自古以来，气候作为地球自然资源和自然环境的一个重要组成部分，它的任何变化，都会对自然、生态、经济和社会的各个方面产生重大的影响。为了得到更为精准的天气预报，气象学家们把数学物理方法引入了对天气的分析、预测，从而诞生了数值天气预报。人们在高性能计算机平台上，制作数值预报，也就是用计算机预测大气中阴晴雨雪、电闪雷鸣的万千世界。

什么是数值天气预报？

所谓数值天气预报，就是利用计算机来计算天气，让计算机告诉我们风云变幻。由于大气运动遵循一些已知的物理定律，可将大气运动状态写成一组数学方程，给出这组方程的初值，也就是大气的当前状态，就可以求解出这组方程随时间变化的变量值，据此得到大气的未来状况。

数值天气预报的原理

那么数值天气预报具体是如何实现的呢？这就要从天体力学说起了。从哥白尼、开普勒到牛顿，预报天文现象，逐渐形成了天体力学方法，这种方法建立在牛顿发现万有引力的基础之上。天体在这种力的作用下，遵循牛顿运动定律——力等于质量乘以加速度，就是我们在中学都学过过的基本物理定律。先根据天体的相互位置算出万有引力，这样就能算出天体运动的加速度，有了天体运动的加速度。再根据观测知道的天体当前位置和当前移动速度，可以算出未来任一时刻，新的天体位置和在新的位置上的移动速度，这样一步一步地推算下去，就可以计算出天体运动的空间轨迹。人们设想用类似计算天体运动轨迹的方法，计算一个个空气质点的运动轨迹，由这些质点轨迹确定未来时刻的大气状态，从而预测出未来的“天气”，这就是数值天气预报的基本思想。

我们所居住的地球，表面上空被一层厚度十几公里到二十几公里的大气层所环绕，我们每天所看到的、感受到的阴晴雨霜、冷暖风雪的“天气”，就发生在这十几到二十几公里厚的大气层里。大气环绕着地球，每天都在运动变化着，大气的运动虽然瞬息万变，但也有一定的规律性，而且所有的天气变化，一般都是大气运动中的能量积累、释放、转换的结果。它遵循着一系列自然物理规律，可以根据某一时刻观测到的大气状态，用数学的方法求解方程，从而得到未来一个时刻大气的状态，也就是“天气”的状态。

  （大气层结构与空间格点化）  

失败的初次尝试

1904年挪威的贝杰克尼斯教授首次提出了数值天气预报的理论思想，认为人们完全可以通过求解一组支配大气运动变化的数学物理方程，“预知”未来的大气状态——“天气”。但是，直到1916年以后，英国的理查逊博士第一次尝试实践贝杰克尼斯提出的“数值天气预报”理论，将预报区域划分为一个一个棋盘上的格子，将时间划分为一小段一小段的时间步长，如每步为一小时，然后一个个格子、一个个时间步长地计算，当时还没有电子计算器和计算机，只能靠手工计算器来完成所有的计算。而且当时正值一战前夕，理查逊博士在前线当救护车的司机，只能利用从前线往返接送伤员的间隙，断断续续的进行他的科学计算。得出计算结果是伦敦地面的6小时气压变化为145百帕，而实际上伦敦那次的地面6小时变压几乎没有什么变化。再者，完成这一计算零零星星加起来大约花了他整整6个星期。这显然也没有“预报”的意义了。

所以，数值预报的第一次实际计算试验可以说是失败了。当时没有找到失败的原因，理查逊强调，由于资料缺乏和观测误差太大，而导致了结果不准确。事实也确实如此，当时他们只能得到欧洲地区地面的一些及其稀疏的资料，完全没有高空资料，由此构造的模式初值很不协调，计算方法使用也不得当，最终导致预报失败。

从前线回到伦敦后，他将她的“失败”工作整理成书，于1922年再伦敦出版，向人们展示了实现数值天气预报的基本计算过程和步骤，以及面临的基本问题，为后人提供了很好的参考借鉴。此外，理查逊注意到要实现这种预报，计算量相当的大。如果一个人一天工作8小时，需要约65年才完成的了。而实际上计算要与天气赛跑，“计算”要赶在天气出现之前完成，才有实际意义。在电子计算机出现之前，要完成这项任务实际上是不可能的，当人们还在做繁杂的信息采集、整理、计算时，天气已经再次出现了变化。因此，理查逊设想，当某一天计算的速度比天气发展的速度更快时，这种预报还是可能实现的。

成功的希望——计算机的诞生