“氣象設(shè)計模型”：氣象設(shè)計學(xué)體系的核心概念研究
——中國當(dāng)代設(shè)計學(xué)理論體系建構(gòu)研究系列

鄒其昌，陳征洋

同濟大學(xué)設(shè)計創(chuàng)意學(xué)院，上海200092

2022 年華為盤古氣象大模型（Pangu-Weather）橫空出世，成為了世界上首個在中長期氣象預(yù)報的精度上超越傳統(tǒng)基于物理方程的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的AI 氣象模型[1]，在預(yù)報速度上提升了1 萬倍以上[2]。審閱其論文的《自然》審稿人Ebert-Uphoff從“設(shè)計”的角度對這個AI氣象模型作出了以下評價：

我們小組選擇了一個經(jīng)過訓(xùn)練的模型，24小時預(yù)測模型，我可以確認它很容易下載并運行。我們只花了一個下午就把它復(fù)現(xiàn)了出來，甚至只需要一臺臺式電腦，它也能運行得很快。這意味著氣象學(xué)社群的任何人，現(xiàn)在都可以隨心所欲地運行和測試這些模型。對于社群來說，這是一個探索模型如何預(yù)測特定氣象現(xiàn)象的好機會。[3]

由此可以看到，建立一個氣象模型，不僅是一個科學(xué)問題（與觀測值的擬合程度），一個技術(shù)或工程問題（預(yù)報的效率），還是一個設(shè)計問題（可及性和易用性）。氣象模型的設(shè)計，不僅需要用自然的尺度來衡量、用機器的尺度來衡量，還需要用人的尺度來衡量。歐洲氣象中心的官員也從預(yù)報能耗的角度指出，如果傳統(tǒng)數(shù)值模型的預(yù)報能耗是“大象”的量級，那么盤古AI 氣象模型的能耗只有“螞蟻”的量級[4]，這意味著隨著AI氣象模型的發(fā)展，世界上許多不發(fā)達地區(qū)只要有一臺低功率的電腦，甚至不用聯(lián)網(wǎng)都能享受高質(zhì)量的氣象服務(wù)。

本文將氣象模型置于氣象設(shè)計學(xué)的框架下進行考察。氣象設(shè)計學(xué)不僅關(guān)注氣象模型的內(nèi)部——數(shù)據(jù)關(guān)系、物理定律、機器結(jié)構(gòu)，還關(guān)注氣象模型的外部——人。氣象設(shè)計是指人類如何認識氣象實體及其規(guī)律，如何遵循氣象規(guī)律、利用氣象資源建構(gòu)人工世界（人類社會），如何創(chuàng)造氣象的意義與價值的設(shè)計活動或成果。氣象設(shè)計學(xué)是對人類的氣象設(shè)計活動進行整體性、全局性、系統(tǒng)性研究的設(shè)計知識體系，它屬于當(dāng)代設(shè)計理論體系三大板塊中的整合板塊——社會設(shè)計學(xué)體系板塊。氣象設(shè)計學(xué)的理論體系研究既是貫徹落實氣象高質(zhì)量發(fā)展的首要步驟，也是建構(gòu)當(dāng)代設(shè)計理論體系的重要步驟。

氣象設(shè)計學(xué)可以劃分為三大板塊：

1）氣象設(shè)計的自然物系統(tǒng)，對應(yīng)的是與人類在設(shè)計中對于氣象實體及其規(guī)律的認知，應(yīng)對的是自然世界與氣象設(shè)計的關(guān)系問題；

2）氣象設(shè)計的人工物系統(tǒng)，對應(yīng)的是人類遵循氣象規(guī)律、利用氣象資源建構(gòu)出來的各種人工物，應(yīng)對的是人工世界與氣象設(shè)計的關(guān)系問題；

3）氣象設(shè)計的心靈物系統(tǒng)，對應(yīng)的是人類在設(shè)計中創(chuàng)造氣象的意義與價值，應(yīng)對的是心靈世界與氣象設(shè)計的關(guān)系問題。

氣象設(shè)計學(xué)的三大板塊體現(xiàn)了氣象設(shè)計學(xué)理論體系建構(gòu)的層層遞進邏輯——人類首先認識氣象，然后改造與利用氣象來建構(gòu)人工世界，解決人的生存性問題，最后在人的心靈世界中營造氣象體驗，賦予氣象以幸福的意義與價值，解決人的生命性問題，最終導(dǎo)向一個真實世界中的“活人”[5]或“活性”氣象設(shè)計理論體系。換句話說，即氣象設(shè)計的自然系統(tǒng)是人工系統(tǒng)的基礎(chǔ)與前提，人工系統(tǒng)是心靈系統(tǒng)的基礎(chǔ)與前提。

根據(jù)氣象設(shè)計學(xué)的三大板塊，可以將現(xiàn)代的氣象設(shè)計劃分為層層遞進的四大領(lǐng)域：

1）氣象設(shè)計的科學(xué)系統(tǒng)：認知氣象實體，探索氣象規(guī)律的設(shè)計體系。

2）氣象設(shè)計的技術(shù)（工程）系統(tǒng)：利用氣象資源，應(yīng)對氣象挑戰(zhàn)的設(shè)計體系。

3）氣象設(shè)計的社會（產(chǎn)業(yè)）系統(tǒng)：提供氣象服務(wù)，建構(gòu)氣象社會的設(shè)計體系。

4）氣象設(shè)計的藝術(shù)系統(tǒng)：創(chuàng)造氣象意義的設(shè)計體系。

氣象設(shè)計模型是一種從多到一，從經(jīng)驗到理論，從形態(tài)到結(jié)構(gòu)的氣象設(shè)計方式。氣象模型設(shè)計是一種特殊的氣象設(shè)計模型，它是關(guān)于氣象本身認知模式的設(shè)計。任何氣象設(shè)計首先建立在人類對大氣現(xiàn)象的認知之上，人類對氣象的認知水平?jīng)Q定了氣象設(shè)計其他方面的水平，氣象模型設(shè)計問題是氣象設(shè)計模型的首要問題。氣象設(shè)計科學(xué)從本質(zhì)上來看是關(guān)于氣象模型設(shè)計的知識系統(tǒng)。華為盤古氣象大模型，開啟了氣象模型設(shè)計的新時代——氣象模型由人類設(shè)計模型走向機器設(shè)計模型。認識AI時代的氣象機器模型設(shè)計，有必要對氣象模型變成機器“黑箱”[6]之前的氣象人類模型設(shè)計的發(fā)展脈絡(luò)進行梳理。

一、氣象模型設(shè)計概論

從詞源上來看，模型的英文model，源自拉丁語（modulus），意思是“建筑師的規(guī)劃；設(shè)計，制作；三維的圖案或形狀；范本，樣式”或者“方法，標(biāo)準(zhǔn)，模式”[7]。段玉裁《說文解字注》：

模，法也。以木曰模，以金曰鎔，以土曰型，以竹曰笵，皆法也。[8]

型，鑄器之法也。以木爲(wèi)之曰模，以竹曰笵，以土曰型。引申之爲(wèi)典型。[8]688

在西方，模型的范疇發(fā)源于建筑或雕塑模型，后來才引申為標(biāo)準(zhǔn)、樣式、模特的含義[9]，例如福特的汽車型號“Model T”，最早的具有工程設(shè)計意義的建筑（雕塑）模型可能出現(xiàn)在古埃及，這些模型可能用于古埃及城市、陵園、別墅、神廟等大型建筑工程的規(guī)劃設(shè)計，是古埃及建筑師向他的客戶（貴族、皇室）展示設(shè)計效果的三維圖紙，后來傳入古希臘和古羅馬，成為西方建筑技術(shù)體系的一部分，不少文藝復(fù)興時期的意大利建筑（例如羅馬圣彼得大教堂[10]）的模型保留至今。在中國，模型的范疇發(fā)源自青銅器的鑄造，“?！焙汀靶汀本褪氰T造青銅器的法器（模具），模具是青銅器定型的關(guān)鍵，模具的精度決定了鑄造成品的精度。商代已經(jīng)出現(xiàn)了大型的鑄造工場[11]。除此以外，先秦時期還出現(xiàn)了泥范、木范、石范、銅范、鐵范、蠟?zāi)＃ㄈ勰＃┑萚11]，其中基于蠟?zāi)５蔫T造精度是最高的[12]。

模型是人類設(shè)計出來的用來模仿、復(fù)制、解釋、表達現(xiàn)實的工具，現(xiàn)實中如果難以把握事物的主要特征，通常就可以用模型來展示出來，例如青銅器的模具就可以理解為青銅器造型的表達。模型和原型是一對范疇。原型是模型在現(xiàn)實中模仿復(fù)制的對象，而模型則可以是原型的抽象化、簡化、理想化。模型通常并不包含原型的所有特征，而是包括了模型設(shè)計者對原型已知或所需的主要特征，例如建筑模型在結(jié)構(gòu)上通常是等比例縮小的實物，但在材料上并不需要與實物保持一致。模型劃分見表1。

表1 模型的6種分類

總而言之，人類的設(shè)計活動離不開模型。從詞源上來看，模型發(fā)源自人類的設(shè)計活動。模型是人類抽象思維活動的結(jié)果，具有一定的結(jié)構(gòu)、形式與功能，它不存在于自然界，只存在于人工世界和心靈世界。一切設(shè)計活動都包含模型設(shè)計。從過程上來看，設(shè)計本質(zhì)上是將人類大腦中的設(shè)想表達為模型，再根據(jù)模型制作為成品的活動。

模型既可以是設(shè)計中途的環(huán)節(jié)（例如零件圖、裝配圖等），又可以是設(shè)計的結(jié)果（例如氣象AI 大模型）。它既可以指涉模型設(shè)計的外在形式（例如虛擬空間中表現(xiàn)為可交互的3D 物體形式的動畫模型），又可以指涉模型設(shè)計的內(nèi)在結(jié)構(gòu)（例如在虛擬空間中生成3D物體的模型算法）。

模型設(shè)計包括內(nèi)部設(shè)計和外部設(shè)計兩個層面。模型的內(nèi)部設(shè)計是模型自身結(jié)構(gòu)與形態(tài)（通常表達為符號間的邏輯關(guān)系）的設(shè)計，例如氣象方程的選擇就是數(shù)字預(yù)報模型的內(nèi)部設(shè)計；氣象理論的選擇（如氣團理論）是天氣地圖模型的內(nèi)部設(shè)計。模型的外部設(shè)計是指模型推理、生成、計算、表達、傳播所依賴的各種物質(zhì)條件（例如工具、儀器、媒介、平臺等）的設(shè)計，例如電報通訊系統(tǒng)是天氣地圖模型得以繪制出來的外部設(shè)計；氣象大模型的設(shè)計也包括一個人能夠下載、安裝、使用的交互系統(tǒng)的設(shè)計。

氣象模型是人類用來模擬、解釋、預(yù)測大氣現(xiàn)象的經(jīng)驗方式（實際上就是一種“氣象設(shè)計”方式，即氣象設(shè)計模型方式），它的原型就是自然世界中的氣象實體?？茖W(xué)與機器分別是研究氣象模型設(shè)計發(fā)展與變遷的重要內(nèi)部與外部線索。根據(jù)模型設(shè)計是否基于科學(xué)方法（數(shù)理邏輯推演、量化實驗或觀測實證、表述可證偽等），氣象模型設(shè)計可以劃分為前科學(xué)的氣象模型設(shè)計和科學(xué)的氣象模型設(shè)計，簡稱前科學(xué)模型和科學(xué)模型。根據(jù)模型設(shè)計的主體類型，氣象模型設(shè)計可以劃分為人類氣象模型設(shè)計和機器氣象模型設(shè)計。

無論模型是否建立在科學(xué)之上，無論機器是否參與模型的計算或生成，模型都是一種設(shè)計的產(chǎn)物。在AI 時代，人工智能也有可能成為一種新型設(shè)計師[15]。氣象模型設(shè)計發(fā)展的節(jié)點大致與人類設(shè)計的發(fā)展節(jié)點重合——手藝設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計是前科學(xué)的人類氣象模型設(shè)計，在工業(yè)革命后的機械設(shè)計時代，氣象模型設(shè)計進入了崇尚數(shù)學(xué)方法和物理定律的科學(xué)時代，在數(shù)字革命后的數(shù)字設(shè)計時代，特別是21 世紀(jì)的AI黎明時代，氣象模型設(shè)計進入了機器學(xué)習(xí)與生成氣象模型的時代。

本文擬在氣象模型的內(nèi)部設(shè)計與外部設(shè)計不斷互動中演化的設(shè)計理論框架下，對手藝設(shè)計時代和機械設(shè)計時代的人類氣象模型設(shè)計的發(fā)展脈絡(luò)進行梳理與探索，為人們展望與審視數(shù)字設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

二、手藝設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計

氣象模型設(shè)計史就是一部人類對大氣現(xiàn)象的認知史。手藝設(shè)計時代是工業(yè)革命之前人類主要依賴人、畜力進行創(chuàng)造的時代，它是氣象模型設(shè)計的前科學(xué)時代——氣象實體在人類眼中并不是個純粹自然性的對象。手藝設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計主要包括兩條發(fā)展脈絡(luò)。

（一）平民階層的氣象模型設(shè)計

平民階層的氣象模型（簡稱民間氣象模型）是勞動人民在生產(chǎn)生活中對于大氣現(xiàn)象的經(jīng)驗總結(jié)，主要包括氣象農(nóng)業(yè)模型、氣象航海模型、氣象習(xí)俗模型。這類模型可以追溯到人類文明的源頭，例如先秦《詩經(jīng)》里面有記載各種天氣模型：

朝隮于西，崇朝其雨。（如果朝虹出現(xiàn)在西方，那么早上就會下雨。）[16]

天將陰雨，鸛鳴于至。（天要下雨的時候，就能聽到鸛的鳴叫。）[16]399

古希臘赫西俄德的《工作與時日》里面也有記載各種天氣模型：

你要注意來自云層上的鶴的叫聲，它每年都在固定的時候鳴叫。它的叫聲預(yù)示耕田季節(jié)和多雨冬季的來臨，它使沒有耕牛的農(nóng)夫心急如焚。[17]

當(dāng)令人厭倦的炎熱季節(jié)漸漸結(jié)束時，太陽回歸后五十天，是人類航海的最佳季節(jié)……那時，和風(fēng)輕拂，大海無害于航行。你盡管放心地相信風(fēng)神，把快船下到大海里，并把你所有的貨物裝到船上去，無需顧忌。但是，你要盡快返家，不要等到新鮮葡萄酒上市，秋雨季節(jié)以及南風(fēng)神的可怕風(fēng)暴的來臨。這時伴隨著宙斯的滂沱秋雨而來的南風(fēng)攪動著海面，帶來極大的危險。[17]20

中國、古希臘以外，農(nóng)業(yè)社會中經(jīng)濟發(fā)達的文明或地區(qū)都對氣象經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行了不同程度的總結(jié)，見表2。

表2 中國、古希臘以外地區(qū)的記載民間氣象模型的著作

農(nóng)業(yè)社會中較具系統(tǒng)化的實用氣象經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪侵袊摹岸墓?jié)氣”氣象-農(nóng)業(yè)模型，但它并不單純由平民階層設(shè)計，貴族階層也對“節(jié)氣”模型做出了巨大貢獻。

平民階層的氣象模型設(shè)計有以下幾個特點。

1）它們與生產(chǎn)生活緊密相連，具有高度的實用價值。它們通常是出于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通便利、生活指南等實際目的，在長時間的經(jīng)驗積累上設(shè)計出來的。

2）從內(nèi)部設(shè)計來看，它們主要是尋找大氣現(xiàn)象與其他具體自然現(xiàn)象（含大氣現(xiàn)象）間的形而下的對應(yīng)模式，并不致力于探索氣象的形而上的本質(zhì)，從大氣現(xiàn)象A 到其他現(xiàn)象B 并沒有邏輯推理，停留于感性的經(jīng)驗知識，理論和抽象化程度不高，并且經(jīng)常融入主觀性色彩，例如用神靈來解釋氣象成因。

3）從外部設(shè)計來看，它們主要以口耳相傳的詩歌、諺語等韻文呈現(xiàn)與傳播。韻文是一種音樂性文體，它不僅會給人帶來美感，而且朗朗上口，符合人的認知規(guī)律，便于記憶。這些口頭性的氣象模型也會受到精英階層的關(guān)注，前文列舉的各種著作都是當(dāng)時的社會精英對勞動人民總結(jié)的氣象模型的梳理、總結(jié)與改編。中國元代婁元禮的《田家五行》是少數(shù)幾部對氣象諺語這類民間氣象模型進行系統(tǒng)性分類與梳理的專著[18]。在西方15世紀(jì)谷登堡發(fā)明活字印刷術(shù)后，歷書（Almanack）的大量印刷讓民間的氣象模型走向書面化時代[19]。

總而言之，民間或平民階層的氣象模型設(shè)計通常無需理論造詣與復(fù)雜計算，基于肉眼觀測即可完成。它們的口語化與音樂化能讓其在高文盲率的農(nóng)業(yè)社會中得到迅速與廣泛的傳播、應(yīng)用。這種設(shè)計與使用的低門檻性與民間氣象模型的實用性導(dǎo)向是相一致的。

（二）貴族階層的氣象模型設(shè)計

貴族階層的氣象模型（簡稱精英氣象模型）是社會中的精英階層描繪的氣象圖景。精英階層又稱有閑階級，他們是農(nóng)業(yè)革命后，人類社會中大量的糧食剩余供養(yǎng)的，不用從事勞役工作的特權(quán)階層。正是由于無需從事繁忙的勞動生產(chǎn)，精英階層就能開展文學(xué)、藝術(shù)、學(xué)術(shù)等就眼下看來相對“無用”的工作[20]，思考“無用”的哲學(xué)問題，貴族階層也能設(shè)計一些“無用”的氣象模型。精英氣象模型主要包括氣象哲學(xué)模型（例如“氣”）、氣象醫(yī)學(xué)模型（例如“風(fēng)寒”）、氣象社會模型（例如“節(jié)氣”）等。

1）氣象哲學(xué)模型是純粹出于求真目的而設(shè)計出來的模型，其旨在求真上，哲學(xué)與科學(xué)是共通的，因此后世的氣象科學(xué)模型是氣象哲學(xué)模型的直接繼承者。氣象-哲學(xué)模型主要流行于西方，以古希臘為源頭，見表3。中國也建立有許多氣象哲學(xué)模型，例如氣、五行、風(fēng)角、風(fēng)水等，但它們通常自成體系——主要是從易學(xué)體系發(fā)展而來的占候（相術(shù)）體系，世俗化程度較高，因此需要另作討論。

表3 手藝設(shè)計時代各文明或地區(qū)的氣象哲學(xué)模型

2）氣象醫(yī)學(xué)模型出于醫(yī)療目的而設(shè)計出來的氣象模型，是相對實用的精英氣象模型。古希臘的希波克拉底《氣候水土論》（On Airs，Waters and Places）較早建立了氣象人類模型。古羅馬的蓋倫（Galen）繼承了亞里士多德的“干濕冷暖”四性論和希波拉底的人體氣候水土論，提出了“三氣（普紐瑪）”的靈魂理論[21]。脫胎自氣象模型的“氣”在中國也是一個重要醫(yī)學(xué)模型，早在先秦的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中，中國人就已經(jīng)建立起了用于醫(yī)療的氣象人體模型[22]。正如“風(fēng)寒”“風(fēng)邪”[23]，先人已經(jīng)認識到人體與氣象是一個統(tǒng)一的連續(xù)體。

3）氣象社會模型是出于社會治理目的而設(shè)計出來的氣象模型，例如朝鮮在世宗和文宗時期建立了降雨量與稅收的關(guān)系模型，東亞已知最早的標(biāo)準(zhǔn)化雨量計“錦營測雨器”就是建立在這個氣象社會模型的基礎(chǔ)上的，它被用作一種衡量收成，制定賦稅的官方工具[24]。它在傳統(tǒng)中國及其周邊地區(qū)是最具體系的氣象模型——從禮學(xué)體系發(fā)展而來的節(jié)令體系。節(jié)氣是一個基于農(nóng)業(yè)周期的時序系統(tǒng)，發(fā)源自遠古的冬至祭祀[25]，是從物候歷發(fā)展而來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的天文歷，它是基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對“天道”的總結(jié)，是中國古代少數(shù)涉及計算的氣象模型系統(tǒng)。自然界并不存在節(jié)氣，正如鐘表上24時60分60 秒的刻度系統(tǒng)，它是一個設(shè)計出來的人工系統(tǒng)。“節(jié)氣”建立在順應(yīng)“天道”的模型之上，體現(xiàn)了一種規(guī)劃未來的模型：首先“節(jié)氣”是以日照與氣候的周期性變化為前提，春去秋來，寒來暑往的氣候運動是循環(huán)往復(fù)，未來可期的；其次，在“節(jié)氣”規(guī)律性運動，可以預(yù)測的基礎(chǔ)上，古人建立了“時令”系統(tǒng)，即根據(jù)時節(jié)規(guī)劃人事的系統(tǒng)[26]，節(jié)氣系統(tǒng)與時令系統(tǒng)通常合稱為“節(jié)令”系統(tǒng)。在東亞溫帶地區(qū)的農(nóng)業(yè)社會里，統(tǒng)治階級的合法性來自天道，他們通過禮制確立自身的特權(quán)，故屬于人類社會的禮制要遵循自然世界中的天道，故節(jié)令屬于禮制系統(tǒng)，較早記載于先秦的《禮記》之中，是頗具代表性的氣象社會模型。

貴族階層的氣象模型設(shè)計有以下幾個特點。

1）由于社會階層、生活方式與平民不同，他們對于氣象模型設(shè)計的關(guān)注點不同。貴族階層主要從學(xué)術(shù)（自然哲學(xué)、神學(xué)、禮學(xué)、易學(xué)等）、醫(yī)療、軍事、社會治理等精英階層的活動或意識形態(tài)出發(fā)設(shè)計氣象模型。

2）精英氣象模型設(shè)計與民間氣象模型相比具有抽象與理論化程度高的高門檻特點，有時候還采用計算或儀器的手段來建構(gòu)氣象模型。氣象科學(xué)模型設(shè)計的關(guān)鍵要素——儀器觀測發(fā)源自精英氣象模型。由于農(nóng)業(yè)社會中，天道（包括表達為氣象模型的氣象規(guī)律在內(nèi)）是統(tǒng)治階級特權(quán)的來源，有時候出于政治目的，精英階層甚至?xí)桃馓岣邭庀竽Ｐ偷脑O(shè)計與使用門檻[27]。

3）西方的精英氣象模型設(shè)計沿著古希臘的自然哲學(xué)的脈絡(luò)發(fā)展，信仰色彩濃厚，以氣象哲學(xué)模型為特色。以中國為代表的東方的精英氣象模型設(shè)計，沿著先秦的易學(xué)和禮學(xué)兩條脈絡(luò)發(fā)展[28]，分別建立了占候模型體系和節(jié)令模型體系，世俗色彩濃厚，以氣象社會模型為特色。

三、機械設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計

機械設(shè)計時代是工業(yè)革命后，人類主要依賴機械力與化石能源進行創(chuàng)造活動的時代。在這個歷史階段，機器成為了氣象模型設(shè)計的主要手段，科學(xué)成為了氣象模型設(shè)計的主要意識形態(tài)，其他類型的氣象模型退居幕后，氣象模型成為了氣象科學(xué)模型的縮寫，氣象實體在人類眼中成為了純粹自然性的對象。故機械設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計[29]主要可以劃分為兩條科學(xué)模型的設(shè)計路線：經(jīng)驗主義模型設(shè)計與理性主義模型設(shè)計。

經(jīng)驗主義和理性主義原本是關(guān)于知識本原的一對辯證統(tǒng)一的哲學(xué)模型。經(jīng)驗主義認為真理存在于人類外在的經(jīng)驗世界，理性主義認為真理存在于人類內(nèi)在的理念世界。

作為哲學(xué)繼承人的科學(xué)，分別從經(jīng)驗主義和理性主義中發(fā)展出了實驗研究路徑和理論研究路徑。工業(yè)革命后，氣象的經(jīng)驗主義模型主要是建立在觀測實驗上的氣候?qū)W模型，理性主義模型主要是建立在物理定律上的動力氣象學(xué)模型。

1.經(jīng)驗主義的氣象模型設(shè)計

氣象科學(xué)的經(jīng)驗主義模型設(shè)計首先與儀器的發(fā)展密不可分。早在文藝復(fù)興時期，阿爾伯蒂（Leon Battista Alberti）發(fā)明了壓板風(fēng)速儀，記載于阿爾伯蒂的《建筑論》De Re Aedificatoria 中。尼各老（Nicholas of Cusa）發(fā)明了發(fā)絲濕度計，記載于達芬奇的《手寫本圖冊》（Codex Atlanticus）中。伽利略在16 世紀(jì)末制作了已知最早的溫度計。托里切利于1643 年制作了最早的氣壓計。儀器設(shè)計本身包含了氣象要素的模型設(shè)計，推動氣象模型由定性模型走向定量模型，隨著18世紀(jì)法勒海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）和攝爾修斯（Anders Celsius）等工匠或科學(xué)家建立了標(biāo)準(zhǔn)化的氣象儀器測量體系，可用于建模的有效氣象數(shù)據(jù)開始得到積累。

氣象的經(jīng)驗主義模型是在對有效氣象數(shù)據(jù)的分析中建立的模型。在工業(yè)革命前后，人類設(shè)計了大量用來計算與分析氣象數(shù)據(jù)的工具，這些工具也可以視作一種氣象模型，它們大多數(shù)都帶有可視化的特點，見表4。

表4 工業(yè)革命前后出現(xiàn)的可視化經(jīng)驗主義氣象模型設(shè)計

在大量氣象數(shù)據(jù)的計算、統(tǒng)計、分析中，大規(guī)模、大范圍的經(jīng)驗主義氣象模型——全球氣候模型建立了起來，其里程碑是柯本（Wladimir Koppen）從1884年提出開始，一直修訂到1931年的氣候帶分類模型。

工業(yè)革命中，長途有線或無線即時通信與氣象預(yù)報模型的結(jié)合，給經(jīng)驗主義模型帶來了革命性的影響。電報讓各地采集到的氣象數(shù)據(jù)以光的速度傳播，無線電則讓高空氣象觀測和海洋氣象觀測成為了可能。氣象局的預(yù)報員匯總來自一百多個地點的天氣電報，構(gòu)建多種類型的可視化天氣模型，統(tǒng)稱為每日天氣地圖Daily Weather Map，天氣地圖開辟了宏觀天氣模型Synoptic Method的設(shè)計路徑——19世紀(jì)50年代，英國的James Glaisher 和美國的Joseph Henry 開始嘗試利用電報繪制天氣地圖。1863年，法國國家氣象服務(wù)開始發(fā)表每日天氣地圖，隨后是美國從1871年開始提供這項服務(wù)。其后的6 年間，每日天氣地圖開始在歐洲普及。1918 年以比耶克內(nèi)斯（Vilhelm Bjerknes）為首的挪威卑爾根學(xué)派設(shè)計了一套體系化、高層次地描述大氣運動的模型——冷鋒、暖鋒、阻塞鋒、極地鋒、輻合線和氣團，這套既不基于物理定律，也不依賴計算短期天氣預(yù)報模型被稱作氣團分析法（air-mass analysis），成為了經(jīng)驗主義的氣象模型設(shè)計的高峰。

2.理性主義的氣象模型設(shè)計

理性主義模型是氣象模型設(shè)計這頂皇冠上的明珠，它是一種基于物理定律的數(shù)學(xué)模型。理性主義氣象模型設(shè)計可以追溯到亞里士多德的《氣象匯論》，哈雷采用力學(xué)解釋信風(fēng)，它成為氣象模型設(shè)計的主流，則要到工業(yè)革命之后。

研究理性主義氣象模型設(shè)計的學(xué)科叫動力氣象學(xué)。1917 年?？怂辜{（Felix Exner）對19 世紀(jì)的動力氣象學(xué)理論進行了系統(tǒng)性總結(jié)，出版了《動力氣象學(xué)》（Dynamische Meteorologie），標(biāo)志著得到了學(xué)界的公認。同年，比耶克內(nèi)斯在挪威卑爾根建立了地球物理研究所，他針對大氣的七個變量建立了7個方程，提出了現(xiàn)代氣象學(xué)中最基礎(chǔ)的通用大氣模型——一切大氣現(xiàn)象（除去光學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)現(xiàn)象）都可以用空氣在三個方向上的速度、溫度、壓強、密度、水分的數(shù)量關(guān)系來描述。

氣象科學(xué)模型設(shè)計的核心在于模型對于其真實世界中對應(yīng)的氣象實體的解釋性，這種解釋性也包括預(yù)測性——對未來狀況的解釋。早期的理性主義氣象模型在預(yù)測性上遭遇了挫折，問題并不出自模型的內(nèi)部設(shè)計上，而主要在于外部設(shè)計上。1922 年理查德森（Lewis Fry Richardson）改進了比耶克內(nèi)斯的七變量通用模型，在巴黎進行了一次計算6 小時后的大氣狀況的數(shù)值預(yù)報實驗，這次實驗以失敗而告終——計算值與測量值偏差過大。失敗的原因主要在兩個方面。

1）理查德森簡化了模型。例如理查德森將比耶克內(nèi)斯原模型中的導(dǎo)數(shù)都替換成了有限差分之比。他將巴黎大氣分割為網(wǎng)格模型，假定網(wǎng)格內(nèi)部的大氣狀態(tài)和運動都是均一的，網(wǎng)格數(shù)目越多，觀測的精度越高，反之就越低。這些簡化導(dǎo)致了實驗中的計算和測量都存在不可消除的固定誤差。

2）儀器本身的問題，實驗中觀測到的大氣初始值和結(jié)束值都存在較大的儀器誤差。部分變量甚至尚沒有成熟的觀測手段，例如空氣中的水分及高層網(wǎng)格中的各種變量。理查德森只能選擇特殊的時間（國際氣球日），設(shè)計臨時儀器（測量云中含水量的對比光度計）進行觀測?？梢姰?dāng)時的觀測條件十分苛刻。

理查德森將他的實驗總結(jié)為專著《基于數(shù)值處理的天氣預(yù)報》（Weather Prediction by Numerical Process），率先提出了數(shù)值預(yù)報的概念。歷史證明理查德森的模型設(shè)計路徑是正確的，數(shù)值預(yù)報模型成為了20 世紀(jì)最主要的氣象預(yù)報方法。然而比耶克內(nèi)斯和理查德森的數(shù)值模型沉寂了將近30 年。這就是由于理性主義氣象模型設(shè)計的核心矛盾是位于外部的算力與計算量的矛盾——復(fù)雜的大氣運動意味著復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理模型，越精準(zhǔn)的預(yù)測模型要求的計算量越高，越高的計算量意味著更長的計算時間，假如計算出6小時后的天氣狀況，需要花上6周時間，那么這個預(yù)報模型本身就失去了意義。如果靠簡化模型的手段來調(diào)和這個矛盾，就會犧牲模型的解釋性。

因此，在理查德森之后，理性主義氣象模型主要可以劃分為兩條設(shè)計路徑。

1）模型內(nèi)部（算法）優(yōu)化，例如比耶克內(nèi)斯設(shè)計的圖形化算法，即把數(shù)學(xué)分析轉(zhuǎn)化為幾何問題。

2）模型外部提升算力，例如設(shè)計使用各種計算工具（列線圖、計算尺等）和計算機器（打孔卡片機、微分分析儀等）。

工業(yè)革命末期，數(shù)字革命的前夕，電子計算機與氣象模型協(xié)同發(fā)展，相互產(chǎn)生了革命性影響。一方面氣象科學(xué)模型設(shè)計中龐大的算力需求，成為電子計算機的設(shè)計研發(fā)契機；另一方面，電子計算機為氣象科學(xué)模型預(yù)測未來提供了足夠算力，讓理性主義的氣象模型不再是一個浮在空中的精美模型。

電子計算機之父莫奇利（John Mauchly），早期是一名探索太陽活動與地球大氣運動間關(guān)系，對天氣循環(huán)模型抱有極大興趣的學(xué)者。莫奇利想通過分析數(shù)據(jù)來證明天氣存在和太陽一樣的27天周期，由于他對現(xiàn)有的商用模擬計算機的計算效率不滿意，他于1940年左右研發(fā)了一臺模擬計算機——電動諧波分析儀，這臺機器將諧波系數(shù)的計算效率提高了5～10 倍。莫奇利于1941年放棄了改進諧波分析儀的計劃，而轉(zhuǎn)向研發(fā)精度更高的數(shù)字化電子計算機器。約翰·埃克特（J.Presper Eckert）和約翰·莫奇利（John Mauchly）一同研發(fā)了ENIAC（1946 年）、EDVAC（1949 年）、BINAC（1949 年）、UNIVAC（1951 年）。莫奇利把他主要的智慧、時間與精力用在了設(shè)計機械式的模擬計算機與電子式的數(shù)字計算機上，但是氣象學(xué)或氣象數(shù)據(jù)的處理需求，卻是將他推向計算機的原因。

和莫奇利研發(fā)計算機差不多相同時間，馮諾依曼于1946 年開啟了氣象計劃。馮諾依曼是計算機計劃（ENIAC 的設(shè)計研發(fā)）的顧問[30]，他的計算機興趣發(fā)源自風(fēng)洞實驗（流體力學(xué)研究）落腳于數(shù)值氣象預(yù)報——兩者采用類似的數(shù)學(xué)物理模型，兩者模型的求解都要消耗巨大的算力，有賴于新式的電子計算機，兩者一旦成功都能成為計算機這一嶄新事物的宣傳，爭取后續(xù)的研發(fā)資金，但更為大眾熟知的后者則更具宣傳效應(yīng)，于是馮·諾依曼決定用電子計算機來求解當(dāng)年理查德森遭遇挫折的通用大氣模型。馮·諾依曼在普林斯頓的氣象計劃團隊基于線性化的一維氣象模型，使用ENIAC 進行了第一次預(yù)報。ENIAC 花了24 小時預(yù)報了從計算開始算起24小時后的氣象，預(yù)報速度首次趕上了天氣變化的速度，并且計算值基本符合觀測值，馮·諾伊曼指出：“（手工）要復(fù)制ENIAC的計算，需要5年的時間?！崩硇灾髁x氣象模型終于成為了一個真實的模型。由于計算量的矛盾不復(fù)存在，氣象計劃團隊在后續(xù)的數(shù)值預(yù)報中不斷增加氣象模型的復(fù)雜程度，例如用非線性的二維模型取代線性的一維模型，用考慮了高空大氣的斜壓模型Baroclinic Model 取代只考慮低空大氣的正壓模型Barotropic Model，增加大氣層網(wǎng)格模型的層數(shù)等。馮·諾伊曼的氣象計劃讓人們對30多年前的氣象的數(shù)學(xué)物理模型設(shè)計路徑重拾信心，當(dāng)時沒有人能想到，基于電子計算機的理性主義模型成為了氣象預(yù)報模型的主流，在1957年左右就在歐美地區(qū)普及了。

總而言之，機械設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計有以下幾個特點。

1）氣象模型設(shè)計的理論可能會遠遠超前于實踐，內(nèi)部設(shè)計受外部設(shè)計的制約較大，先進的模型設(shè)計理念會因外部條件的限制而埋沒。氣象模型設(shè)計的進步是理論與實踐，內(nèi)部與外部的統(tǒng)一發(fā)展。

2）氣象模型設(shè)計的外部限制主要分為兩個方面：氣象實體自身的復(fù)雜性、機器處理氣象數(shù)據(jù)的性能（采集、傳輸、存儲、計算、分析等方面），前者是無法設(shè)計的，后者是可以通過設(shè)計改進的。機器對氣象模型設(shè)計的限制，從另一個角度來看，是人本身計算效率過低帶來的限制——在相當(dāng)長的時間內(nèi)，數(shù)理化的氣象模型設(shè)計必須照顧人類的計算能力而進行簡化或另辟蹊徑（例如采用圖形化的算法）。

3）機械設(shè)計時代，機器的數(shù)據(jù)技術(shù)體系成為了氣象模型設(shè)計的關(guān)鍵。作為數(shù)字設(shè)計時代的先聲，通信技術(shù)體系和計算機技術(shù)體系分別給經(jīng)驗主義和理性主義的氣象科學(xué)模型帶來了革命性的影響。

四、結(jié)語

本文對人類氣象模型設(shè)計的梳理中可以得知，手藝設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計以人為主導(dǎo)，遵循人的邏輯與尺度——模型設(shè)計要遵循人的認知模式和社會規(guī)范，它不僅要關(guān)注氣象本身，還要關(guān)注人類在農(nóng)業(yè)、交通、軍事、醫(yī)療、信仰、政治、社會等多個方面的需求。所以手藝設(shè)計時代的氣象模型設(shè)計朝著多元化的方向發(fā)展，而且模型分類就是人的分類。進入機械設(shè)計時代后，氣象科學(xué)模型成為了獨一無二的氣象模型，機器無論在氣象數(shù)據(jù)的收集還是處理上都成為了人體的延伸，氣象模型設(shè)計也隨之發(fā)生了機器化，遵循機器的邏輯與尺度，但這個時期，機器只是氣象模型設(shè)計的輔助，它提供了氣象模型設(shè)計的新條件，氣象模型設(shè)計的核心工作——數(shù)理模型的設(shè)計——依然只能由人類完成。這個人類主導(dǎo)的設(shè)計模式一直延續(xù)到今天這個的數(shù)字設(shè)計時代，直到氣象大模型的出現(xiàn)。氣象大模型意味著機器開始參與甚至是包攬氣象模型設(shè)計中的核心工作，人類在氣象模型設(shè)計中的工作主要變成了對機器學(xué)習(xí)模型的監(jiān)督、優(yōu)化和評估，機器學(xué)習(xí)本身給氣象模型設(shè)計帶來了新的復(fù)雜性，它將氣象模型變成了一個只有機器能夠理解，人類卻難以理解的“黑箱”。對于AI 時代的氣象大模型，應(yīng)該繼續(xù)追問：AI 能否推動氣象理論的發(fā)展？AI 機器模型能不能加深人類對大氣現(xiàn)象的認識？機器不僅是人的“延伸”，也會造成人的“截肢”。未來的氣象模型設(shè)計將以機器為主導(dǎo)的趨勢必然勢不可擋，但它依然應(yīng)該要把活人放在設(shè)計考量的中心，在氣象模型變得越來越智能化的同時，它應(yīng)該是放大人類的智慧，而不是讓人放棄對于氣象復(fù)雜性的思考。