天气数学简史 深藏功与名——数学在人类认知天气现象和天气预报中的隐秘角色

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本书首次将科学*伟大发现之一：天气预报的数学展示给一般读者。本书融合历史、人物、概念三方面进行详细阐述。

伊恩 罗尔斯登（Ian Roulstone）教授是英国萨里大学数学学院院长。他同时是英国皇家天文学会会士、英国皇家气象学会会士和执行委员、英国皇家气象学会出版委员会主席、伦敦数学会会员。他于伦敦大学获得理论物理学学士，于牛津大学获得数学物理学博士。

序
致谢
前奏：新的开端
第一章编织幻象
第二章从谚语到定律
第三章逆境前行
第四章当风吹着风（风行风从）
第五章恪守与突破
第六章气象学的蜕变
第七章数学图像化
第八章混沌中的预测
尾声：蝴蝶效应之外
专业术语表
参考书目和文献

　　天气数学简史序序为什么非要用微积分来描述雪花的形成细节呢？对我们大多数人来说，气象学和数学处于两个彼此独立的世界。但在过去的两个世纪，数学对于气象学和天气预报的发展起到了日益重要而且极为关键的作用。今天，日新月异的现代计算机每分钟都能执行巨量的算术运算，预报员每天都在利用这种计算能力预测第二天的天气。但是在享受现代天气预报所获得的成功时，我们还应弄清天气预报偶尔出错的原因，因此我们需要利用数学去定量化地理解大气和海洋的行为。计算机操作服从于数学指令，它通过遵循抽象的逻辑规则来组织运算，因此要在计算机上进行天气预报，必须通过恰当的数学语言来描述地球大气当前的状态和未来的变化。然而，两个重要原因导致数值天气预报演变成了一个旷日持久难以完全解决的问题。第一个原因是，我们一直无法获得完美的关于云、雨以及旋转风之间相互作用的规律；第二个原因则是，计算机在每次预报时只能执行有限次的运算。这就给预报员提出了一个非常有趣的挑战：如何抓住大气运动行为的本质，而不因我们对大气的一知半解误入歧途。在现代计算机出现前，这一挑战同样令天气预报的先驱们着迷。直到19世纪末，当大气运动的控制方程被恰当提出后，注意力才逐步转向了寻找天气预报方程的解。理解和预报天气及气候是一个持续不断的努力过程，本书从发展的视角描述了数学在这一过程中所扮演的角色。在20世纪早期，少数具有不同背景的数学家和物理学家把气象学作为一门精确、定量的科学来加以总结。他们的故事极富传奇色彩，令人叹为观止，而他们所留下的遗产也不仅仅是现代天气预报的基础，更是向我们展示了数学和气象学的融合将如何支撑天气和气候预测科学的持续发展。但是，数学家们在探索太阳系稳定性的奥秘时发现了混沌现象，这也同样是我们在实现天气预报的征途上遇到的科学难题。问题的关键是，行星将永远保持它们绕太阳的运动，还是会由于一个偶然碰撞，例如与流星相撞，而最终导致它们未来的运动轨迹发生彻底的改变。今天的天气预报员不断努力拓展物理定律限制下的可预报性极限。预报流程的持续改进提高了预报的可靠性，与此同时，新的流程也要求有更大规模的计算机、更加优化的软件以及更加准确的观测。在现代超级计算机上，计算量的规模之大几乎已经超出了人类的理解范畴，但是数学却能够帮助我们从海量细节中洞悉其中的秩序所在。在本书的前半部分，我们描述了天气预报历史发展的四个关键要素：第一，我们是怎样学会测量和描述大气的；第二，我们怎样通过物理定律来解释这些认识；第三，我们是如何学会利用数学来表达物理定律进而实现预测的；第四，我们是怎样认识到细节中的魔鬼，也就是我们称之为混沌的现象。在本书的后半部分，作者着重描述了20世纪30年代后融合数学和机器的现代方法是怎样大幅提高了我们预测未来天气和气候的能力。第二次世界大战及随后民用和军事航空业的发展推动了气象和相关技术领域的大跨越，不仅仅是计算机，雷达、卫星等技术也取得了巨大进步。在这些技术的推动力下，人类终于在1949年实现了突破——第一次利用计算机成功进行了天气预报。对于利用计算机进行科学计算这一技术，我们中很多人对于该方面的先驱工作如数家珍，但是数学在技术发展史上所扮演的角色却很少为人们所知晓。事实上，作为技术进步的潜在推动力，数学对于科学计算的发展起到了极为关键的作用。因此，我们在书的结尾描述了数学到底是一个怎样的存在，以及还将怎样持续存在下去。围绕这些问题，预报员正探索将天气分为可预报部分和不可预报部分。这使得本书的最后部分更多地与理解和预测未来气候相关联。出于完整性的考虑，在本书中利用了“知识库”模块给出了有关技术细节的详细描述。本书涉及的所有概念对于那些倾向于忽略“知识库”模块的读者同样是通俗易懂的。在“尾声”部分后我们给出了专业术语表，该表言简意赅地对一些基本概念进行了解释，这些概念均被用于天气预报计算机程序的设计之中。致谢致谢很多年来，我们一直致力于研究和撰写本书，来自许多朋友、家人和同事的讨论和批评反馈使我们受益匪浅。就这一点，非常感谢希德·克拉夫、麦克·卡伦、乔纳森·迪恩、迪尔·福尔科斯、塞斯·兰福德、彼得·林奇、凯特·诺伯里、安德斯·佩尔松、塞巴斯蒂安·莱希、希拉里·斯莫尔、珍·威尔苏斯和艾玛·瓦内福特。在此，尤其感谢安迪·怀特对于本书倒数第二稿的细致阅读和补充。同样感谢休·巴拉德、罗丝·班尼斯特、斯蒂芬·伯特、麦克·德弗罗、大卫·德雷斯切尔、恩斯特·海瑞尔、罗伯·海恩、鲁伯特·福尔摩斯、斯蒂夫·杰布森、尼尔·朗尼、多米尼克·马布缇、约翰·梅思文、阿兰·奥尼尔、诺曼·菲利普斯、大卫·理查德森、克莱尔·罗尔斯通和麦克·怀特，感谢他们对本书的插图和图解提供的帮助。还要感谢一些组织为我们提供相关图片，尤其要感谢美国气象学会、邓迪大学、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、英国气象局以及英国皇家学会，感谢上述组织的工作人员为我们提供了极有价值的帮助。作者伊恩·罗尔斯登在此要特别感谢利华休姆信托在2008—2009年对于我们的经费