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第一次算力竞赛：数值天气预报的早期历史 The First Compute Arms Race: the Early History of Numerical Weather Prediction Charles Yang
摘要
本文追溯了第二次世界大战后几十年间，全球将早期电子计算机应用于数值天气预报的竞赛。概述了美国、英国、瑞典、加拿大和日本数值天气预报的早期历史。确定了塑造一国数值天气预报发展的三个关键因素：计算能力、机构建设与国家能力，以及人才。从现代国家利用人工智能（AI）加速科学竞争力的战略视角出发，总结了几条具有普遍意义的经验教训。
1 引言
万事俱备，只欠东风
——诸葛亮
预测天气的能力长期以来对人类社会的农业、贸易和战争都至关重要。在中国《三国演义》史诗中，传奇军事战略家曹操在赤壁海战中因一场意外的东风而战败[1]。在更近的西方历史中，第二次世界大战中诺曼底登陆（D-Day）的时机及其成功，部分归功于英国气象局（Met Office，“Met Office”）相比其德国同行更优越的天气预报能力。德国评估认为英吉利海峡的恶劣天气将持续两周以上，这意味着派往法国前线的部队减少，隆美尔也返回柏林庆祝妻子的生日[2]。精确的天气预报对于现代社会缓解自然灾害、支持农业生产以及运行日益依赖间歇性可再生能源的电力系统，仍然至关重要。
然而，即使在第二次世界大战期间，天气预报仍主要依赖专家预报员的判断。但战争的结束预示着一场巨变：随着计算机器的出现，数值天气预报（Numerical Weather Prediction, NWP）应运而生，它使用计算机求解方程来进行天气预报。本文考察战后早期数值天气预报的历史以及为运行NWP而建造最大计算机的全球竞赛，作为一个历史案例研究，为当前国家利用AI提升科学竞争力的战略提供参考。
2 计算的早期岁月
数值天气预报（NWP）的理念，即大气的未来状态由其当前状态决定，并可通过物理方程进行预测，最早由维尔海姆·皮叶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）于1904年提出理论。1922年，刘易斯·弗莱·理查德森（Lewis Fry Richardson）概述了实现NWP的具体步骤，但由于他的所有计算都是手工完成的，并且使用了较大的时间步长，他的预测不准确，并显示出不切实际的天气动力学特征³。
³ https://www.cambridge.org/core/b ... CF1BB624F97EC9CCA79
尽管NWP的理论由来已久，但第二次世界大战极大地加速了自动化计算机器的发展。IBM于1944年开发了哈佛马克一号（Harvard Mark I）用于计算海军炮击表。后来它被冯·诺依曼（von Neumann）用于曼哈顿计划。同时，宾夕法尼亚大学的工程师在美国陆军的资助下于1943年初建造了ENIAC。它于1946年完成，并移至马里兰州的阿伯丁试验场（Aberdeen Proving Ground），后来用于设计氢弹的计算。同样，英国开发了巨人计算机（Colossus），这是一台用于破解德国加密的可编程电子计算机（其名声可能被用于破解恩尼格玛密码机的机电式炸弹机 Bombe 所掩盖）。
战后，约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）——他在战时一直是计算机器作用的主要倡导者——在普林斯顿大学高等研究院（IAS）组织了电子计算机项目（Electronic Computer Project），目标是建造一台比第一代计算机强大得多的电子计算机。冯·诺依曼与富有魅力的瑞典裔美国人卡尔-古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby）等人，也从海军研究办公室（Office of Naval Research）获得了资金，在IAS成立了一个气象学小组（Meteorology Group）。同年晚些时候，罗斯贝在IAS组织了一次气象学会议，汇集了当时对NWP感兴趣的气象学家，包括最终将领导IAS天气预报工作的朱尔斯·查尼（Jules Charney）⁴。电子计算机项目为该计算机最终的应用规划了三个方向：工程、数值数学和天气预报，后者由朱尔斯·查尼领导。
⁴ https://www.jstor.org/stable/26223121
虽然“IAS机器”被延误，直到1952年才完成开发，但查尼得以与美国天气局（US Weather Bureau）合作，获得了位于马里兰州的ENIAC机器的使用时间。该团队工作了33个日夜，在查尼、菲约托夫特（Fjortoft）和冯·诺依曼⁵（简称CFvN）的里程碑式论文《正压涡度方程的数值积分》（"Numerical Integration of the Barotropic Vorticity Equation"）中，首次展示了使用ENIAC进行的数值天气预报。尽管CFvN报告称需要24小时来制作一个24小时的预报，但计算能力的提升有助于实现理查德森的梦想：让计算预测的速度快于天气变化。发现的另一个挑战是通过打孔卡进行数据输入和编程，这在1950年代对于NWP获得实际时效的结果来说一直是一个主要瓶颈⁶⁷。关键的是，CFvN的论文使用正压模型（barotropic model）显示出令人惊讶的良好预报结果，该模型对天气模式的假设比斜压模型（baroclinic model）更强⁸。这后来被证明是偶然的好运，但这一积极结果有助于巩固在美国将NWP业务化的支持。
⁵ https://maths.ucd.ie/~plynch/eniac/CFvN-1950.pdf
⁶ 事实上，CFvN自己报告说，根据他们的经验，他们认为仅通过数据输入操作化就能将结果产出时间减少50%。
⁷ 原文脚注6为重复引用，此处合并翻译。
⁸ 正压模型假设大气密度仅随压力变化，简化了计算；斜压模型考虑了密度随压力和温度的变化，更复杂但更符合实际大气。
这一成果极大地激励了国际NWP界，首次证明了计算机可以通过求解方程来预测天气。
3 竞赛展开
美国
1950年具有里程碑意义的CFvN论文，包括其令人惊讶的强劲结果，受到了美国联合气象委员会（Joint Meteorological Committee, JMC）的重视。该委员会隶属于参谋长联席会议（Joint Chiefs of Staff），成员包括美国各气象机构的负责人：美国天气局（后更名为国家气象局 NWS）、空军气象局（Air Weather Service）和海军气象局（Naval Weather Service）。他们在1952年底成立了一个小组委员会来调查NWP的潜力。到1953年夏天，小组委员会提交了建议，认为应成立一个联合单位来实现NWP业务化，同时降低预期，强调NWP业务化将是缓慢、困难的，并且需要与日常数值预报员工作同时进行。
三个机构的JMC领导层认识到其潜力和紧迫性，并落实了小组委员会的建议。1953年7月1日，JMC创建了联合数值天气预报小组（Joint Numerical Weather Prediction Unit, JNWPU），这是一个独特的单位，人员平均来自所有三个机构，文职人员与军事人员并肩工作。早期模型于1954年底在IBM总部的IBM 701上开发，直到1955年专门为JNWPU采购并安装了一台IBM 701。NWP实现了业务化运行，预报产品于当年开始发送给分析员。值得注意的是，JNWPU主任乔治·克雷斯曼（George Cressman）后来于1965年成为国家气象局局长。
早期，JNWPU做出决定，不专注于为预报员开发工具，而是转向业务化的NWP生产，即每天制作基于NWP的24小时预报发送给预报员。尽管CFvN论文设定了过高的期望，并且早期NWP结果令人失望，但业务化的决策有助于将资源早期集中用于关键挑战（如自动数据处理的必要性），并为后来的成功奠定了基础⁹。到1958年，来自业务化NWP的S1评分（一种天气预报准确度的衡量标准）开始显示出相对于基线的首次改进。到1960年，NWP开始超越人工预报。
⁹ https://journals.ametsoc.org/vie ... honwpa_2_0_co_2.xml
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