪不像他们预报的那么大。”
资料来源Science
责任编辑 岳 峰