Jule Gregory Charney (1917-1981) 是著名美國氣象學家，對大氣動力學和數值天氣預報的發展有巨大貢獻，被譽為是二戰後現代氣象學發展最重要的人物之一。1948–1956年，他在普林斯頓高等研究院領導氣象學計劃 (Meteorology Project)，研究數值天氣預報並成功產出24小時區域天氣預報，開啟數值天氣預報的時代。系列文 Part 2，來介紹氣象學計劃以及 Charney 的貢獻，主要根據他和友人 George W. Platzman 的訪談 (Platzman, 1987)。Charney 的生平可參考系列文 Part 1：簡介。
▋氣象學計劃 (Meteorology Project)
二戰期間，美國陸軍資助賓州大學 (University of Pennsylvania) 設計和建造「電子數值積分計算機」(Electronic Numerical Integrator And Computer, ENIAC)。著名匈牙利裔美籍數學家與物理學家 John von Neumann 當時在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory) 研究氫彈，他注意到 ENIAC 的建置和潛力，隨後洛斯阿拉莫斯國家實驗室也深入參與了 ENIAC 設計建造過程，von Neumann 還提議了 ENIAC 第一個應用：氫彈爆炸過程的數值模擬 (Edwards, 2010, Chapter 6)。
在 ENIAC 建置期間，von Neumann 思考電腦還可以應用在哪些層面，他認為天氣預報是一個很好的應用，因為天氣預報有 (1) 重要的數學與科學研究價值，利用數值方法可以解決一些過去用解析數學方法無法解決的問題；(2) 重要的軍事價值，不僅能藉此吸引研究經費，也能讓美國對共產主義國家有嚇阻作用；(3) 能向一般大眾展現電腦運算的強大能力與重要性 。von Neumann 向當時知名氣象學家、芝加哥大學教授 Carl-Gustav Rossby 請教理論氣象學，Rossby 告訴他進行天氣模擬所需的理論基礎，整理當時已知的數學理論，並指出尚未解決的問題 (Edwards, 2010, Chapter 6)。
1946年1月——在 ENIAC 建造完成的一個月前——von Neumann 和美國無線電公司 (Radio Corporation of America) 的工程師 Vladimir Zworykin 跟美國氣象局、陸軍、海軍代表開了一個會議，提議建造新的電子計算機來進行天氣預報 (即數值天氣預報，numerical weather prediction)。各方代表都知道這還是紙上談兵的構想階段，但皆表示了強烈的興趣，也認為 von Neumann 和 Zworykin 的提議在實務上是可行的 (Shalett, 1946; Edwards, 2010, Chapter 6)。題外話，這個會議是非公開的，但會議隔天紐約時報記者 Sidney Shalett 就寫了一篇專欄報導，專欄的最後兩段還提到了天氣控制的可能性，例如用原子彈改變颶風路徑 (Shalett, 1946)。
von Neumann 規劃在美國普林斯頓高等研究院 (Institute for Advanced Study) 建造新的電子計算機和進行數值天氣預報的研究，並獲得院方支持。1946年5月——就在 von Neumann 和 Zworykin 與氣象局和軍方會議的短短幾個月後——高等研究院向美國海軍提出了初步構想計畫書 (原文收錄在Thompson, 1983, Appendix A)，清楚寫下這個研究計劃的目標：
「本計畫的目標是研究動力氣象學的理論，使其能夠應用於高速、電子化、數位化與自動化的計算。目前這類計算設備已經開始出現，未來很有可能變得普及。此外，這些研究預期也能指出未來還需要進行哪些進一步的觀測——包括實驗室觀測與野外觀測——使得由高速計算支援的理論工作能夠更充分地發揮效用。」(“The objective of the project is an investigation of the theory of dynamic meteorology in order to make it accessible to high speed, electronic, digital, automatic computing, of a type which is beginning to be available, and which is likely to be increasingly available in the future. It is also expected that these investigations will give indications as to what further observations are necessary—both of the laboratory type and of the field type—in order to make theoretical work, that is supported by such high speed computing, more fully effective.”) (Thompson, 1983, Appendix A)
計畫書也簡述了當時動力氣象學想探討的重要議題和為何電子計算機和數值計算是唯一解方 (計劃書第3點)，以及高速計算可以用來檢視、評估、和發展氣象理論 (計劃書第6點)：
「3. (a) 大氣行星尺度環流的機制與流場型態為何？這樣的環流是否能以某種緯向平均的方式加以定義，並假設具有緯向對稱性？換言之，是否可以忽略各大陸實際上不規則的分布——或者更確切地說，將這些不規則性透過平均加以處理？
(b) 對於 (a) 的問題，僅考慮對流層是否就能得到具有意義的結果？還是必須至少將低層平流層也納入討論？
(c) 如何分析極鋒，或更一般而言，大範圍鋒面的穩定性？
(d) 主要氣旋的形成機制與流場型態為何？對於它們的形成、發展過程以及穩定性，我們能夠得到哪些結論？
(e) 局地不穩定度的釋放機制，在細節上究竟如何運作？又如何對其進行定量描述？
……
上述問題在解析求解上會遭遇幾乎難以克服的困難。換言之，即使我們能夠確定，在眾多可能的數學與物理表述方式中，究竟哪一種最符合真實世界，其所對應的方程式仍然是非常困難的偏微分方程，甚至是積分—偏微分方程......試圖利用一般性的數學解析方法來解決這類問題，幾乎完全沒有希望。人們早已認識到，唯有數值計算方法，才有可能獲得真正具有資訊價值且明確具體的結果。
…..
然而，直到大約一個世代以前，數值計算的能力仍然非常有限。過去一個世代所出現的技術進步多少改變了這種情況，但改變並不算十分徹底。直到最近才出現的設備，包括能夠完全自動依序執行運算的純電氣式（繼電器式）計算機，甚至電子式計算機，則具有更為廣泛的潛力。然而，這些新設備尚未有足夠的機會，充分發揮其對整體計算能力所能帶來的影響。
基於這些原因，過去氣象理論的發展，很大程度上受到實際計算能力的限制，也就是受到當時所能使用的計算方法與計算設備的限制。因此，我們有必要清楚了解這些限制究竟是什麼。
…..
6. 由普林斯頓高等研究院的 John von Neumann 博士與芝加哥大學的 Carl-Gustaf Arvid Rossby 博士等人，針對當時氣象理論的發展現況進行仔細分析後指出：即使前述第 5 節所提到的計算設備能夠立即投入使用，我們也無法立刻有效地運用它們。......
事實上，這些新型計算設備所開啟的可能性是如此嶄新、甚至出乎意料，以至於當時的理論根本尚未做好準備。在過去，並沒有實際需求促使研究者在數學與解析層面上，進一步發展氣象理論中的某些部分；因為若要讓這些理論真正發揮作用，所需要的計算方法必須比當時認為可行的計算速度快上 1,000 到 100,000 倍！
因此，若要充分利用這些新型計算設備，全面重新檢視與評估氣象理論，是不可或缺的先決條件。」(Thompson, 1983, Appendix A)
計劃預估這些工作需要數年時間才有足夠進展跟成果，第一階段至少需要兩到三年，來建造一台全自動電子數位計算機，以及檢視與評估現有的氣象理論。計算機預計完全用於探索性與研究性的工作，例如發展新的數學近似方法與計算方法並加以測試，以及探索數學與物理領域的數值研究應用。計劃預計聘用 5 至 6 位優秀的年輕氣象學家組成團隊，在 von Neumann 的領導下重新檢視與評估氣象理論，氣象團隊與負責規劃建造計算機的團隊盡可能保持密切的合作。計劃也會邀請一批傑出的專家擔任顧問與諮詢人員，來吸引頂尖氣象學家的關注與合作，並獲得物理學家與工程師的協助 (計劃書第5、7-13點)。
計畫書送出後幾個月內就通過，由氣象局、海軍、和陸軍出資，1946年下半年，氣象學計劃 (Meteorology Project) 在普林斯頓高等研究院開啟。von Neumann 和 Rossby 試圖組織招募氣象學家研究團隊，但過程並不順利，部分原因是當時很少有氣象學家具備所需要的高等物理與數學訓練，還好 Rossby 成功說服了多位優秀的年輕氣象學家加入。由於 von Neumann 在戰後受到各方高度倚重，十分忙碌，無法投入太多時間在氣象學計劃，年輕氣象學家們似乎也沒有人具備足以推動這個計劃向前發展的領導能力。於是，整個研究工作逐漸分散成一個個規模較小的個人研究計畫，彼此之間缺乏明確的整合與連貫性 (Edwards, 2010, Chapter 6)。
氣象學計劃的轉捩點出現在 1948 年年中，當 Jule Charney 接掌了這項計畫。
John von Neumann (右二) 跟其他三人談話，拍攝時間不明，地點似乎位於普林斯頓高等研究院。圖片來源：MIT Museum，https://mitmuseum.mit.edu/collections/object/GCP-00004636
▋Charney 加入氣象學計劃
1946年，Charney 從加州大學洛杉磯分校 (University of California, Los Angeles, UCLA) 取得氣象學博士後，準備去挪威訪學一年，路上拜訪了芝加哥大學的 Rossby。Rossby 正在和 von Neumann 規劃辦一個氣象學計劃的討論會議，邀請 Charney 在芝加哥多留一段時間並參加這個會議，成功說服他延後去挪威的訪學 (Platzman 1987, p61; p82)。
1946年8月，這個日後相當有名的會議在高等研究院舉辦，與會者包括當時美國最傑出的動力氣象學家、美國氣象機構的重要官員，以及可能提供研究經費之機構的代表：J. von Neumann、C.-G. Rossby、H. Wexler、J. Jaw、B. Haurwitz、V. P. Starr、R. B. Montgomery、H. C. Willett、A. Cahn Jr.、H. Panofsky、G. A. Hunt、J. E. Miller、C. L. Pekeris、J. Namias、W. M. Elsasser、J. Charney、Lt. Cmdr. D. F. Rex，以及 R. Elliot (Thompson, 1983)。
氣象學計劃的成員 Philip Thompson 認為，這個會議把促成計畫能成功的所有關鍵要素匯聚在一起：一個定義明確的問題、解決問題所需的技術手段、具備適當能力的人員、經費與其他必要的支援，以及最終能夠組織並推動整體工作的制度與機構架構。在爭取相關支持方面，Harry Wexler、Francis Reichelderfer、以及 Earl Droessler 尤其發揮了重要的影響力 (Thompson, 1983)。
Charney 對這個會議印象十分深刻，也很感謝 Rossby 邀請當時還沒什麼名氣的他來參加這個會議。據 Charney 回憶，會議一開始 von Neumann 便指出了一些 Courant–Friedrichs–Lewy（CFL）條件有關的困難之處，但 Rossby 特別強調，數值天氣預報不只是一個數學問題，而是一個物理問題；因此，無論最後組成什麼樣的研究團隊，都必須著手研究其中的物理。為了闡明他的論點，他寫下了紊流 Navier–Stokes 方程式，並指出當時還不知道紊流應力張量（turbulent stress tensor）中的各個分量。von Neumann 完全能夠接受 Rossby 的觀點，因為他除了數學之外，對物理學也有非常深厚的理解 (Platzman 1987, p83-84)。
會議中也討論了使用原始方程組 (Primitive Equations) 來進行數值天氣預報，雖然 Charney 懷疑原始方程組可能並不適合，但他當時還不確定問題會出在哪裡，也不知道什麼樣的方程組才合適，而且身在一群德高望重的學者之中，他也不大敢提出自己的懷疑。他倒是在會議中問了一個問題：如果我們知道大氣中某一高度層的運動如何隨時間變化，那麼我們能在多大程度上由此推論其他高度層的運動？(Platzman 1987, p84-85; p68-74)。
Charney 在這個會議中對 von Neumann 留下了極為深刻的印象，甚至可以說是感到震撼。他也開始思考數值天氣預報的問題，他深信如果要從物理的角度來進行天氣預報，唯一可行的方法，就是以某種形式對運動方程式進行積分求解。真正令人興奮的是，現在終於出現了實現這件事的可能性，也十分確定自己想來高等研究院工作。von Neumann 也問 Charney 有沒有興趣加入氣象學計劃，Charney 回答說他非常有興趣，但因為之後要去挪威訪學，等結束之後，他有興趣加入高等研究院 (Platzman 1987, p84-85; p88)。
Charney 後來在芝加哥大學做了一年研究再去挪威訪學，他在訪學期間提出了非常重要的準地轉理論 (quasi-geostrophic theory)。他越來越確信天氣預報是一個計算問題，也找到了比原始方程組更合適的數學方程組，也知道該怎麼解這個方程組，但需要一台快速的電子計算機和幾位懂數學的氣象學家一同協助 (Platzman 1987, Appendix C; p81-82)。他跟氣象學計劃的成員兼好友 Philip Thompson 打聽去高等研究院工作的可能性 (Platzman 1987, Appendix C)，Thompson 向 von Neumann 大力推薦，並保證很難找到比 Charney 更兼具數學能力與物理洞察力的人。Charney 訪學結束前收到 von Neumann 和 Wexler 的邀請加入高等研究院，並擔任一個小型團隊的領導者，帶領團隊從物理與數學的角度設計並建立具體的數值實驗 (Thompson, 1983)。Charney 接受了高等研究院的邀請，因為他覺得高等研究院是當時最有趣的地方，能進行他最想做的數值天氣預報研究，他也婉拒了其他工作機會，其中包括一個在 UCLA 的職缺 (Platzman 1987, Appendix C; p81-82)。
1948年春天，結束挪威訪學的 Charney 來到高等研究院，開始進行數值天氣預報的研究。
▋Charney 在氣象學計劃的工作
Charney 決定用準地轉方程組 (quasi-geostrophic equations) 來進行數值天氣預報，而不是原始方程組 (Primitive Equations)。因為原始方程組允許高頻的聲波和重力波存在，初始場的小小偏差就可能讓模式爆掉，產生不合理的氣壓趨勢。準地轉方程組把複雜的動量方程簡化到一個氣壓方程，聲波和重力波不會存在，使得數值積分變得相對穩定 (Platzman 1987, p69-71; p152; )。
然而，氣象學計劃的新電腦建置進度不如預期，von Neumann 沒有耐心等新電腦建好之後才開始做數值天氣預報 (事實上，新電腦要等到1952年才建置完成)，他開始考慮在 ENIAC 上先進行初步計算。但是，ENIAC 的記憶體容量很小，跑不動準地轉方程組，Charney 和團隊決定以更簡化的二維正壓無輻散渦度模式 (a two-dimensional, barotropic nondivergent vorticity model，部分受 Norman Phillips 啟發) 進行數值天氣預報，並開始把方程式寫成程式語言。von Neumann 還發展了一套專門的傅立葉轉換方法 (Fourier transform method)，來求解 Poisson equations (Platzman 1987, p90-94; p100-104)。
1950年，團隊成功用二維正壓無輻散渦度模式，用ENIAC產出了一個24小時的區域天氣預報 (Charney, Fjortoft, and von Neumann, 1950)，模擬結果顯示跟現實接近的環流特徵。Charney 說這證明了即使只是對二維渦度方程進行積分，也能得到相當合理的預報結果，他們開始覺得終於走上了正確的道路 (Platzman 1987, p108)。因為正壓模式無法預報旋生過程 (cyclogenesis)，Charney和團隊發展斜壓模式 (baroclinic model)，並用三層斜壓模式成功模擬出1950年感恩節的在美國東北部的強烈氣旋事件，進一步證明數值天氣預報的潛力 (Platzman 1987, p103-105)。
在數值天氣預報的研究過程，團隊遇到新的問題並試圖解決。例如，他們進行理想化的噴射氣流不穩定（jet instability）數值實驗時，發現即使計算出來的流場（stream field）仍然相當規則，但渦度場逐漸形成細長、強烈、且容易彎曲變形的長條狀結構 (Charney把這個現象稱為“noodling” 麵條化)，顯示渦度擬能（enstrophy）持續向較小尺度轉移。Charney 認為必須解決這個問題，受到震波數學處理方法的啟發，他嘗試加入一個非線性黏滯項（nonlinear viscosity），其大小與變形張量（deformation tensor）的平方成正比，以抑制小尺度的不穩定，後來他發現更簡單的線性黏滯項（linear viscosity）也幾乎同樣有效。但是加入黏滯項後長時間積分後會產生不合理的動量傳輸，他之後認為濾波方法（filtering techniques）說不定是更好的解法 (Platzman 1987, p115-117) 。
雖然數值天氣預報取得初步成功，但也招致一些反對和批評。例如麻省理工學院數學系教授 Norbert Wiener 和一些科學家認為大氣從本質上是不可預測的——這個概念後來由 Edward Lorenz 以數學方式進一步闡明——但是 von Neumann 和 Charney 卻把天氣預報視為完全決定性（strictly deterministic）的問題，這個觀點會誤導整個世界，Wiener 認為 von Neumann 和 Charney 簡直就像「騙子 (gonifs)」。Charney 說當時他對數值天氣預報十分樂觀，也同意 Wiener 的一些論點，但他跟 von Neumann 有相同的觀點：電腦應該被當作一種實驗工具（experimental device），用來增進我們對大氣物理的理解，並為未來的物理研究指出方向 (Platzman 1987, p110-111)。
照片：參與 ENIAC 計劃的部分人員與訪客，(由左至右) Harry Wexler, John von Neumann, M. H. Frankel, Jerome Namias, John Freeman, Ragnar Fjörtoft, Francis Reichelderfer and Jule Charney。照片攝於1950 年，在首次成功完成數值天氣預報之後不久，地點位於美國陸軍在馬里蘭州亞伯丁試驗場（Aberdeen Proving Ground）設施的 ENIAC 電腦旁。
圖片來源：MIT Museum，https://mitmuseum.mit.edu/collections/object/GCP-00004627
▋氣象學計劃終止，Charney 離開高等研究院
雖然氣象學計劃取得重大的成功，高等研究院有不少數學家對此非常不以為然，他們認為 von Neumann 不該把時間心力花在電腦以及氣象問題這類世俗的東西 (mundane occupations)，而應該發揮他的數學長材，全力投入在遠比其他工作更加重要的數學領域上。甚之，高等研究院內部有些人認為不應該進行任何實驗研究。Charney 覺得因為 von Neumann 跟研究院內的一些人——尤其是部分數學家——在學術理念上難以互相認同，造成 von Neumann 於1955年離開高等研究院加入美國原子能委員會 (U.S. Atomic Energy Commission)，雖然他仍保有高等研究院的職位 (Platzman 1987, p95-96)。
von Neumann 離開後，雖然高等研究院院長 J. Robert Oppenheimer 積極試圖留下 Charney，說 Charney 有 50% 的機會成為長聘教授，但 Charney 還是選擇離開，去麻省理工學院任教，因為他「不希望待在一個有許多人——尤其是其中一些具有主導影響力的人物——完全不認同我所從事研究工作的機構裡 (“I didn't want to be in a . . . in an institution where, um, a number of the people, a number of the dominant personalities there, felt . . . were totally out of sympathy with what I would be doing.”)」 (Platzman 1987, p95-96)。 當 Charney 離開後，高等研究院的氣象學計劃也終止了，並把電腦移交給普林斯頓大學。
▋參考資料
Edwards, Paul N. (2010). A Vast Machine : Computer Models, Climate Data, and the Politics of Global Warming, MIT Press. ProQuest Ebook Central link
Thompson, P. D. (1983): A History of Numerical Weather Prediction in the United States. Bull Am Meteorol Soc, 64, 755–769, https://doi.org/10.1175/1520-0477(1983)064<0730:AHOPIA>2.0.CO;2.
Platzman, G. W. (1987). Conversations with Jule Charney (NCAR/TN-288+PROC). National Center for Atmospheric Research. https://opensky.ucar.edu/islandora/object/technotes%3A410
Shalett, Sidney (1946). “Electronics to Aid Weather Figuring,” New York Times, 11 January 1946, https://www.nytimes.com/1946/01/11/archives/electronics-to-aid-weather-figuring-scientists-tell-weather-bureau.html