地球系統(tǒng)數(shù)值模擬歷史回顧及未來發(fā)展之機(jī)遇與挑戰(zhàn)?

張紹晴，林 璘，劉才力，楊 光，王兆瑛，費(fèi)云龍，任倩倩，苑詩(shī)敏，倪欣寧，王一帆，劉銀杏，楊浩宇，任國(guó)志，荀 皓，宋睿哲，蔡金卓，楊 帆，劉博文，郭 錦，陳 玥，盧 綠，李江玉，江應(yīng)境，王 雪，王凱迪，王振明，于洋洋，趙浩然，王靜菊，馬有為，任斯敏，雍建林

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深海前沿研究中心 海洋高等研究院，山東 青島 266100；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

計(jì)算流體力學(xué)是一門借助于計(jì)算機(jī)求解流體動(dòng)力學(xué)方程的新興學(xué)科，通過代碼編寫程序進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)演變特征的流體實(shí)驗(yàn)測(cè)試、模擬和預(yù)報(bào)[1-4]。計(jì)算模式建立、計(jì)算理論方法發(fā)展和科學(xué)與工程應(yīng)用是計(jì)算流體力學(xué)三個(gè)主要研究?jī)?nèi)容[5]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算流體力學(xué)隨著計(jì)算能力的提升而迅速發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)形成具有算法高效化、模式精細(xì)化和應(yīng)用領(lǐng)域多元化等鮮明特點(diǎn)的學(xué)科發(fā)展局面。在地球科學(xué)領(lǐng)域，數(shù)值模擬最早出現(xiàn)在大氣科學(xué)，Richardson[6]將有限差分格式引入大氣中的天氣圖分析和相關(guān)數(shù)學(xué)求解研究中，至今，地球流體計(jì)算及數(shù)值預(yù)報(bào)研究已有超過100年的歷史。百年來大氣和海洋的數(shù)值計(jì)算與模擬取得了巨大進(jìn)步，形成了計(jì)算地球流體動(dòng)力學(xué)這一新興交叉學(xué)科[7-9]。目前，建立在中國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的每秒百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，我們已經(jīng)能夠很大程度上實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的“數(shù)值孿生”，從而使得在實(shí)驗(yàn)室里研究任何地球系統(tǒng)中的自然過程成為可能，這又將推動(dòng)地球科學(xué)的理論和技術(shù)更加蓬勃、迅猛的發(fā)展。我們完全可以期望，在不久的將來，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬可以用數(shù)值定量的形式來精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)地球環(huán)境的未來，實(shí)現(xiàn)人類打造宜居地球的夢(mèng)想。

Benjamin等[10]回顧了自1919年開始的人工預(yù)報(bào)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的演化進(jìn)程，并劃分了4個(gè)時(shí)代，從觀測(cè)、理論和數(shù)值預(yù)報(bào)等方面詳細(xì)闡述。沈?qū)W順等[11]闡述了中國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)自主創(chuàng)新的歷史，在計(jì)算格式、模式動(dòng)力框架和四維變分同化等方面都取得了頗具影響的研究成果。此外，前人通過撰寫科學(xué)家的人物傳記，記錄了計(jì)算地球流動(dòng)力學(xué)的發(fā)展進(jìn)程[12-16]。本文結(jié)合最新研究動(dòng)態(tài)對(duì)該學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)性回顧，延用Benjamin等[10]100年展望回顧文章中的時(shí)間劃分方法，將計(jì)算地球流體力學(xué)100年來取得的進(jìn)展劃分為四個(gè)階段：第一階段(1919—1939年)、第二階段(1939—1956年)、第三階段(1956—1985年)和第四階段(1985—2018年)。

1 第一階段(1919—1939年)：起源

19世紀(jì)后期至第二次世界大戰(zhàn)(20世紀(jì)40年代初)是計(jì)算地球流體力學(xué)發(fā)展的萌芽階段。這一時(shí)期，社會(huì)對(duì)于預(yù)報(bào)的需求不斷增加，科技發(fā)展使得觀測(cè)和通信手段都有所改進(jìn)，但是由于世界范圍內(nèi)的計(jì)算技術(shù)、觀測(cè)技術(shù)和氣象科學(xué)等發(fā)展的不成熟，人們所能獲取到的觀測(cè)資料十分有限，只能通過經(jīng)驗(yàn)法則結(jié)合簡(jiǎn)單觀測(cè)資料外推的方式預(yù)報(bào)天氣，預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性也難以保證[7]。

1.1 理論研究進(jìn)展

基于Newton、Maxwell等人在18—19世紀(jì)使用歐拉方程得到的基礎(chǔ)物理成果，流體動(dòng)力學(xué)概念和流體動(dòng)力學(xué)方程在這一階段共同發(fā)展，奠定了現(xiàn)代氣象科學(xué)的基礎(chǔ)。早在1913年，近代氣象學(xué)奠基人之一的Vilhelm Bjerknes就提出了將物理學(xué)的理論方程組應(yīng)用到實(shí)際大氣中，根據(jù)已觀測(cè)到的大氣狀態(tài)計(jì)算未來的大氣狀態(tài)；幾年以后，Lewis Fry Richardson對(duì)這種設(shè)想進(jìn)行了實(shí)踐，不過由于當(dāng)時(shí)計(jì)算工具的落后，這種設(shè)想無疑只是一個(gè)“夢(mèng)想”[17]。雖然關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的初次實(shí)踐以失敗告終，但是Richardson所設(shè)計(jì)的整套數(shù)值方案，盡管依賴于“人工”計(jì)算，但已經(jīng)具有當(dāng)今數(shù)值模式的雛形。

1.2 第一階段代表性人物

氣象數(shù)值模式發(fā)展歷程中的早期代表性人物是Bjerknes家族和Lewis Fry Richardson(見圖1)。

Carl Bjerknes(1825—1903年)畢業(yè)于斯德哥爾摩大學(xué)，是挪威數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家與流體動(dòng)力學(xué)家。子承父業(yè)，Vilhelm Bjerknes(1862—1951年)在1892年取得博士學(xué)位后任教于瑞典斯德哥爾摩大學(xué)，并于1904年提出通過求解一個(gè)非線性偏微分方程組來預(yù)測(cè)天氣的思想，定義了“預(yù)報(bào)是氣象學(xué)的終極問題”[18]，奠定了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和計(jì)算地球流體力學(xué)發(fā)展的總基調(diào)。Jacob Bjerknes(1897—1975年)繼承了祖父和父親的流體動(dòng)力學(xué)研究，在克里斯蒂亞尼亞大學(xué)取得博士學(xué)位后，歷任卑爾根氣象局局長(zhǎng)(1931)、挪威地球物理研究所氣象學(xué)教授(1932)和麻省理工學(xué)院教師(1933—1934年)，并于1940年成為加州大學(xué)洛杉磯分校的氣象學(xué)教授，主攻大氣環(huán)流研究；其1952年利用高空火箭拍攝的照片進(jìn)行的天氣分析和預(yù)報(bào)，屬于最早利用太空技術(shù)進(jìn)行的氣象研究工作。Lewis Fry Richardson(1881—1953年)是英國(guó)著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，現(xiàn)代氣象學(xué)的奠基人之一。他首先發(fā)展了有限差分法，提出用數(shù)學(xué)物理方法求解天氣預(yù)報(bào)問題并進(jìn)行了早期的嘗試[17]，于1922年出版了《利用數(shù)值方法的天氣預(yù)報(bào)》。書中詳細(xì)敘述了進(jìn)行預(yù)報(bào)所需要的動(dòng)力學(xué)模型、數(shù)學(xué)過程及計(jì)算實(shí)例。圖1為Richardson構(gòu)想的“預(yù)報(bào)工廠”[16，19]。該設(shè)想為此后氣象領(lǐng)域的數(shù)值研究方法提供了啟發(fā)性思路，成為后來數(shù)值天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的重要引索。

學(xué)科的起源總是基于生存需求的樸實(shí)思考。在第一階段，社會(huì)對(duì)預(yù)報(bào)需求的增加及工業(yè)革命等歷史事件推動(dòng)了該階段的理論和觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。Bjerknes等人基于18世紀(jì)的基礎(chǔ)物理成果豐富了流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，卑爾根等氣象學(xué)派的建立推動(dòng)了國(guó)際氣象學(xué)者間的交流與學(xué)習(xí)。囿于較為落后的算力條件與觀測(cè)技術(shù)，盡管以Richardson為首的科學(xué)家們所做出的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)嘗試都以失敗告終，但是為此后計(jì)算地球流體力學(xué)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與構(gòu)想。在該階段，憑借此前的基礎(chǔ)物理“養(yǎng)分”，計(jì)算地球流體力學(xué)開始生根發(fā)芽。

2 第二階段(1939—1956年)：雛形

第二階段見證了技術(shù)進(jìn)步和飛躍對(duì)氣象學(xué)，尤其是預(yù)報(bào)技術(shù)產(chǎn)生的重大影響。第二次世界大戰(zhàn)，以及之后的“冷戰(zhàn)”都和這一階段取得的科技進(jìn)步息息相關(guān)。在第二階段初期，天氣預(yù)報(bào)很大程度上受到20年前卑爾根氣象學(xué)院基礎(chǔ)工作的影響。

2.1 發(fā)展的時(shí)代背景

第二次世界大戰(zhàn)中，有效利用空軍力量是戰(zhàn)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵，因此第二次世界大戰(zhàn)“風(fēng)暴前期”，人們?cè)俅握J(rèn)識(shí)到提高天氣預(yù)報(bào)精度的重要性。當(dāng)時(shí)，電子計(jì)算機(jī)還不存在，自動(dòng)畫圖軟件也不存在，所以只能用紙筆來記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，用鉛筆和橡皮來分析；再加上描圖紙和一張發(fā)光的桌子，就是用來完成預(yù)報(bào)任務(wù)的全部工具了。那時(shí)典型的工作場(chǎng)景在圖2中展示。由于受到當(dāng)時(shí)預(yù)報(bào)環(huán)境限制，很多復(fù)雜的天氣分析程序不得不簡(jiǎn)化[20-22]。

2.2 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的嘗試

John von Neumann是著名數(shù)學(xué)家，也是第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)師。他認(rèn)識(shí)到，流體運(yùn)動(dòng)中的非線性傳輸需要強(qiáng)大的計(jì)算能力來估算，因此，1947年他在普林斯頓大學(xué)高等研究所(Institute for Advanced Study)組建了一個(gè)由Charney領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家小組。到1950年初，計(jì)算過程的細(xì)節(jié)已經(jīng)解決，在馬里蘭州阿伯丁試驗(yàn)場(chǎng)的電子數(shù)字積分器和計(jì)算機(jī)(ENIAC)在一個(gè)月內(nèi)成功地進(jìn)行了4次24小時(shí)預(yù)報(bào)，結(jié)果出人意料的準(zhǔn)確。這項(xiàng)工作指出了渦度非線性平流的重要性，在另一篇具有里程碑意義的論文[23]中有所描述。

普林斯頓小組的工作引起了關(guān)注，到了20世紀(jì)50年代初，人們普遍認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)生成的預(yù)報(bào)是以刻畫地球流體力學(xué)的控制方程為基礎(chǔ)的。氣象小組利用一個(gè)三層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式，測(cè)試了1950年11月美國(guó)東海岸強(qiáng)風(fēng)暴[24]和其他氣旋。這些嘗試并沒有全部取得成功，但引發(fā)了科學(xué)家們的思考，他們認(rèn)為使用更加準(zhǔn)確的原始方程進(jìn)行預(yù)報(bào)可能會(huì)得到更好的結(jié)果。

2.3 第二階段代表性人物

瑞典裔美國(guó)著名氣象學(xué)家Carl Gustaf Rossby(1898—1957年)在20歲那年取得了斯德哥爾摩大學(xué)數(shù)學(xué)、天文學(xué)、力學(xué)學(xué)士學(xué)位。碩士畢業(yè)后Rossby來到美國(guó)，在美國(guó)氣象局短暫工作后，被美國(guó)航空基金會(huì)聘用，開創(chuàng)了美國(guó)第一條民航航線的氣象服務(wù)系統(tǒng)，名顯美國(guó)氣象學(xué)界。1946年8月Rossby同Neumann在普林斯頓大學(xué)召開了第一次討論數(shù)值預(yù)報(bào)的會(huì)議，此次會(huì)議的召開推動(dòng)了以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬由理論到現(xiàn)實(shí)的飛躍；1950年Rossby回到瑞典，和斯德哥爾摩大學(xué)聯(lián)合成立氣象研究所。

Joseph Smagorinsky(1924—2005年)是美國(guó)著名氣象學(xué)家、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)和地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Geography Fluid Dynamical Laboratory)的創(chuàng)始主任，是結(jié)合計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)模型對(duì)全球氣候演變趨勢(shì)進(jìn)行擴(kuò)展預(yù)測(cè)的先驅(qū)(詳見4.1)。Smagorinsky受邀來到普林斯頓高等研究院，使用電子數(shù)值積分器和電子計(jì)算機(jī)ENIAC對(duì)方程進(jìn)行求解，之后檢驗(yàn)了對(duì)流層中部大尺度運(yùn)動(dòng)的可預(yù)報(bào)性，證明了利用數(shù)值過程進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)具有良好的應(yīng)用前景。Smagorinsky是最早嘗試?yán)脭?shù)值天氣預(yù)報(bào)新方法，將預(yù)報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)到1～2 d的研究人員之一。他在1963年發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文[25]，介紹了他使用大氣動(dòng)力學(xué)原始方程來模擬大氣環(huán)流的研究，從根本上改變了表征氣候和大氣物理過程發(fā)展的建模方法。Smago-rinsky擴(kuò)展了早期的天氣模式，將諸如風(fēng)、云量、降水、氣壓和輻射等變量包括在內(nèi)。后來，他與同事Lilly、Deardorff共同開發(fā)了大渦模擬，這是第一個(gè)在數(shù)值模式中解釋大氣湍流的實(shí)用技術(shù)。

總之，第二階段在理論認(rèn)知上有較大提升。由于第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，對(duì)天氣預(yù)報(bào)提出了更急迫和更高的需求。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生，并且認(rèn)識(shí)到流體運(yùn)動(dòng)中的非線性傳輸需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，并且在此階段，在ENIAC計(jì)算機(jī)進(jìn)行了4次24小時(shí)預(yù)報(bào)，結(jié)果出人意料的準(zhǔn)確。但此階段進(jìn)行的其它數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果差強(qiáng)人意，因此，引發(fā)了科學(xué)家意識(shí)到使用更加準(zhǔn)確的原始方程可能會(huì)取得更好的結(jié)果的思考和探索。

3 第三階段(1956—1985年)：數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的形成與發(fā)展

3.1 形成與發(fā)展的歷程

20世紀(jì)50年代初數(shù)值天氣預(yù)報(bào)興起，在天氣預(yù)報(bào)員經(jīng)過對(duì)科學(xué)和技術(shù)的快速適應(yīng)過程后，天氣預(yù)報(bào)逐漸走向成熟。在第三階段出現(xiàn)了第一個(gè)天氣預(yù)報(bào)模式，用于模擬斜壓波的發(fā)展，并改進(jìn)溫帶氣旋預(yù)測(cè)。第一次實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)于1954年底在瑞典率先產(chǎn)生。此后1955年初美國(guó)新的聯(lián)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)小組也獨(dú)立進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，但直到1958年，美國(guó)才向天氣預(yù)報(bào)員提供基于數(shù)值預(yù)報(bào)的天氣圖。早期的預(yù)報(bào)模式受到計(jì)算機(jī)能力的限制，開發(fā)人員必須綜合考慮分辨率(水平方向和垂直方向，及其相應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng))、預(yù)測(cè)持續(xù)時(shí)間、區(qū)域大小等。隨著計(jì)算機(jī)能力的提高，分辨率、時(shí)間步長(zhǎng)等都更加精細(xì)，提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

1956年，在法蘭克福舉行的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)國(guó)際研討會(huì)上，來自美國(guó)、日本和11個(gè)歐洲國(guó)家的50多名與會(huì)者展示了開發(fā)的天氣預(yù)報(bào)模式。美國(guó)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)和比利時(shí)正在發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)方法。1960年，在東京舉行的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研討會(huì)與會(huì)人數(shù)擴(kuò)展到了131名。同年，日本氣象廳(Japan Meteorological Agency)進(jìn)行了首次實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)運(yùn)行，這是第三個(gè)采用單層正壓模式的國(guó)家[26]。其他國(guó)家開始利用原始方程(Primitive Equation)來進(jìn)行模式預(yù)報(bào)。1966年，德國(guó)氣象局(Deutscher Wetterdienst，DWD)推出了一種用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的模式，同年美國(guó)氣象局推出了6層原始方程模式。日本氣象廳于1975年引進(jìn)北半球原始方程、推出4層原始方程模式，水平分辨率為381 km。引入了非絕熱過程，尤其是深對(duì)流驅(qū)動(dòng)的非絕熱過程，但也導(dǎo)致了虛假的“網(wǎng)格點(diǎn)風(fēng)暴”問題[27]。1972年，英國(guó)氣象局推出了10層原始方程模式[28]。

多層數(shù)值預(yù)報(bào)模式開始通過對(duì)次網(wǎng)格尺度過程的參數(shù)化來改進(jìn)模擬能力，包括水蒸氣及其相位變化、對(duì)流、輻射、湍流以及地球表面的熱、濕和動(dòng)量交換，并結(jié)合各種成分來描述非絕熱和黏性效應(yīng)。Richardson[6]很早就認(rèn)識(shí)到，成功的天氣預(yù)報(bào)必須包括更多的動(dòng)力過程。20世紀(jì)70年代，隨著全球模式的引入，業(yè)務(wù)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取得了飛躍性進(jìn)展，第一次飛躍是1972年美國(guó)將6層原始方程模式擴(kuò)展為9層2.58°經(jīng)緯度版本[29]。歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)在1979年推出了一個(gè)類似的模式，水平分辨率為1.875 8°，有15個(gè)垂向分層，是第一個(gè)業(yè)務(wù)化模式。利用高效的傅立葉變換，Robert(1969年)開發(fā)了譜模式。半球譜模式于1976年在加拿大和澳大利亞投入使用。區(qū)域模式可以更高分辨率地反映大氣過程。Phillips[30]測(cè)試了一個(gè)模式，即美國(guó)嵌套網(wǎng)格模式(NGM)并于1985年正式啟用。在第三階段所有的模式都采用了靜力近似假定。

3.2 第三階段代表性人物

John von Neumann是美籍匈牙利數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、物理學(xué)家，被后人稱為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”。1933年，擔(dān)任普林斯頓大學(xué)教授的 Neumann將自己的研究領(lǐng)域逐漸從純數(shù)學(xué)向應(yīng)用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，開始準(zhǔn)備研制計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。1944年，Neumann來到賓夕法尼亞大學(xué)摩爾工程學(xué)院，正式成為美國(guó)第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)(ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī))研制項(xiàng)目的顧問。1945年末，他成功地說服了普林斯頓高等研究院高層全力支持ENIAC項(xiàng)目，并且意識(shí)到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是計(jì)算機(jī)在數(shù)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。1946年8月，Neumann在高等研究院組織并主持了第二個(gè)對(duì)計(jì)算流體力學(xué)具有歷史意義的會(huì)議。這次會(huì)議集結(jié)了一批美國(guó)當(dāng)時(shí)最有思想的氣象學(xué)家，目的是使用ENIAC做出準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。Jule Gregory Charney提出了用于描述大氣運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化方程組和濾波方法，從而與項(xiàng)目組建立了更加緊密的聯(lián)系。后來Charney加入該項(xiàng)目的氣象小組，參考1922年Richardson的工作，確定采用Jacob Bjerknes的傾向方程進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)方案。1950年，項(xiàng)目組利用一層正壓濾波模式，通過 Neumann在計(jì)算機(jī)上的編程，成功進(jìn)行了歷史上第一次24小時(shí)天氣預(yù)報(bào)[14]。

解決了預(yù)報(bào)方案難題的Charney是20世紀(jì)最偉大的氣象學(xué)家，他對(duì)氣象學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)和物理海洋學(xué)的貢獻(xiàn)是難以估量的。Charney高中畢業(yè)時(shí)已經(jīng)熟讀了大部分關(guān)于微積分的書籍，之后進(jìn)入加州大學(xué)洛杉磯分校學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)[13]。1947年春，Charney來到了奧斯陸氣象研究院，研究如何從基礎(chǔ)流體動(dòng)力學(xué)方程中發(fā)展出一套可解的方程組。Charney返回美國(guó)后，擔(dān)任 Neumann團(tuán)隊(duì)中氣象小組的負(fù)責(zé)人，并著手解決一系列關(guān)鍵的技術(shù)問題。1952年春，Charney和他的團(tuán)隊(duì)首次對(duì)1950年感恩節(jié)期間的溫帶氣旋進(jìn)行了事后模擬，該氣旋在中大西洋地區(qū)造成了大量雨雪，但在當(dāng)時(shí)未能得到成功預(yù)報(bào)。在嘗試了兩個(gè)模式卻完全沒有模擬出低壓系統(tǒng)的爆發(fā)性增強(qiáng)后，第三個(gè)模式——個(gè)簡(jiǎn)單的2層正壓模式成功了。盡管得到的低壓中心遠(yuǎn)在實(shí)際中心的400 km以外，但是這個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果依然能夠幫助預(yù)報(bào)員模擬出影響東海岸的雨雪天氣[31]。這次預(yù)報(bào)結(jié)果比實(shí)際天氣遲到了18個(gè)月，卻是數(shù)值預(yù)報(bào)歷史上的巨大成功。之后在Charney的幫助下，美國(guó)氣象局、空軍和海軍于1954年在馬里蘭州蘇特蘭建立了一個(gè)聯(lián)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)小組，用于大規(guī)模大氣流動(dòng)模式的日常運(yùn)行和天氣的日常預(yù)報(bào)。美國(guó)氣象局很快又成立了一個(gè)專門面向研究的小組，由Charney領(lǐng)導(dǎo)，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行基本的大氣和海洋研究，極大地推進(jìn)了計(jì)算地球流體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。

中國(guó)的數(shù)值模擬研究和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展離不開顧震潮、巢紀(jì)平和廖洞賢等老一輩氣象學(xué)家的不懈努力。顧震潮(1920—1976年)是中國(guó)現(xiàn)代大氣科學(xué)的主要開拓者之一，他獨(dú)創(chuàng)性地提出了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可以是一個(gè)“演化”問題，而不必是一個(gè)初值問題，并指導(dǎo)廖洞賢于1956年發(fā)表了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的數(shù)值預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。顧震潮又帶領(lǐng)巢紀(jì)平等在1957年成功地用2層準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式，完成了亞洲區(qū)域的24小時(shí)和48小時(shí)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)。巢紀(jì)平是中國(guó)科學(xué)院院士，長(zhǎng)期從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、中小尺度大氣動(dòng)力學(xué)、積云動(dòng)力學(xué)和熱帶大氣動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的研究并取得了重要成果。廖洞賢是中國(guó)早期從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)者之一，他在1955年首次用圖解法，對(duì)2層模式進(jìn)行500 hPa形勢(shì)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)求解，預(yù)報(bào)出導(dǎo)致大規(guī)模寒潮的天氣形勢(shì)的演變特征，這是我國(guó)第一張數(shù)值天氣預(yù)報(bào)圖，從此我國(guó)有了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)[32]。之后他發(fā)表了有關(guān)動(dòng)力氣象、數(shù)值預(yù)報(bào)和天氣學(xué)的論文60余篇，在模式設(shè)計(jì)、計(jì)算方法等方面都有深入研究。

總結(jié)起來，該階段以幾個(gè)主要事件的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為主線。1954年，在瑞典誕生了第一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)；1955年初，美國(guó)新的聯(lián)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)小組產(chǎn)生；1956年，在法蘭克福舉行的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)國(guó)際研討會(huì)上，來自美國(guó)、日本和11個(gè)歐洲國(guó)家的50多名與會(huì)者展示了開發(fā)的天氣預(yù)報(bào)模式；其時(shí)，美國(guó)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)和比利時(shí)正在發(fā)展原始方程模式的數(shù)值預(yù)報(bào)方法。1960年，在東京舉行了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研討會(huì)。同年，日本氣象廳進(jìn)行了首次實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)運(yùn)行。20世紀(jì)70年代，隨著全球模式的引入，業(yè)務(wù)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取得了飛躍性進(jìn)展，第一次飛躍是1972年美國(guó)將6層原始方程模式擴(kuò)展為9層2.58°經(jīng)緯度版本。歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)在1979年推出第一個(gè)業(yè)務(wù)化模式。同時(shí)，中國(guó)也形成了自己的初期大氣海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化系統(tǒng)。

4 第四階段(1985—2018年)：從大氣海洋數(shù)值模擬到地球系統(tǒng)模式及氣候變化

4.1 大氣模式及海氣耦合模式的發(fā)展

近幾十年來，數(shù)值方法幾乎主導(dǎo)了大氣與海洋的預(yù)報(bào)進(jìn)程，是計(jì)算流體力學(xué)向自動(dòng)化、智能化與現(xiàn)代化快速邁進(jìn)的一個(gè)階段。20世紀(jì)90年代后，對(duì)氣象衛(wèi)星的投入不斷提高，新型探空數(shù)據(jù)的引進(jìn)，以及更加有效的區(qū)域模式的出現(xiàn)，使得數(shù)值模式的發(fā)展邁向了新的臺(tái)階；傳統(tǒng)的人工制作預(yù)報(bào)圖在這個(gè)階段正式走向終結(jié)，取而代之的是基于計(jì)算機(jī)的氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)自動(dòng)化系統(tǒng)(如美國(guó)的AFOS工作站)，預(yù)報(bào)員的職責(zé)也由訂正預(yù)報(bào)結(jié)果轉(zhuǎn)為決策和與非氣象人員進(jìn)行交流；觀測(cè)手段的提高與預(yù)報(bào)方法的發(fā)展有效解決了此前棘手的極端天氣預(yù)報(bào)等問題，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性得到了實(shí)質(zhì)性提高[10]。

在這個(gè)階段，世界范圍內(nèi)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和計(jì)算地球流體力學(xué)獲得迅猛發(fā)展，以致各國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)中心如雨后春筍出現(xiàn)，并取得豐碩成果。如美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)通過地面、探空等多種觀測(cè)手段與衛(wèi)星觀測(cè)資料的積累，制作并發(fā)布了質(zhì)量?jī)?yōu)良的再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)(https://ncar.ucar.edu/who-we-are/history)，對(duì)其他再分析系統(tǒng)開發(fā)機(jī)構(gòu)提供了參照的范本，在世界范圍內(nèi)具有深遠(yuǎn)的影響力；歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)通過建立以譜模式為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)，開發(fā)了一套完備的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，提供了覆蓋天氣、氣候不同尺度的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)與再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品(https://www.ecmwf.int/en/about/what-we-do)，為政府公共決策提供科學(xué)依據(jù)、為科研機(jī)構(gòu)提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支撐。另外的一個(gè)典型代表是現(xiàn)位于美國(guó)普林斯頓大學(xué)校園的地球流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)。1953年，Smagorinsky在跟隨Neumann和Charney完成學(xué)業(yè)后，Smagorinsky接受了美國(guó)氣象局的職位，成為了聯(lián)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)單元的先驅(qū)者之一；1955年，在Neumann的鼓動(dòng)下，美國(guó)氣象局在其指導(dǎo)下成立了環(huán)流研究部，從此開始了利用計(jì)算機(jī)使用數(shù)學(xué)模式研究氣候演變的生涯。Joseph認(rèn)為他的任務(wù)是繼續(xù)Neumann和Charney計(jì)算機(jī)建模程序的最后一步：建立一個(gè)三維的、全球的、原始方程的大氣環(huán)流模式。GFDL的發(fā)展歷史及部分成果如表1所示，是20世紀(jì)后半葉及本世紀(jì)初計(jì)算地球流體發(fā)展的一個(gè)縮影。

4.2 地球系統(tǒng)科學(xué)的建立與全球氣候變化

地球系統(tǒng)科學(xué)中一個(gè)具有基礎(chǔ)性的研究領(lǐng)域是氣候變化，它和人類生存環(huán)境息息相關(guān)。氣候關(guān)心的時(shí)間尺度從季節(jié)年際到數(shù)世紀(jì)，因此合理模擬地球表面流體在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需要考慮陸面的植被土壤、海冰生消等相關(guān)水熱變化過程，形成如圖3所示“地球系統(tǒng)”耦合模式的基本框架。

表1 GFDL發(fā)展事件表(引自NOAA)[33]Table1 GFDL development event table (from NOAA)[33]

陸面是天氣/氣候/地球系統(tǒng)的重要組成部分,其物理、化學(xué)、生物過程深刻影響著陸地與大氣、陸地與海洋之間的能量和物質(zhì)交換。大氣內(nèi)部存在大尺度的慢變運(yùn)動(dòng)，但其局部表現(xiàn)為天氣過程的快變特征。海面主要受到太陽(yáng)輻射、風(fēng)場(chǎng)和天體引潮力作用，存在潮汐、海浪和風(fēng)、海流等快變運(yùn)動(dòng)，且通過海氣界面與大氣發(fā)生顯著的質(zhì)量及水熱交換；海洋水體通常具有穩(wěn)定層結(jié)——由淺至深，表現(xiàn)為上層低頻、深層超低頻的慢變特征。海冰在高緯和極地作為海氣之間的一個(gè)交換驛站而存在，調(diào)制大氣海洋的輻射效果，且有明顯的季節(jié)變化特征，陸地上的冰蓋變化相對(duì)緩慢。各圈層通過海氣界面、冰氣界面、陸氣界面、陸海交界帶、冰海交界面交換傳遞自身發(fā)展的信號(hào)而耦合在一起，相互作用共同調(diào)制天氣氣候狀態(tài)的演變。準(zhǔn)確描述各組成部分之內(nèi)的物理、化學(xué)、生物過程，計(jì)算各分量之間的物質(zhì)和能量交換,對(duì)提高天氣氣候數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)精度,充分理解全球變化帶來的水安全、糧食安全、生態(tài)環(huán)境惡化等問題的形成機(jī)制,并制定相應(yīng)對(duì)策,具有重要的科學(xué)和社會(huì)意義。

含大氣-陸面-海洋-海冰4個(gè)基本分量的耦合氣候模式是政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)作氣候評(píng)估的基本工具。在IPCC框架下的世界氣候研究計(jì)劃(World Climate Research Programme，WCRP)耦合模擬工作組(Working Group on Coupled Modelling，WGCM)發(fā)起的國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃(Coupled Model Intercomparison Project，CMIP)成為氣候變化關(guān)鍵問題的研究利器。自1995年以來，WGCM已經(jīng)先后開展6次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP1-6)，CMIP1-6提供的模式數(shù)據(jù)支撐了大量的學(xué)術(shù)成果，同時(shí)為IPCC評(píng)估報(bào)告提供了重要依據(jù)[34-39]。

IPCC大致每6年發(fā)布一次評(píng)估報(bào)告，分別在1990、1995、2001、2007和2013年完成，這些報(bào)告已成為國(guó)際社會(huì)認(rèn)識(shí)和了解氣候變化問題的主要科學(xué)依據(jù)(見表2)。

表2 IPCC歷次報(bào)告主題(根據(jù)IPCC官網(wǎng)資料整理[40-41])Table 2 Themes of IPCC reports (organized according to IPCC official website data[40-41])

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，尤其是新型節(jié)能高效超級(jí)計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，越來越高分辨率的數(shù)值模擬是當(dāng)今地球環(huán)境科學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)[42]。作為在CMIP5基礎(chǔ)上新增的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，CMIP6框架下的高分辨率模式比較計(jì)劃(High Res MIP)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)顯著提高了大氣和海洋模式的時(shí)空分辨率，大氣模式最高分辨率可以提高到25 km，而海洋模式最高分辨率可以提高到10 km[42]。

臺(tái)風(fēng)以及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)對(duì)于人民生產(chǎn)生活具有重要意義，但是在科學(xué)上卻是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。模式的表現(xiàn)力提升遠(yuǎn)不僅僅表現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)問題上，高分辨率模擬可以顯著提高全球平均溫度變化，海表面溫度和混合層深度的季節(jié)變化，極端天氣，以及極端天氣和大氣之間的關(guān)系等。因此，計(jì)算資源的不斷發(fā)展，模式分辨率提高，物理過程更具現(xiàn)實(shí)代表性是未來模式發(fā)展的大趨勢(shì)。隨著分辨率增加，可以更加精準(zhǔn)地刻畫臺(tái)風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展、中尺度渦旋的生成和移動(dòng)、黑潮流軸的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度以及中小尺度渦旋的相互作用等[43-44]，因此臺(tái)風(fēng)的可預(yù)報(bào)性顯著升高。圖4顯示了1950—2018年間高分辨率和低分辨率模擬的全球熱帶氣旋軌跡及其與觀測(cè)值的比較。除熱帶南大西洋外，低分辨率中熱帶氣旋的年數(shù)量在所有海盆都被嚴(yán)重低估，熱帶北大西洋尤為嚴(yán)重：低分辨率中的熱帶氣旋數(shù)量每年不到1個(gè)，而在觀測(cè)中每年有12個(gè),該區(qū)高分辨率(6個(gè))和低分辨率模式都低估了熱帶氣旋的數(shù)量，但高分辨模式會(huì)更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖4我們也看到，即使是目前的高分辨率模式，對(duì)于超強(qiáng)熱帶氣旋c5的模擬，離觀測(cè)也還差得很遠(yuǎn)。高分辨率地球系統(tǒng)模式未來的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。

得益于電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化計(jì)算工具的誕生和科學(xué)家們的不懈努力，在計(jì)算地球流體力學(xué)發(fā)展的第四階段，以人工經(jīng)驗(yàn)為主的研究和預(yù)報(bào)方式逐漸被客觀定量的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)方式取代，地球氣候科學(xué)作為一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，走上實(shí)證科學(xué)的現(xiàn)代化軌道，天氣氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性不斷提高。計(jì)算地球流體力學(xué)在該階段不斷扎根于科技發(fā)展的土壤，逐漸變得枝繁葉茂。

5 未來發(fā)展：機(jī)遇和挑戰(zhàn)

中國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，基于超級(jí)計(jì)算的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)實(shí)的刻畫也越來越具有代表性，但仍存在以下發(fā)展空間：(1)現(xiàn)有大氣模式分辨率不夠高，模式中不能允許對(duì)流云現(xiàn)象發(fā)生，不能夠解析大氣風(fēng)暴氣旋精細(xì)結(jié)構(gòu)；不能支持像青藏高原這樣的復(fù)雜下墊面對(duì)大氣環(huán)流的深層次影響機(jī)制研究；解析云對(duì)流現(xiàn)象，需要大氣分辨率達(dá)到3 km，而目前耦合模式難以達(dá)到此精度，受分辨率所限，只能采用參數(shù)化方案來近似估算云對(duì)流過程，這會(huì)增加大氣的不確定性，并限制了對(duì)局地重大災(zāi)害、極端天氣事件(如臺(tái)風(fēng)生成和發(fā)展)的數(shù)值預(yù)報(bào)水平。(2)海洋模式分辨率不夠高，不能夠允許海洋亞中尺度現(xiàn)象發(fā)生，也不能夠解析中尺度海洋渦及鋒面精細(xì)結(jié)構(gòu)，不支持準(zhǔn)確模擬和預(yù)報(bào)熱帶氣旋生成所需的局地上層海洋暖核精細(xì)結(jié)構(gòu)；解析海洋次中尺度結(jié)構(gòu)需要海洋模式分辨率達(dá)到1 km，全球海洋模式目前很難達(dá)到此分辨率，因此，不能支持復(fù)雜海底地形對(duì)海洋環(huán)流的影響，嚴(yán)重地限制了海洋環(huán)流的模擬水平和海洋環(huán)境中重大災(zāi)害事件的預(yù)警水平。(3)生物地球化學(xué)過程涉及生命生消過程，因此不能簡(jiǎn)單地總結(jié)為純粹的物理和化學(xué)過程；除了將生命現(xiàn)象還原為基礎(chǔ)的物理、化學(xué)過程以外，還必須將競(jìng)爭(zhēng)、分配、繁衍、演替、自控等行為抽象成數(shù)學(xué)規(guī)律，由于生物地球化學(xué)過程本身涉及隨時(shí)間而變的自然環(huán)境，因此在解決此類問題時(shí)需要將管理調(diào)度與模式調(diào)控相結(jié)合，進(jìn)而演變成自然控制論范疇的問題；生物地球化學(xué)過程本身的特殊性與復(fù)雜性導(dǎo)致現(xiàn)階段地球系統(tǒng)模式解決生物地球化學(xué)過程的技術(shù)仍不夠成熟，且缺少定量的風(fēng)險(xiǎn)分析與效果評(píng)估；生物地球化學(xué)過程本身就是碳循環(huán)的過程，因此，能科學(xué)地代表生物地球化學(xué)過程的地球系統(tǒng)模式也是一個(gè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”(“碳達(dá)峰”“碳中和”)戰(zhàn)略的科學(xué)研究和效果測(cè)試平臺(tái)。(4)由于地球系統(tǒng)模式涉及眾多學(xué)科與繁雜的數(shù)據(jù)資料，目前地球系統(tǒng)模式的研發(fā)工作仍然缺乏系統(tǒng)的管理和組織、國(guó)家層面的協(xié)調(diào)與持續(xù)的經(jīng)費(fèi)支持，有限的研究團(tuán)隊(duì)分散在不同的單位獨(dú)立立項(xiàng)研發(fā)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不必要的重復(fù)研究和資源浪費(fèi)，降低了模式研發(fā)效率，不利于當(dāng)今地球系統(tǒng)仿真模擬的快速發(fā)展。

無縫隙天氣氣候一體化預(yù)報(bào)，即同一模式預(yù)報(bào)過程產(chǎn)生天氣和氣候不同時(shí)間尺度的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果，短時(shí)間尺度結(jié)果為天氣預(yù)報(bào)，長(zhǎng)時(shí)間尺度結(jié)果則為氣候預(yù)報(bào)，是未來天氣氣候預(yù)報(bào)的一個(gè)重要發(fā)展方向，可以解決目前天氣預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確、氣候預(yù)報(bào)眾說紛紜的現(xiàn)狀，利于打造宜居地球的最終目標(biāo)。高分辨率耦合地球系統(tǒng)模式，以及相應(yīng)的高精度再分析數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)無縫隙天氣氣候一體化預(yù)報(bào)過程中將起到至關(guān)重要的作用。所謂再分析，是利用數(shù)學(xué)模型中的動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)規(guī)律，抽取觀測(cè)信息并投影到模式空間，校正模式模擬篇差，重建歷史天氣氣候時(shí)空連續(xù)演變的過程，它集成觀測(cè)分析和理論研究成果，形成完整描述地球氣候系統(tǒng)中各要素的歷史演變數(shù)據(jù)流；如果說數(shù)值模式是人體的骨絡(luò)，觀測(cè)資料是人體的肌肉，已有的理論研究成果是人體的心臟和主要血脈的話，同化產(chǎn)生分析數(shù)據(jù)就類似于骨髓造血賦予肌肉生命力的過程，形成的分析數(shù)據(jù)就是一個(gè)有靈有肉的生命整體了。這樣的分析數(shù)據(jù)是理解地球流體演變中各種動(dòng)力和物理過程機(jī)理的基石，當(dāng)前時(shí)刻的分析數(shù)據(jù)能反映模式初始化到當(dāng)前時(shí)刻的三維流體連續(xù)演變情景，是對(duì)未來進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的初始條件?；趯?shí)證科學(xué)原理，利用這樣的分析數(shù)據(jù)研究各種大氣海洋過程，不斷地糾偏校誤，在預(yù)報(bào)實(shí)踐中不斷地改進(jìn)模式和觀測(cè)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及觀測(cè)手段，更新的模式和觀測(cè)體系又可更新分析數(shù)據(jù)，形成“再”分析數(shù)據(jù)集，通過這樣循環(huán)往復(fù)的過程，地球科學(xué)在過去半個(gè)多世紀(jì)獲得了迅猛的發(fā)展；不斷地研制再分析數(shù)據(jù)集、改進(jìn)模式和初始化，是這個(gè)發(fā)展過程的核心。

研制超高分辨率耦合地球系統(tǒng)模式，將地球系統(tǒng)各分量中的各種多源觀測(cè)信息整合，不僅對(duì)解決當(dāng)前地球科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)前沿問題具有重要意義，而且能夠滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。清晰認(rèn)知全球變化對(duì)極端天氣氣候?yàn)?zāi)害現(xiàn)象的影響機(jī)制、提高它們的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)精度，是全人類改進(jìn)生存環(huán)境面臨的共同挑戰(zhàn)，是對(duì)打造宜居地球的有力支撐，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體在地球科學(xué)領(lǐng)域的具體落實(shí)。

未來，以越來越具現(xiàn)實(shí)世界代表性的高分辨率耦合地球系統(tǒng)模擬為最終目標(biāo)，尚有以下幾點(diǎn)科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)：(1)越來越高分辨率的模式，模擬更加精確的多尺度相互作用過程，要求數(shù)值方案對(duì)現(xiàn)實(shí)中的能量串級(jí)和逆串級(jí)有更加精準(zhǔn)的表達(dá)能力；(2)越來越高分辨率的模式對(duì)各流體分量邊界層過程的數(shù)值方案提出了更高的要求，比如更加精細(xì)的海氣、陸氣交界面過程描述及相關(guān)的湍流混合參數(shù)化設(shè)計(jì)，以及更具現(xiàn)實(shí)代表性的生物地球化學(xué)過程；(3)越來越高分辨率的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)需要更加平衡協(xié)調(diào)的多尺度非線性強(qiáng)耦合同化來制作模式初始條件和歷史再分析數(shù)據(jù)集，以推動(dòng)天氣氣候現(xiàn)象的機(jī)理認(rèn)知和可預(yù)報(bào)性研究；(4)超高分辨率模擬和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)要求在更加節(jié)能、計(jì)算能力更強(qiáng)的的高性能計(jì)算機(jī)上發(fā)展更加高效并行的模式算子和數(shù)值計(jì)算方案；(5)超高分辨率模擬和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)需要時(shí)間上高頻次、空間上高密集的觀測(cè)資料來進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)

回顧計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的百年歷史，Richardson、Rossby、Charney和von Neumann等科學(xué)家的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了這門學(xué)科的發(fā)展，他們的學(xué)術(shù)思想、研究成果和科研經(jīng)歷都深刻地影響了當(dāng)時(shí)自然科學(xué)理論和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。本文以地球系統(tǒng)數(shù)值模擬為例回顧了數(shù)值計(jì)算與模擬的發(fā)展歷史；展望未來，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)將繼續(xù)在模式架構(gòu)，如地球系統(tǒng)耦合模式及其高分辨率模擬計(jì)算[45]、多時(shí)空尺度的“無縫隙”預(yù)報(bào)[46]、集合預(yù)報(bào)與非線性系統(tǒng)可預(yù)報(bào)性[47]、多源數(shù)據(jù)分析和“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用[48]和超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展[49-50]等方向取得突破。