Nếu bạn từng mở ứng dụng thời tiết trên điện thoại và tự hỏi: "Làm thế nào chúng có thể dự đoán thời tiết chính xác đến vậy?", thì bạn hãy nhớ đến Lewis Fry Richardson - người tiên phong áp dụng toán học và các định luật vật lý để dự báo thời tiết. Với tầm nhìn vượt thời đại, ông đã đặt nền móng vững chắc cho công nghệ dự báo thời tiết ngày nay.
Richardson sinh ra trong một gia đình sản xuất đồ da ở Newcastle, Anh vào năm 1881. Ông theo học tại Trường Bootham ở York, sau đó là Cao đẳng Khoa học Durham, và tốt nghiệp hạng ưu ngành Khoa học tự nhiên tại Trường King’s College, Cambridge vào năm 1903.
Sau khi tốt nghiệp, Richardson bắt đầu làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia. Năm 1912, sau vụ đắm tàu Titanic, ông đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng còi và một chiếc ô để tạo ra âm thanh định hướng, giúp phát hiện tảng băng trôi trong sương mù. Sau nhiều thí nghiệm, ông đã đăng ký thành công bằng sáng chế cho phương pháp định vị bằng sóng âm trong không khí.

Năm 1913, Richardson trở thành cán bộ phụ trách Đài quan sát Eskdalemuircủa Cơ quan Khí tượng Anh tại Scotland và bắt đầu nghiên cứu các phương pháp toán học để dự báo thời tiết. Cho đến lúc đó, ngành khí tượng học vẫn còn khá sơ khai, và các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào việc giải thích các hiện tượng thời tiết trong quá khứ. Nhưng Richardson đã có tầm nhìn xa hơn: ông muốn hướng đến dự đoán thời tiết trong tương lai.
Khi Chiến tranh Thế giới lần Thứ nhất nổ ra vào tháng 8/1914, Richardson xin nghỉ phép để tham gia đội cứu thương nhưng bị từ chối. Vì vậy, ông quyết định nghỉ việc vào năm 1916 và gia nhập Đơn vị cứu thương Friends, trực thuộc Sư đoàn bộ binh Pháp số 16. Điều đáng kinh ngạc là ông vẫn tiếp tục nghiên cứu giữa các ca làm việc trong chiến hào, nhằm tìm ra một phương pháp dự báo thời tiết chính xác bằng mô hình toán học.
Để kiểm tra phương pháp của mình có hiệu quả hay không, Richardson đã tiến hành một “dự báo ngược”, tức là đưa ra các dự đoán thời tiết cho một ngày trong quá khứ. Sau đó, ông so sánh kết quả dự báo của mình với thời tiết thực tế đã xảy ra vào ngày hôm đó để kiểm tra mức độ chính xác. Dựa trên dữ liệu chi tiết từ nhà khí tượng Vilhelm Bjerknes về thời tiết khu vực Trung Âu vào ngày 20/5/1910, Richardson đã sử dụng thông tin vào lúc 7 giờ sáng bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí và tốc độ gió để dự đoán thời tiết lúc một giờ chiều cùng ngày.
Sự thay đổi liên tục theo thời gian của các điều kiện khí quyển có thể mô phỏng bằng những phương trình vi phân phức tạp, tuy nhiên các phương trình này rất khó giải. Để khắc phục vấn đề này, Richardson đã chia khu vực nghiên cứu thành 25 ô vuông bằng nhau, với các cạnh dài khoảng 200km. Theo chiều thẳng đứng, ông chia khí quyển thành năm lớp khác nhau, sao cho mỗi lớp chứa cùng một khối lượng không khí.
Richardson tiếp tục chia 25 ô vuông lớn thành hai nhóm: bao gồm ô vuông loại P, nơi ông ghi lại áp suất khí quyển, độ ẩm và nhiệt độ; và ô vuông loại M, nơi ông tính toán tốc độ và hướng gió. Các ô loại P và M được sắp xếp xen kẽ nhau trên lưới bản đồ, giống như ô vuông trên bàn cờ. Từ dữ liệu của các ô liền kề, ông có thể tính toán những dữ liệu đang còn thiếu cho từng ô. Khi nhập tất cả dữ liệu có sẵn lúc 7 giờ sáng vào các phương trình và kiên nhẫn giải chúng, ông đã đưa ra dự báo về sự thay đổi của thời tiết trong sáu giờ tiếp theo.
Kết quả dự báo ban đầu của Richardson không tốt như kỳ vọng. Nguyên nhân chính không phải bắt nguồn từ cách tiếp cận hay công thức của ông, mà là do dữ liệu áp suất ông sử dụng (lấy từ nhà khí tượng Bjerknes) có những sai lệch nhỏ trong thời gian ngắn, làm cho các phép tính trở nên không chính xác, theo chuyên gia Peter Lynch tại Cơ quan Khí tượng Ireland. Điều đó nhấn mạnh tầm quan trọng của dữ liệu đầu vào trong các mô hình dự báo thời tiết.
Tuy nhiên, Richardson là người hiểu rõ giá trị của công trình nghiên cứu này, và ông đã xuất bản cuốn sách “Weather Prediction by Numerical Process” (Dự đoán thời tiết bằng quy trình số) vào năm 1922 để trình bày chi tiết cách làm của mình. Ngoài phương pháp luận, ông đã mô tả ý tưởng về một trung tâm dự báo thời tiết. Ông hình dung ra một hội trường lớn giống như nhà hát hình tròn, với một bản đồ thế giới được vẽ trên tường. Ông ước tính cần khoảng 60.000 nhà toán học để tính toán và đưa ra dự báo thời tiết cho toàn thế giới theo thời gian thực, mỗi người chịu trách nhiệm cho một phần nhỏ của bản đồ.
Ý tưởng của Richardson là bất khả thi vào thời điểm đó do khả năng tính toán bằng tay của con người có giới hạn. Đề xuất của ông đã bị trì hoãn trong nhiều thập kỷ cho đến khi công nghệ phát triển đủ để đáp ứng yêu cầu tính toán. Mọi chuyện trở nên dễ dàng hơn với sự ra đời của máy tính điện tử sau Thế chiến II, loại thiết bị có khả năng thực hiện hàng tỷ phép tính mỗi giây.
Công trình nghiên cứu của Richardson dần được giới khoa học công nhận và trở thành tiêu chuẩn, là yếu tố nền tảng cho dự báo thời tiết và mô hình hóa khí hậu ngày nay. Với những đóng góp to lớn của mình, ông được mệnh danh là “cha đẻ của dự báo thời tiết hiện đại”.
Trong suốt sự nghiệp, Richardson đã công bố hơn 30 bài báo khoa học liên quan đến dự báo thời tiết, trong đó bao gồm những đóng góp quan trọng về lý thuyết khuếch tán, đặc biệt là khuếch tán xoáy trong khí quyển.
Cụ thể, Richardson mô tả khí quyển vận hành thông qua các dòng xoáy hỗn loạn. Các xoáy không khí di chuyển lên, xuống hoặc sang hai bên, va chạm với các xoáy khác. Sau nhiều năm nghiên cứu, Richardson đã đề xuất một phương trình nhằm dự đoán sự xuất hiện của nhiễu loạn khí quyển dựa trên mối tương quan giữa nhiệt độ và vận tốc gió.
Trước đó, giới khoa học đương thời không hiểu rõ về hiện tượng nhiễu loạn khí quyển, đặc biệt là tác động của nó đến chuyển động của lớp không khí trong 2km đầu tiên của tầng khí quyển. Các xoáy nhiễu loạn trong lớp không khí này đóng vai trò quan trọng trong việc dự báo thời tiết, vì chúng vận chuyển nhiệt và hơi ẩm lên tầng khí quyển cao hơn và di chuyển xuống bề mặt Trái đất, góp phần định hình các hiện tượng thời tiết.
Sau chiến tranh, Richardson quay lại làm việc cho Cơ quan Khí tượng Anh nhưng từ chức vào năm 1920 để phản đối việc cơ quan này sáp nhập với Bộ Không quân. Ông chuyển sang nghiên cứu tâm lý học và thống kê các vụ bạo lực tập thể. Ông áp dụng thang đo logarit để phân tích số người tử vong trong các sự kiện bạo lực và công bố nó trong cuốn sách “The Statistics of Deadly Quarrels” (Thống kê về các cuộc xung đột chết người).
Một nghiên cứu khác của Richardson liên quan đến độ dài biên giới chung giữa các quốc gia đã dẫn đến phát hiện về “Nghịch lý đường bờ biển”, theo đó chiều dài đường bờ biển tăng lên khi tỷ lệ đo trên bản đồ càng chi tiết hơn. Ngày nay, chúng ta gọi nó là Định luật Richardson. Phát hiện của ông là tiền đề cho khái niệm về hình học phân dạng (fractal) của Benoit Mandelbrot sau này.
Richardson qua đời vào năm 1953, nhưng di sản khoa học của ông vẫn còn nguyên giá trị cho đến ngày nay. Để vinh danh những đóng góp của ông, kể từ năm 1997, Liên minh Khoa học Địa lý châu Âu bắt đầu trao Huy chương Lewis Fry Richardson cho các cá nhân có những đóng góp xuất sắc trong lĩnh vực địa vật lý.
Nguồn: Metoffice, Independent, York.ac.uk
Bài đăng KH&PT số 1326 (số 2/2025)