| 讓氣象氣候拉起手來 |
| 計算機建模專家打造領先天氣預報模型 |
這場雪並不像預測的那樣糟。
Shian-Jiann Lin的項目將驅動短期天氣預報和長期氣候模擬。圖片來源：JEFF FUSCO
會議桌下傳來手機提示的聲音。新的天氣預報來了，氣候學家掏出手機查看：明天有雪——這對於2月初的美國新澤西州普林斯頓來說沒什麼不尋常。但天氣模型預報暴風雪將很嚴重，積雪會達到1英尺或者更多。這很有可能是個大雪天。
在地球物理流體動力學實驗室（GFDL）辦公桌的另一邊，Shian-Jiann（S. J.）Lin對此並不相信。他是用兩萬行計算機代碼將大氣分到盒子中，從而精確解析描述全球空氣漩渦方程的大師。數十年來，Lin的項目一直驅動很多氣候模型的長期模擬，包括GFDL的模擬——美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）皇冠上的一顆明珠。
現在，Lin的範圍正在擴展到NOAA的另一面：國家天氣服務（NWS）短期天氣預報。到2018年，Lin的項目將會驅動氣候和天氣預報的聯合系統，這個系統將會預測未來的狀況或是從現在開始1個世紀的狀況，並比當前模型更快、更好地做到這一點。他的工作很快將不僅指導市長們為掃雪機做計劃，而且還包括正在升高的海平面。
Lin起步很早。他的小團隊已經在自己的超級計算機上運行一個原型預測。在他一貫的自信和急性子風格中，他做了對第二天暴風雪的簡短報告。
「如果我們的預測是正確的，那麼雪將會是7.6至15.2釐米。」Lin宣布。位於辦公桌旁的其他同事似乎存在質疑。「到時候會亂作一團。」有人警告。但Lin沒有讓步。他很少需要這樣做。「明天我們再看究竟會如何。」他說，「你們想打賭嗎？」
天氣和氣候「不分家」
很多都取決於Lin。最近，美國國家氣象局（NWS）遭遇了一些明顯的尷尬，比如在2012年，它預測颶風桑迪會在海洋上空停止，而一家歐洲中心則準確預測它會直接襲擊紐約市。受夠了美國「第二」的身份，該國國會在2013年傾注4800萬美元到NWS天氣預報模型中。這對於NOAA的信息很明確：讓美國到前面來。
這一驅動打開了新的機遇。在很長時間，氣象學家和氣候學家都在各自的單獨領域展開工作。氣象學家集中在速度方面：從衛星、氣球以及浮標上獲得儘可能多的信息，並迅速將其用於預報。而氣候學家則聚焦模型的挑剔物理學，以生成數十年的氣候模擬。但是現在，兩個隊伍正在從「亞季節到季節」預測（從一個月到兩年）中發現一些共同點。
為了推動天氣預報超過10天左右，氣象學家需要優秀物理氣候模型。同時，氣候學家想要知道天氣現象是否會在月度或年度的時間層面發生，比如影響全球氣候的厄爾尼諾。「這兩個文化正在講述對方的語言，認識到它們將會同生共死。」加州蒙特利海軍研究實驗室大氣科學家John Michalake說。
Lin在建模中從不對此做區分。「從一開始，我們就在談論天氣和氣候如何不分家。」安阿伯市密西根大學大氣科學家、Lin的長期合作者Ricky Rood說。但還有其他人不想聽到這些消息，特別是聽到Lin說這些話，作為一名政府部門的員工，他活躍而易怒。「這有些讓我吃驚。」Rood說，「S. J.會成為統一的來源。」
下一代天氣預報系統
Lin的一生中可謂都充滿了風暴。在他出生長大的中國臺灣省臺北市，颱風極為普遍，他總對颱風的力量著迷。「我的血液中有著暴風雨。」他說。在美國大學畢業後，Lin決定留在當地。當時計算機尚不能模擬小尺度的氣候事件。Lin很快在美國宇航局（NASA）找到了問題的癥結。
上世紀80年代，Rood在NASA戈達德太空飛行中心研究南極臭氧層空洞的問題。NASA在派遣科研飛機飛入颶風中心監測可能在破壞它的化學物質。這些飛行表明若干種壽命極短的活性氧化氮在下降，這讓來自人類的化學物質形成的氯徘徊不前，進一步形成反應破壞臭氧層。但Rood的大氣模型不能模擬其中的流動反應。無論他做什麼，氮反應物都保持穩定。
當Lin在1992年加入NASA之後，兩人開始一起建立保存質量的模型。經過上世紀90年代喧囂的幾年之後，他和Rood擴展了他們的模型，使其超越化學物質輸送成為充分成長的動力核心，很快便被用於氣候模型。這個代碼的名字一點也不平凡。他們稱其為「FV」，隨後發展為FV3。
他們的工作很快吸引了科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心（NCAR）的注意，這是美國天氣和氣候科學的領先機構之一，該機構將FV引入其具有影響力的氣候模型。NASA在紐約的氣候實驗室也採用了它。在2003年，GFDL將Lin聘走並升級FV，並將其用於全球模擬。這些模型的結果（美國對聯合國氣候變化小組的重要貢獻之一）已經形成了很多公眾所聽到的氣候變暖的結果。而它們的核心都是Lin的創新。
2014年，當NOAA宣布了一項競爭，以選擇該機構的下一代天氣預報系統「核心」時，Lin已經做好了準備。有5個模型參選，其中包括FV3。最終經過嚴酷的競爭和考核，FV3在2016年7月成為贏家。在競爭過程中，Lin曾指責NOAA偏向跨尺度預測模型（MPAS），這是由NCAR開發的並被很多研究人員使用的一個長期預測系統的全球版本。不過，最終他奪得了桂冠。
PK英國同行
現在，Lin面臨更大的對手：英國氣象局，從上世紀90年代開始，該機構就是將天氣和氣候預測視為一體的唯一中心；還有歐洲中期預報中心，該機構一直運行著一流的天氣模型。
歐洲建模者像其他人一樣，從同樣的氣球、衛星和地面監測設施開始。但他們聰明地將隨機性融入這些最初條件中，之後進行多次運行以產生「共識性」預測。讓美國接受這些標準將需要贏得美國研究人員的支持，使其提供Lin和同事能夠應用其模型的創新技術。
西雅圖華盛頓大學大氣科學家Cliff Mass說，現實中卻存在學術界天氣科學家不願意使用FV3，轉而去使用MPAS的風險，他們對其來源和記錄反倒更加適應。過去，Lin不願意分解其代碼的做法也加劇了這種擔心。「Lin是一名非常優秀的建模專家。」Mass說，「然而在學界支持方面他並不佔優勢。」但NASA戈達德太空飛行中心氣象學家、Lin的長期合作夥伴Bill Putman則相信Lin會支持改進。「如果他看得到這些事情能夠讓這個代碼走出當前的情形，我敢肯定他會願意改變。」
在近日舉行的一次研討會上，NWS拿出了啟動FV3的挑戰性時刻表。今年5月，FV3將被連接到該服務的數據同化。到2018年上半年，如果一切順利，NOAA將會觸動開關，使其成為發送到人們手機上的標準預報。
同時，Lin的團隊仍在繼續改進FV3。該模型可提前3天觀測到暴風雨的跡象。「在此之前，我們認為只有12小時可以預測相關事件。」Lin的副手Lucas Harris說。
到目前為止，這些結果尚處於實驗室中，Lin正在儘可能地傳播福音。但它能否成為從今日的龍捲風到未來10年的溫度上升的所有天氣和氣候預測的根基呢？「我對此持審慎樂觀態度，而並非過度樂觀。」他說。
次日早晨有一個好兆頭。大雪讓普林斯頓銀裝素裹，非常漂亮。大雪約15.2釐米厚，沒有達到1英尺（30.48釐米）。GFDL可以一直開門。對著天空，Lin情不自禁地對此做出最後的評論。「這場雪並不像預測的那樣糟。」
（晉楠編譯）
《中國科學報》 (2017-04-25 第3版 國際)
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