“气象设计模型”：气象设计学体系的核心概念研究——中国当代设计学理论体系建构研究系列

邹其昌，陈征洋

同济大学设计创意学院，上海200092

2022 年华为盘古气象大模型（Pangu-Weather）横空出世，成为了世界上首个在中长期气象预报的精度上超越传统基于物理方程的数值预报系统的AI 气象模型[1]，在预报速度上提升了1 万倍以上[2]。审阅其论文的《自然》审稿人Ebert-Uphoff从“设计”的角度对这个AI气象模型作出了以下评价：

我们小组选择了一个经过训练的模型，24小时预测模型，我可以确认它很容易下载并运行。我们只花了一个下午就把它复现了出来，甚至只需要一台台式电脑，它也能运行得很快。这意味着气象学社群的任何人，现在都可以随心所欲地运行和测试这些模型。对于社群来说，这是一个探索模型如何预测特定气象现象的好机会。[3]

由此可以看到，建立一个气象模型，不仅是一个科学问题（与观测值的拟合程度），一个技术或工程问题（预报的效率），还是一个设计问题（可及性和易用性）。气象模型的设计，不仅需要用自然的尺度来衡量、用机器的尺度来衡量，还需要用人的尺度来衡量。欧洲气象中心的官员也从预报能耗的角度指出，如果传统数值模型的预报能耗是“大象”的量级，那么盘古AI 气象模型的能耗只有“蚂蚁”的量级[4]，这意味着随着AI气象模型的发展，世界上许多不发达地区只要有一台低功率的电脑，甚至不用联网都能享受高质量的气象服务。

本文将气象模型置于气象设计学的框架下进行考察。气象设计学不仅关注气象模型的内部——数据关系、物理定律、机器结构，还关注气象模型的外部——人。气象设计是指人类如何认识气象实体及其规律，如何遵循气象规律、利用气象资源建构人工世界（人类社会），如何创造气象的意义与价值的设计活动或成果。气象设计学是对人类的气象设计活动进行整体性、全局性、系统性研究的设计知识体系，它属于当代设计理论体系三大板块中的整合板块——社会设计学体系板块。气象设计学的理论体系研究既是贯彻落实气象高质量发展的首要步骤，也是建构当代设计理论体系的重要步骤。

气象设计学可以划分为三大板块：

1）气象设计的自然物系统，对应的是与人类在设计中对于气象实体及其规律的认知，应对的是自然世界与气象设计的关系问题；

2）气象设计的人工物系统，对应的是人类遵循气象规律、利用气象资源建构出来的各种人工物，应对的是人工世界与气象设计的关系问题；

3）气象设计的心灵物系统，对应的是人类在设计中创造气象的意义与价值，应对的是心灵世界与气象设计的关系问题。

气象设计学的三大板块体现了气象设计学理论体系建构的层层递进逻辑——人类首先认识气象，然后改造与利用气象来建构人工世界，解决人的生存性问题，最后在人的心灵世界中营造气象体验，赋予气象以幸福的意义与价值，解决人的生命性问题，最终导向一个真实世界中的“活人”[5]或“活性”气象设计理论体系。换句话说，即气象设计的自然系统是人工系统的基础与前提，人工系统是心灵系统的基础与前提。

根据气象设计学的三大板块，可以将现代的气象设计划分为层层递进的四大领域：

1）气象设计的科学系统：认知气象实体，探索气象规律的设计体系。

2）气象设计的技术（工程）系统：利用气象资源，应对气象挑战的设计体系。

3）气象设计的社会（产业）系统：提供气象服务，建构气象社会的设计体系。

4）气象设计的艺术系统：创造气象意义的设计体系。

气象设计模型是一种从多到一，从经验到理论，从形态到结构的气象设计方式。气象模型设计是一种特殊的气象设计模型，它是关于气象本身认知模式的设计。任何气象设计首先建立在人类对大气现象的认知之上，人类对气象的认知水平决定了气象设计其他方面的水平，气象模型设计问题是气象设计模型的首要问题。气象设计科学从本质上来看是关于气象模型设计的知识系统。华为盘古气象大模型，开启了气象模型设计的新时代——气象模型由人类设计模型走向机器设计模型。认识AI时代的气象机器模型设计，有必要对气象模型变成机器“黑箱”[6]之前的气象人类模型设计的发展脉络进行梳理。

一、气象模型设计概论

从词源上来看，模型的英文model，源自拉丁语（modulus），意思是“建筑师的规划；设计，制作；三维的图案或形状；范本，样式”或者“方法，标准，模式”[7]。段玉裁《说文解字注》：

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。以木爲之曰模，以竹曰笵，以土曰型。引申之爲典型。[8]688

在西方，模型的范畴发源于建筑或雕塑模型，后来才引申为标准、样式、模特的含义[9]，例如福特的汽车型号“Model T”，最早的具有工程设计意义的建筑（雕塑）模型可能出现在古埃及，这些模型可能用于古埃及城市、陵园、别墅、神庙等大型建筑工程的规划设计，是古埃及建筑师向他的客户（贵族、皇室）展示设计效果的三维图纸，后来传入古希腊和古罗马，成为西方建筑技术体系的一部分，不少文艺复兴时期的意大利建筑（例如罗马圣彼得大教堂[10]）的模型保留至今。在中国，模型的范畴发源自青铜器的铸造，“模”和“型”就是铸造青铜器的法器（模具），模具是青铜器定型的关键，模具的精度决定了铸造成品的精度。商代已经出现了大型的铸造工场[11]。除此以外，先秦时期还出现了泥范、木范、石范、铜范、铁范、蜡模（熔模）等[11]，其中基于蜡模的铸造精度是最高的[12]。

模型是人类设计出来的用来模仿、复制、解释、表达现实的工具，现实中如果难以把握事物的主要特征，通常就可以用模型来展示出来，例如青铜器的模具就可以理解为青铜器造型的表达。模型和原型是一对范畴。原型是模型在现实中模仿复制的对象，而模型则可以是原型的抽象化、简化、理想化。模型通常并不包含原型的所有特征，而是包括了模型设计者对原型已知或所需的主要特征，例如建筑模型在结构上通常是等比例缩小的实物，但在材料上并不需要与实物保持一致。模型划分见表1。

表1 模型的6种分类

总而言之，人类的设计活动离不开模型。从词源上来看，模型发源自人类的设计活动。模型是人类抽象思维活动的结果，具有一定的结构、形式与功能，它不存在于自然界，只存在于人工世界和心灵世界。一切设计活动都包含模型设计。从过程上来看，设计本质上是将人类大脑中的设想表达为模型，再根据模型制作为成品的活动。

模型既可以是设计中途的环节（例如零件图、装配图等），又可以是设计的结果（例如气象AI 大模型）。它既可以指涉模型设计的外在形式（例如虚拟空间中表现为可交互的3D 物体形式的动画模型），又可以指涉模型设计的内在结构（例如在虚拟空间中生成3D物体的模型算法）。

模型设计包括内部设计和外部设计两个层面。模型的内部设计是模型自身结构与形态（通常表达为符号间的逻辑关系）的设计，例如气象方程的选择就是数字预报模型的内部设计；气象理论的选择（如气团理论）是天气地图模型的内部设计。模型的外部设计是指模型推理、生成、计算、表达、传播所依赖的各种物质条件（例如工具、仪器、媒介、平台等）的设计，例如电报通讯系统是天气地图模型得以绘制出来的外部设计；气象大模型的设计也包括一个人能够下载、安装、使用的交互系统的设计。

气象模型是人类用来模拟、解释、预测大气现象的经验方式（实际上就是一种“气象设计”方式，即气象设计模型方式），它的原型就是自然世界中的气象实体。科学与机器分别是研究气象模型设计发展与变迁的重要内部与外部线索。根据模型设计是否基于科学方法（数理逻辑推演、量化实验或观测实证、表述可证伪等），气象模型设计可以划分为前科学的气象模型设计和科学的气象模型设计，简称前科学模型和科学模型。根据模型设计的主体类型，气象模型设计可以划分为人类气象模型设计和机器气象模型设计。

无论模型是否建立在科学之上，无论机器是否参与模型的计算或生成，模型都是一种设计的产物。在AI 时代，人工智能也有可能成为一种新型设计师[15]。气象模型设计发展的节点大致与人类设计的发展节点重合——手艺设计时代的气象模型设计是前科学的人类气象模型设计，在工业革命后的机械设计时代，气象模型设计进入了崇尚数学方法和物理定律的科学时代，在数字革命后的数字设计时代，特别是21 世纪的AI黎明时代，气象模型设计进入了机器学习与生成气象模型的时代。

本文拟在气象模型的内部设计与外部设计不断互动中演化的设计理论框架下，对手艺设计时代和机械设计时代的人类气象模型设计的发展脉络进行梳理与探索，为人们展望与审视数字设计时代的气象模型设计奠定基础。

二、手艺设计时代的气象模型设计

气象模型设计史就是一部人类对大气现象的认知史。手艺设计时代是工业革命之前人类主要依赖人、畜力进行创造的时代，它是气象模型设计的前科学时代——气象实体在人类眼中并不是个纯粹自然性的对象。手艺设计时代的气象模型设计主要包括两条发展脉络。

（一）平民阶层的气象模型设计

平民阶层的气象模型（简称民间气象模型）是劳动人民在生产生活中对于大气现象的经验总结，主要包括气象农业模型、气象航海模型、气象习俗模型。这类模型可以追溯到人类文明的源头，例如先秦《诗经》里面有记载各种天气模型：

朝隮于西，崇朝其雨。（如果朝虹出现在西方，那么早上就会下雨。）[16]

天将阴雨，鹳鸣于至。（天要下雨的时候，就能听到鹳的鸣叫。）[16]399

古希腊赫西俄德的《工作与时日》里面也有记载各种天气模型：

你要注意来自云层上的鹤的叫声，它每年都在固定的时候鸣叫。它的叫声预示耕田季节和多雨冬季的来临，它使没有耕牛的农夫心急如焚。[17]

当令人厌倦的炎热季节渐渐结束时，太阳回归后五十天，是人类航海的最佳季节……那时，和风轻拂，大海无害于航行。你尽管放心地相信风神，把快船下到大海里，并把你所有的货物装到船上去，无需顾忌。但是，你要尽快返家，不要等到新鲜葡萄酒上市，秋雨季节以及南风神的可怕风暴的来临。这时伴随着宙斯的滂沱秋雨而来的南风搅动着海面，带来极大的危险。[17]20

中国、古希腊以外，农业社会中经济发达的文明或地区都对气象经验模型进行了不同程度的总结，见表2。

表2 中国、古希腊以外地区的记载民间气象模型的著作

农业社会中较具系统化的实用气象经验模型是中国的“二十四节气”气象-农业模型，但它并不单纯由平民阶层设计，贵族阶层也对“节气”模型做出了巨大贡献。

平民阶层的气象模型设计有以下几个特点。

1）它们与生产生活紧密相连，具有高度的实用价值。它们通常是出于农业生产、交通便利、生活指南等实际目的，在长时间的经验积累上设计出来的。

2）从内部设计来看，它们主要是寻找大气现象与其他具体自然现象（含大气现象）间的形而下的对应模式，并不致力于探索气象的形而上的本质，从大气现象A 到其他现象B 并没有逻辑推理，停留于感性的经验知识，理论和抽象化程度不高，并且经常融入主观性色彩，例如用神灵来解释气象成因。

3）从外部设计来看，它们主要以口耳相传的诗歌、谚语等韵文呈现与传播。韵文是一种音乐性文体，它不仅会给人带来美感，而且朗朗上口，符合人的认知规律，便于记忆。这些口头性的气象模型也会受到精英阶层的关注，前文列举的各种著作都是当时的社会精英对劳动人民总结的气象模型的梳理、总结与改编。中国元代娄元礼的《田家五行》是少数几部对气象谚语这类民间气象模型进行系统性分类与梳理的专著[18]。在西方15世纪谷登堡发明活字印刷术后，历书（Almanack）的大量印刷让民间的气象模型走向书面化时代[19]。

总而言之，民间或平民阶层的气象模型设计通常无需理论造诣与复杂计算，基于肉眼观测即可完成。它们的口语化与音乐化能让其在高文盲率的农业社会中得到迅速与广泛的传播、应用。这种设计与使用的低门槛性与民间气象模型的实用性导向是相一致的。

（二）贵族阶层的气象模型设计

贵族阶层的气象模型（简称精英气象模型）是社会中的精英阶层描绘的气象图景。精英阶层又称有闲阶级，他们是农业革命后，人类社会中大量的粮食剩余供养的，不用从事劳役工作的特权阶层。正是由于无需从事繁忙的劳动生产，精英阶层就能开展文学、艺术、学术等就眼下看来相对“无用”的工作[20]，思考“无用”的哲学问题，贵族阶层也能设计一些“无用”的气象模型。精英气象模型主要包括气象哲学模型（例如“气”）、气象医学模型（例如“风寒”）、气象社会模型（例如“节气”）等。

1）气象哲学模型是纯粹出于求真目的而设计出来的模型，其旨在求真上，哲学与科学是共通的，因此后世的气象科学模型是气象哲学模型的直接继承者。气象-哲学模型主要流行于西方，以古希腊为源头，见表3。中国也建立有许多气象哲学模型，例如气、五行、风角、风水等，但它们通常自成体系——主要是从易学体系发展而来的占候（相术）体系，世俗化程度较高，因此需要另作讨论。

表3 手艺设计时代各文明或地区的气象哲学模型

2）气象医学模型出于医疗目的而设计出来的气象模型，是相对实用的精英气象模型。古希腊的希波克拉底《气候水土论》（On Airs，Waters and Places）较早建立了气象人类模型。古罗马的盖伦（Galen）继承了亚里士多德的“干湿冷暖”四性论和希波拉底的人体气候水土论，提出了“三气（普纽玛）”的灵魂理论[21]。脱胎自气象模型的“气”在中国也是一个重要医学模型，早在先秦的《黄帝内经》中，中国人就已经建立起了用于医疗的气象人体模型[22]。正如“风寒”“风邪”[23]，先人已经认识到人体与气象是一个统一的连续体。

3）气象社会模型是出于社会治理目的而设计出来的气象模型，例如朝鲜在世宗和文宗时期建立了降雨量与税收的关系模型，东亚已知最早的标准化雨量计“锦营测雨器”就是建立在这个气象社会模型的基础上的，它被用作一种衡量收成，制定赋税的官方工具[24]。它在传统中国及其周边地区是最具体系的气象模型——从礼学体系发展而来的节令体系。节气是一个基于农业周期的时序系统，发源自远古的冬至祭祀[25]，是从物候历发展而来指导农业生产的天文历，它是基于农业生产对“天道”的总结，是中国古代少数涉及计算的气象模型系统。自然界并不存在节气，正如钟表上24时60分60 秒的刻度系统，它是一个设计出来的人工系统。“节气”建立在顺应“天道”的模型之上，体现了一种规划未来的模型：首先“节气”是以日照与气候的周期性变化为前提，春去秋来，寒来暑往的气候运动是循环往复，未来可期的；其次，在“节气”规律性运动，可以预测的基础上，古人建立了“时令”系统，即根据时节规划人事的系统[26]，节气系统与时令系统通常合称为“节令”系统。在东亚温带地区的农业社会里，统治阶级的合法性来自天道，他们通过礼制确立自身的特权，故属于人类社会的礼制要遵循自然世界中的天道，故节令属于礼制系统，较早记载于先秦的《礼记》之中，是颇具代表性的气象社会模型。

贵族阶层的气象模型设计有以下几个特点。

1）由于社会阶层、生活方式与平民不同，他们对于气象模型设计的关注点不同。贵族阶层主要从学术（自然哲学、神学、礼学、易学等）、医疗、军事、社会治理等精英阶层的活动或意识形态出发设计气象模型。

2）精英气象模型设计与民间气象模型相比具有抽象与理论化程度高的高门槛特点，有时候还采用计算或仪器的手段来建构气象模型。气象科学模型设计的关键要素——仪器观测发源自精英气象模型。由于农业社会中，天道（包括表达为气象模型的气象规律在内）是统治阶级特权的来源，有时候出于政治目的，精英阶层甚至会刻意提高气象模型的设计与使用门槛[27]。

3）西方的精英气象模型设计沿着古希腊的自然哲学的脉络发展，信仰色彩浓厚，以气象哲学模型为特色。以中国为代表的东方的精英气象模型设计，沿着先秦的易学和礼学两条脉络发展[28]，分别建立了占候模型体系和节令模型体系，世俗色彩浓厚，以气象社会模型为特色。

三、机械设计时代的气象模型设计

机械设计时代是工业革命后，人类主要依赖机械力与化石能源进行创造活动的时代。在这个历史阶段，机器成为了气象模型设计的主要手段，科学成为了气象模型设计的主要意识形态，其他类型的气象模型退居幕后，气象模型成为了气象科学模型的缩写，气象实体在人类眼中成为了纯粹自然性的对象。故机械设计时代的气象模型设计[29]主要可以划分为两条科学模型的设计路线：经验主义模型设计与理性主义模型设计。

经验主义和理性主义原本是关于知识本原的一对辩证统一的哲学模型。经验主义认为真理存在于人类外在的经验世界，理性主义认为真理存在于人类内在的理念世界。

作为哲学继承人的科学，分别从经验主义和理性主义中发展出了实验研究路径和理论研究路径。工业革命后，气象的经验主义模型主要是建立在观测实验上的气候学模型，理性主义模型主要是建立在物理定律上的动力气象学模型。

1.经验主义的气象模型设计

气象科学的经验主义模型设计首先与仪器的发展密不可分。早在文艺复兴时期，阿尔伯蒂（Leon Battista Alberti）发明了压板风速仪，记载于阿尔伯蒂的《建筑论》De Re Aedificatoria 中。尼各老（Nicholas of Cusa）发明了发丝湿度计，记载于达芬奇的《手写本图册》（Codex Atlanticus）中。伽利略在16 世纪末制作了已知最早的温度计。托里切利于1643 年制作了最早的气压计。仪器设计本身包含了气象要素的模型设计，推动气象模型由定性模型走向定量模型，随着18世纪法勒海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）和摄尔修斯（Anders Celsius）等工匠或科学家建立了标准化的气象仪器测量体系，可用于建模的有效气象数据开始得到积累。

气象的经验主义模型是在对有效气象数据的分析中建立的模型。在工业革命前后，人类设计了大量用来计算与分析气象数据的工具，这些工具也可以视作一种气象模型，它们大多数都带有可视化的特点，见表4。

表4 工业革命前后出现的可视化经验主义气象模型设计

在大量气象数据的计算、统计、分析中，大规模、大范围的经验主义气象模型——全球气候模型建立了起来，其里程碑是柯本（Wladimir Koppen）从1884年提出开始，一直修订到1931年的气候带分类模型。

工业革命中，长途有线或无线即时通信与气象预报模型的结合，给经验主义模型带来了革命性的影响。电报让各地采集到的气象数据以光的速度传播，无线电则让高空气象观测和海洋气象观测成为了可能。气象局的预报员汇总来自一百多个地点的天气电报，构建多种类型的可视化天气模型，统称为每日天气地图Daily Weather Map，天气地图开辟了宏观天气模型Synoptic Method的设计路径——19世纪50年代，英国的James Glaisher 和美国的Joseph Henry 开始尝试利用电报绘制天气地图。1863年，法国国家气象服务开始发表每日天气地图，随后是美国从1871年开始提供这项服务。其后的6 年间，每日天气地图开始在欧洲普及。1918 年以比耶克内斯（Vilhelm Bjerknes）为首的挪威卑尔根学派设计了一套体系化、高层次地描述大气运动的模型——冷锋、暖锋、阻塞锋、极地锋、辐合线和气团，这套既不基于物理定律，也不依赖计算短期天气预报模型被称作气团分析法（air-mass analysis），成为了经验主义的气象模型设计的高峰。

2.理性主义的气象模型设计

理性主义模型是气象模型设计这顶皇冠上的明珠，它是一种基于物理定律的数学模型。理性主义气象模型设计可以追溯到亚里士多德的《气象汇论》，哈雷采用力学解释信风，它成为气象模型设计的主流，则要到工业革命之后。

研究理性主义气象模型设计的学科叫动力气象学。1917 年埃克斯纳（Felix Exner）对19 世纪的动力气象学理论进行了系统性总结，出版了《动力气象学》（Dynamische Meteorologie），标志着得到了学界的公认。同年，比耶克内斯在挪威卑尔根建立了地球物理研究所，他针对大气的七个变量建立了7个方程，提出了现代气象学中最基础的通用大气模型——一切大气现象（除去光学、化学、电磁学现象）都可以用空气在三个方向上的速度、温度、压强、密度、水分的数量关系来描述。

气象科学模型设计的核心在于模型对于其真实世界中对应的气象实体的解释性，这种解释性也包括预测性——对未来状况的解释。早期的理性主义气象模型在预测性上遭遇了挫折，问题并不出自模型的内部设计上，而主要在于外部设计上。1922 年理查德森（Lewis Fry Richardson）改进了比耶克内斯的七变量通用模型，在巴黎进行了一次计算6 小时后的大气状况的数值预报实验，这次实验以失败而告终——计算值与测量值偏差过大。失败的原因主要在两个方面。

1）理查德森简化了模型。例如理查德森将比耶克内斯原模型中的导数都替换成了有限差分之比。他将巴黎大气分割为网格模型，假定网格内部的大气状态和运动都是均一的，网格数目越多，观测的精度越高，反之就越低。这些简化导致了实验中的计算和测量都存在不可消除的固定误差。

2）仪器本身的问题，实验中观测到的大气初始值和结束值都存在较大的仪器误差。部分变量甚至尚没有成熟的观测手段，例如空气中的水分及高层网格中的各种变量。理查德森只能选择特殊的时间（国际气球日），设计临时仪器（测量云中含水量的对比光度计）进行观测。可见当时的观测条件十分苛刻。

理查德森将他的实验总结为专著《基于数值处理的天气预报》（Weather Prediction by Numerical Process），率先提出了数值预报的概念。历史证明理查德森的模型设计路径是正确的，数值预报模型成为了20 世纪最主要的气象预报方法。然而比耶克内斯和理查德森的数值模型沉寂了将近30 年。这就是由于理性主义气象模型设计的核心矛盾是位于外部的算力与计算量的矛盾——复杂的大气运动意味着复杂的数学物理模型，越精准的预测模型要求的计算量越高，越高的计算量意味着更长的计算时间，假如计算出6小时后的天气状况，需要花上6周时间，那么这个预报模型本身就失去了意义。如果靠简化模型的手段来调和这个矛盾，就会牺牲模型的解释性。

因此，在理查德森之后，理性主义气象模型主要可以划分为两条设计路径。

1）模型内部（算法）优化，例如比耶克内斯设计的图形化算法，即把数学分析转化为几何问题。

2）模型外部提升算力，例如设计使用各种计算工具（列线图、计算尺等）和计算机器（打孔卡片机、微分分析仪等）。

工业革命末期，数字革命的前夕，电子计算机与气象模型协同发展，相互产生了革命性影响。一方面气象科学模型设计中庞大的算力需求，成为电子计算机的设计研发契机；另一方面，电子计算机为气象科学模型预测未来提供了足够算力，让理性主义的气象模型不再是一个浮在空中的精美模型。

电子计算机之父莫奇利（John Mauchly），早期是一名探索太阳活动与地球大气运动间关系，对天气循环模型抱有极大兴趣的学者。莫奇利想通过分析数据来证明天气存在和太阳一样的27天周期，由于他对现有的商用模拟计算机的计算效率不满意，他于1940年左右研发了一台模拟计算机——电动谐波分析仪，这台机器将谐波系数的计算效率提高了5～10 倍。莫奇利于1941年放弃了改进谐波分析仪的计划，而转向研发精度更高的数字化电子计算机器。约翰·埃克特（J.Presper Eckert）和约翰·莫奇利（John Mauchly）一同研发了ENIAC（1946 年）、EDVAC（1949 年）、BINAC（1949 年）、UNIVAC（1951 年）。莫奇利把他主要的智慧、时间与精力用在了设计机械式的模拟计算机与电子式的数字计算机上，但是气象学或气象数据的处理需求，却是将他推向计算机的原因。

和莫奇利研发计算机差不多相同时间，冯诺依曼于1946 年开启了气象计划。冯诺依曼是计算机计划（ENIAC 的设计研发）的顾问[30]，他的计算机兴趣发源自风洞实验（流体力学研究）落脚于数值气象预报——两者采用类似的数学物理模型，两者模型的求解都要消耗巨大的算力，有赖于新式的电子计算机，两者一旦成功都能成为计算机这一崭新事物的宣传，争取后续的研发资金，但更为大众熟知的后者则更具宣传效应，于是冯·诺依曼决定用电子计算机来求解当年理查德森遭遇挫折的通用大气模型。冯·诺依曼在普林斯顿的气象计划团队基于线性化的一维气象模型，使用ENIAC 进行了第一次预报。ENIAC 花了24 小时预报了从计算开始算起24小时后的气象，预报速度首次赶上了天气变化的速度，并且计算值基本符合观测值，冯·诺伊曼指出：“（手工）要复制ENIAC的计算，需要5年的时间。”理性主义气象模型终于成为了一个真实的模型。由于计算量的矛盾不复存在，气象计划团队在后续的数值预报中不断增加气象模型的复杂程度，例如用非线性的二维模型取代线性的一维模型，用考虑了高空大气的斜压模型Baroclinic Model 取代只考虑低空大气的正压模型Barotropic Model，增加大气层网格模型的层数等。冯·诺伊曼的气象计划让人们对30多年前的气象的数学物理模型设计路径重拾信心，当时没有人能想到，基于电子计算机的理性主义模型成为了气象预报模型的主流，在1957年左右就在欧美地区普及了。

总而言之，机械设计时代的气象模型设计有以下几个特点。

1）气象模型设计的理论可能会远远超前于实践，内部设计受外部设计的制约较大，先进的模型设计理念会因外部条件的限制而埋没。气象模型设计的进步是理论与实践，内部与外部的统一发展。

2）气象模型设计的外部限制主要分为两个方面：气象实体自身的复杂性、机器处理气象数据的性能（采集、传输、存储、计算、分析等方面），前者是无法设计的，后者是可以通过设计改进的。机器对气象模型设计的限制，从另一个角度来看，是人本身计算效率过低带来的限制——在相当长的时间内，数理化的气象模型设计必须照顾人类的计算能力而进行简化或另辟蹊径（例如采用图形化的算法）。

3）机械设计时代，机器的数据技术体系成为了气象模型设计的关键。作为数字设计时代的先声，通信技术体系和计算机技术体系分别给经验主义和理性主义的气象科学模型带来了革命性的影响。

四、结语

本文对人类气象模型设计的梳理中可以得知，手艺设计时代的气象模型设计以人为主导，遵循人的逻辑与尺度——模型设计要遵循人的认知模式和社会规范，它不仅要关注气象本身，还要关注人类在农业、交通、军事、医疗、信仰、政治、社会等多个方面的需求。所以手艺设计时代的气象模型设计朝着多元化的方向发展，而且模型分类就是人的分类。进入机械设计时代后，气象科学模型成为了独一无二的气象模型，机器无论在气象数据的收集还是处理上都成为了人体的延伸，气象模型设计也随之发生了机器化，遵循机器的逻辑与尺度，但这个时期，机器只是气象模型设计的辅助，它提供了气象模型设计的新条件，气象模型设计的核心工作——数理模型的设计——依然只能由人类完成。这个人类主导的设计模式一直延续到今天这个的数字设计时代，直到气象大模型的出现。气象大模型意味着机器开始参与甚至是包揽气象模型设计中的核心工作，人类在气象模型设计中的工作主要变成了对机器学习模型的监督、优化和评估，机器学习本身给气象模型设计带来了新的复杂性，它将气象模型变成了一个只有机器能够理解，人类却难以理解的“黑箱”。对于AI 时代的气象大模型，应该继续追问：AI 能否推动气象理论的发展？AI 机器模型能不能加深人类对大气现象的认识？机器不仅是人的“延伸”，也会造成人的“截肢”。未来的气象模型设计将以机器为主导的趋势必然势不可挡，但它依然应该要把活人放在设计考量的中心，在气象模型变得越来越智能化的同时，它应该是放大人类的智慧，而不是让人放弃对于气象复杂性的思考。