馮·諾依曼與計算天氣之夢

2020-12-06 中國氣象局

　　賈朋群 張萌

　　1946年8月29日至30日，在美國新澤西州的普林斯頓大學高級研究院，召開了一次對現代氣象學發展具有歷史意義的重要會議，這次被認為是世界上第一次數值天氣預報學術會議的組織者和主持人，不是著名氣象學家，而是普林斯頓大學高級研究院數據教授馮·諾依曼。當然，也就是為人們所熟知的那位現代電子計算機創始人之一。

馮·諾依曼與第一臺電子計算機ENIAC

　　為什麼馮·諾依曼會與數值天氣預報結緣呢？事情還要從氣象學家的「計算天氣之夢」說起。

　　早在20世紀初期，英國科學家理查森就進行了數值天氣預報的嘗試。1922年，他在《天氣預報的數值方法》一書中，論述了數值預報的原理和可能性，並且應用完全的原始方程組，對歐洲地區的地面氣壓場進行了6小時預報。但其結果很不理想：他預報該地區的氣壓在6小時中的變化為154百帕，而實際氣壓幾乎沒有變化。他的失敗曾使人們一度懷疑數值天氣預報的實際可能性。而且，在數值天氣預報的過程中，分析天氣圖、讀取數據乃至計算均由人工完成，需要耗費漫長的時間與巨大的精力。第一臺電子計算機ENIAC的誕生，為解決這一問題提供了新的可能。

　　1944年，馮·諾依曼來到賓夕法尼亞大學摩爾工程學院，正式成為ENIAC研製項目的顧問。1945年末，他成功說服了高級研究院主任和理事會，撥款10萬美元支持ENIAC項目。馮·諾依曼大約在1945年末或更晚些時候，注意到了氣象領域。他很快就意識到，數值天氣預報是計算機在數學應用領域面臨的最重要的挑戰之一。

　　1946年5月，他向美國軍方提出建議，在ENIAC項目內成立氣象組。同樣期待著更為準確的天氣預報的美國軍方非常明智和快速地支持了馮·諾依曼的建議，從1946年開始支持和ENIAC項目捆綁的數值天氣預報計劃。

　　於是，一批美國當時最有思想的氣象學家，通過文章開頭敘述的那次有重要歷史意義的會議走到了一起，並取得了不僅在氣象科學領域，而且在應用數學和自然科學領域都具有劃時代意義的成果。

　　在這次會議後的幾年裡，馮·諾依曼身邊總是聚集著一支來自美國乃至世界各地最優秀的氣象學家和電子工程師隊伍，他們的目標是用剛剛誕生的電子計算機做出準確的天氣預報。這個目標在1950年4月初實現。在以1949年1月31日觀測記錄為初值，進行歐洲地區24小時數值預報的試驗中，數值預報首獲成功，計算機輸出的結果對歐洲西部的風向轉換和反映大氣斜壓特徵的低槽延伸現象都正確地進行了預報。

　　1946年，羅斯貝（美國氣象學家，芝加哥氣象學派創始人）更加深刻地意識到了馮·諾依曼氣象項目的意義。他認為，馮·諾依曼帶來的數值實驗方法，一方面能讓科學家避免在似乎完美的數學定律面前，面對實際問題無計可施；另外，也能從數值實驗中，審視用微分方程或方程組表示的所謂自然規律是否真的很完美，揭示其可能存在的不足。馮·諾依曼的這一思想，被稱為「啟發式計算」，它從20世紀60年代開始，被更多的氣象學者認識到，並逐漸成為氣象學科最先構築的標準方法。數值模式也從單一的天氣預報進化到具備更多和更加豐富的職能。可以說數值模式的研製和應用，改變了氣象學科的面貌，數值實驗的開展，使得理論得以拓展，而更加合理和準確的理論或計算方案，又在不斷改進著數值天氣預報。

　　組織和實施數值天氣預報僅僅是馮·諾依曼一生學術成就的很小一部分，甚至只是一段插曲而已。然而，正是由於這項工作，馮·諾依曼和一組優秀的氣象學家一起改變了天氣預報的歷史。他在這項研究中提出並解決了電腦程式編制問題，即讓快速運轉的計算機自己讀懂用接近計算公式的「高級語言」編寫的計算指令。馮·諾依曼以數值天氣預報為突破口，對非線性方程的離散化及計算穩定性這一重要的數學應用問題，形成了一套理論和解決方案，其應用價值和受益領域遠遠不局限於氣象領域。

　　在電子計算機研製階段，就著手思考其應用價值並成功地與氣象結合起來，是馮·諾依曼這位「全能型」科學家最難得的思想，這使得「單打獨鬥」的「計算天氣之夢」，變為受到美國軍方支持、科學界和輿論關注的事件，也讓一直在美國軍方操控下的ENIAC為數值天氣預報成功做出了貢獻。

　　1946年12月，在芝加哥大學召開的一次氣象學術年會上，對數值天氣預報的結論是「目前構建數值預報系統的時機還不成熟」，美國氣象學會主席也認為「完全基於正確的物理定律的客觀預報方法目前還遙不可及」，美國國家氣象局也對年輕氣象學者埃利奧特提交的《計算的天氣預報》沒有任何表示。然而，這些氣象界「大腕」和當局的所謂主流觀點，卻在馮·諾依曼項目取得成功，並從9年之後的1955年開始，陸續成為各國天氣預報主要手段的事實面前不攻自破。

　　（來源：中國氣象報 責任編輯：葉海英）

相關焦點

  • 約翰·馮·諾依曼
    約翰·馮·諾依曼馮·諾依曼（John von Neumann，1903年12月28日 - 1957年
  • 馮·諾依曼與計算機的發展
    馮·諾依曼早期以算子理論、共振論、量子理論、集合論等方面的研究聞名，他開創了馮·諾依曼代數。他為研製電子數字計算機提供了基礎性的方案。1944年，馮·諾依曼與摩根斯特恩合著《博弈論與經濟行為》，這部著作是博弈論學科的奠基性書籍。晚年，馮·諾依曼研究自動機理論，著有對人腦和計算機系統進行精確分析的著作《計算機與人腦》。作為二十世紀最偉大的數學家之一，馮·諾依曼被後人稱為「計算機之父」。
  • 數學名人 | 馮·諾依曼
    博弈論之父馮·諾依曼 馮·諾依曼，美籍匈牙利數學家、計算機科學家、物理學家，是20世紀最重要的數學家之一。馮·諾依曼是布達佩斯大學數學博士，在現代計算機、博弈論、核武器和生化武器等領域內的科學全才之一，被後人稱為「計算機之父」、「博弈論之父」。
  • 《非馮諾依曼網絡計算體系》高端理論專著隆重預發布
    近十餘年，沈寓實博士及其團隊一直積極探索如何突破馮諾依曼瓶頸和傳統網際網路協議局限，將計算、網絡、存儲三大資源融合起來，打造基於非馮諾依曼網絡計算的通用人工智慧體系，解決大算力、低延時、高可靠、異構融合等需求。十年磨一劍，《非馮諾依曼網絡計算體系》厚積薄發，應時而生。
  • 計算機之父——馮·諾依曼和他的體系結構
    其中馮·諾依曼則被稱為計算機之父。 馮·諾依曼 馮·諾依曼是美籍匈牙利人，是著名的數學家，計算機科學家，物理學家。是20世紀最著名的數學家之一。甚至是在核武器和生化武器等領域也有建樹。這篇文章我們主要說馮·諾依曼在計算機領域的貢獻。
  • 馮·諾依曼辭世60周年紀念
    導讀：今天是馮·諾依曼逝世60周年的日子。馮·諾依曼在數學、理論物理和邏輯領域貢獻良多，也影響、改變了許多人，比如圖靈、納什。今天我們熱烈討論的AlphaGo、人工智慧，與馮·諾依曼同樣分不開。馮·諾依曼生於1903年12月28日，逝於1957年2月8日。馮·諾依曼在數學、理論物理和邏輯領域都做出了很多貢獻。
  • 電子計算機背後的奠基者——數學天才馮.諾依曼
    約翰·馮·諾依曼是20世紀的最傑出的科學家之一，同時還是一位出色的數學家和物理學家，是博弈論，核威懾和現代計算等領域的早期開拓者。他的思想在人交互領域都很適用，他在早期就通過大腦計算兩個八位數字的乘積來顯示自己與邏輯機器的親緣關係。儘管他以邏輯學和嚴謹的數學著稱，但馮·諾依曼的天才可以說源自他從小安逸而舒適地成長環境。
  • 性能之殤:從馮·諾依曼瓶頸談起
    本文共分為七個部分：天才馮·諾依曼與馮·諾依曼瓶頸分支預測、流水線與多核 CPU通用電子計算機的胎記：事件驅動Unix 進程模型的局限DPDK、SDN 與大頁內存現代計算機最親密的夥伴：局部性與樂觀分布式計算、超級計算機與神經網絡共同的瓶頸
  • 馮.諾依曼架構在新人工智慧時代的進化
    ）和控制器進行計算，當然ALU也具有輸入輸出裝置。馮·諾依曼架構的特點是非常簡潔，不需要在內存和CPU（中央處理器）之間設置多條總線【1】馮.諾依曼架構新人工智慧時代的AI威脅論和產生的標準智能模型諾依曼架構的進化我們在上文中提到，馮·諾依曼架構有五個構成部分，分別是計算器、邏輯控制裝置、存貯器、輸入系統、輸出系統。
  • 中山大學將打造「馮·諾依曼」實驗班
    信息時報訊（記者 孫小鵬 實習生 鄭植方 通訊員 陳凌）在全球科技競爭的激烈態勢中，我國急需補齊在處理器和工業計算軟體等方面的技術和人才短板。日前記者從中山大學數據科學與計算機學院了解到，針對國家急需的卡脖子關鍵技術人才培養，該院將從2020年開始在計算機類本科專業中設立「馮·諾依曼」實驗班。
  • 科學網—馮·諾依曼之後有馮康
    馮康 ■薩蘇 在談到計算機時代的時候，馮·諾依曼是一個無比光輝的名字。 馮·諾依曼為世界設計出了算數的機器，但是，在計算機今天另一個巨大應用領域——模擬仿真方面，這位天才卻沒有來得及給出前瞻性的指導——1957年，馮·諾依曼去世的時候，用計算機模擬仿真，實現工程技術方面的突破還停留在想像之中。 這個領域的突破，要到上世紀60年代才開始出現。
  • 約翰·馮·諾依曼的早年生活、洛斯阿拉莫斯國家實驗室時期及電子計算機之路
    其核心技術就是對非線性, 不可壓縮流體方程式之求解。馮·諾依曼深刻地了解到單純使用古典數學分析方法不足以應付這項工作, 唯一能夠解決問題的方法便是將其連續力學方程式離散化後並用數值方法求解。要有效率地進行這樣的計算需要的工具有: 高速且可程式化的電子計算機、 大容量的儲存裝置、程式語言、一個微分方程的穩定離散理論、 再加上對各式各樣離散化方程式快速求解的演算法。
  • 烏鎮智庫尼克:紀念馮·諾依曼辭世60周年
    作者：尼克導讀：今天是馮·諾依曼逝世60周年的日子。馮·諾依曼在數學、理論物理和邏輯領域貢獻良多，也影響、改變了許多人，比如圖靈、納什。今天我們熱烈討論的AlphaGo、人工智慧，與馮·諾依曼同樣分不開。馮·諾依曼生於1903年12月28日，逝於1957年2月8日。
  • 今年起,中山大學將打造「馮·諾依曼」實驗班
    南都記者從中山大學數據科學與計算機學院了解到，結合國家重大戰略、面向學科前沿、貼合產業經濟需求，針對國家急需的卡脖子關鍵技術人才培養，學院將從2020年開始在計算機類本科專業中設立「馮·諾依曼」實驗班。該實驗班計劃設置計算機系統結構和超級計算兩個專業方向。
  • 中山大學開設「馮·諾依曼」計算機實驗班—新聞—科學網
    7月10日，記者從中山大學數據科學與計算機學院獲悉，該院針對國家急需的卡脖子關鍵技術人才培養，將從今年開始在計算機類本科專業中設立「馮·諾依曼」實驗班。
  • 從萊布尼茨到馮諾依曼
    香農（1916-2001） 早在1936年，圖靈為算法建立了模型，並寫出劃時代的論文，「論可計算數及其判定問題中的應用」。圖靈在文章中的本意是解決停機問題，解決這個問題首先就要回答什麼是「計算」。那麼所謂「圖靈機」就是這篇文章的副產品！後來馮諾依曼就是根據圖靈機設計出現代計算機的。那麼布爾代數在圖靈機中起到什麼作用呢？最簡單的計算就是對0和1進行布爾運算（與、或、非）。從最簡單的邏輯運算操作二進位信息出發就可以構造出任意的圖靈機！這就是為什麼要去研究香農的基本的布爾電路。
  • 科學網—馮·諾依曼那些鮮為人知的貢獻
    ■胡紹鳴 馮·諾依曼是一位數學家，原籍匈牙利，先後執教於柏林大學和漢堡大學，1930年前往美國，後入美國籍。 1899年，人們把爆轟波處理成化學反應驅動的衝擊波，提出第一個爆轟模型來計算炮彈炸彈土方爆破等工程問題。和同時代的麥克斯韋方程、洛倫茲變換公式等相比，這個模型在科學殿堂裡是不起眼的「灰姑娘」，吸引不了「王子」的目光。局限於當時的化學發展水平，模型假設化學反應速度無限大，並忽略輸運效應即忽略分子運動。這兩個化學缺陷成了「灰姑娘」的一雙赤腳。
  • 【六中學科故事】計算機之父——約翰·馮·諾依曼 John von Neumann
    從20世紀初，物理學和電子學科學家們就在爭論製造可以進行數值計算的機器應該採用什麼樣的結構。人們被十進位這個人類習慣的計數方法所困擾。所以，那時以研製模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀30年代中期，美國科學家馮諾依曼大膽的提出，拋棄十進位，採用二進位作為數字計算機的數制基礎。同時，他還說預先編制計算程序，然後由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執行數值計算工作。
  • IT簡史 約翰·馮·諾依曼 John von Neumann
    1903.12.28 - 1957.2.8馮·諾依曼，著名匈牙利裔美籍數學家,計算機科學家
  • ARM處理器的程序與數據存儲(馮·諾依曼與哈佛結構)
    3、「馮·諾依曼」體系結構和「哈佛」體系結構 說到ARM程序與數據存儲，應該講一下「馮·諾依曼」體系結構和「哈佛」體系結構。因為ARM7系列採用馮·諾依曼體系結構，而ARM9~ARM11採用哈佛體系機構。兩種結構描述如下： 「馮·諾依曼」體系結構 20世紀30年代中期，德國科學家馮諾依曼大膽的提出，拋棄十進位，採用二進位作為數字計算機的數制基礎。