数值天气预报全册配套最完整精品课件2.ppt

1、数值天气预报全册配套数值天气预报全册配套 最完整精品课件最完整精品课件2 2 1997年6月4日，原国家科技领导小组第三次会议决定要制定和实施国家 重点基础研究发展规划，随后由科技部组织实施了国家重点基础研究发展计划 (亦称973计划). 1986年3月，面对世界高技术蓬勃发展、国际竞争日趋激烈的严峻挑战， 邓小平同志在王大珩、王淦昌、杨嘉墀和陈芳允四位科学家提出的“关于跟踪研究 外国战略性高技术发展的建议”和朱光亚极力倡导下，做出“此事宜速作决断，不 可拖延”的重要批示，在充分论证的基础上，党中央、国务院果断决策，于1986年 11月启动实施了“高技术研究发展计划（863计划）”. 1998

2、年12月24日，教育部制订了面向21世纪教育振兴行动计划，明 确提出要“创建若干所具有世界先进水平的一流大学和一批一流学科”，简称 “985工程”。 1993年2月13日中共中央、国务院印发的中国教育改革和发展纲要及 国务院关于的实施意见中，“211工程”就是面向 21世纪，重点建设100所左右的高等学校和一批重点学科点。 非线性 多尺度 多圈层 相变（跃变） 多种强迫和反 馈 动力、物理和 化学综合 大气演变过程的复杂性 要掌握在地球系统多圈层相互作用影响 下大气的动力、物理和化学的演变规律，依 据已知的信息，预知大气未来的演变过程和 状态。 希望能准确告诉人们未来的大气状态。希望能准确告诉

3、人们未来的大气状态。 但气象问题的复杂性使得人们无法通过自身 大脑的直接思维去准确掌握大气的演变趋势， 也没有一个科学家能以理论方式直接求解数 学物理方程得到大气未来的状态，也难于直 接通过物理实验来客观地认识大气的演变规 律。 l当前的天气或气候信息完备的综合观测系统 l天气或气候的演变规律从资料得到新认识 l外力和强迫的变化地形和边界强迫；太阳常数；引力 l从已知预报未来的手段完备的数值模式；承载数值模式 计算、显示和通讯平台驾驭观测、资料分析和数值模式发 展和应用的人才队伍 一是天气预报，二是气候预报一是天气预报，二是气候预报 经常不断变化着的大气状态，既是一定时间和空间内的大气状态，

4、也是大气状态在一定时间间隔内的连续变化。 指发生在大气中发生的各种自然现象，即某瞬时内大气中 各种气象要素（如风、云、雾、雨、雪、霜、雷、雹等）空间分布的 综合表现。 一定地区的天气现象随时间的变化过程。 长时间内气象要素和天气现象的平均或统计 状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以 上。气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通 常由某一时期的平均值和离差值表征。 天气、气候现象都是地球大气运动的结果。 天气现象更侧重于描述短期内大气具体的演变过程 而气候现象主要是指长期、代表大气各种指标平均值的变 化过程。 不同对象的数值预报所使用的技术方案与预 报产品都有很大区别，例如一般的数值天气预报

5、关注 并预报具体的天气过程与气象要素的演变，而短期气 候模式预测则关注、预报月与季节尺度的冷暖、旱涝 趋势而不是具体的天气过程。 天气天气和和气候气候模式研究的区别模式研究的区别 研究对象研究对象：单一大气单一大气 耦合系统耦合系统 关注目标关注目标：瞬时结果瞬时结果 平均状态平均状态 关键变量关键变量：降水降水 温度温度 关注内容关注内容：演变过程演变过程 能量收支能量收支 精度精度 稳定和守恒稳定和守恒 水汽过程水汽过程：凝结降水凝结降水 云辐射强迫云辐射强迫 云辐射反馈云辐射反馈 决定因素决定因素：初值初值 强迫和反馈强迫和反馈 同化同化 物理和化学规律物理和化学规律 大气并没有向我们展

6、现出类似潮汐变化 那种类型的周期性，因此我们无法采用像潮 汐预报那样的方法来预报天气。我们没有发 现大气在某一特定时刻的状态与另一时刻的 状态之间存在一系列简单的因果关系。 运用数值方法的天气预报运用数值方法的天气预报， 1951, Charney（1917-1981）数值天气预报的巨匠）数值天气预报的巨匠 之一之一 17 1820年，世界上诞生了第一张天气图。 1855年，法国人莱伐尔用天气图追索克里米亚战争时出 现的风暴。 1860年，英国人弗兹罗用电话收集天气报告，绘成天气 图。 第一次世界大战时,地面天气图已成为天气预报的工具。 二战以后，随着高空探测的增多和世界高空探测站的逐 渐加密

7、，天气分析从二维扩展为三维。 地面观测初始时期地面观测初始时期 极锋学说应用时期极锋学说应用时期 探空发展时期探空发展时期 斜压理论发展时期斜压理论发展时期 卫星观测初始时期卫星观测初始时期 气象雷达推广应用时期气象雷达推广应用时期 动力数值天气预报应用时期动力数值天气预报应用时期 动力统计预报应用时期动力统计预报应用时期 人工智能系统应用时期人工智能系统应用时期 现代气象学的研究（探测基础上）已把大量的物 理、化学定律引入到对天气系统各种演化过程的描 述上来。因此，现在我们可以用一套微分方程组来 表示大气的运动和变化（数学模型）（质量守恒、能量 守恒、动量守恒和水汽守恒）。 20 世纪,在世

8、界(国际) 气象组织的组织推动下,世界各 国开展广泛合作,逐步建立了遍布全球的气象观测站网,人们根据 观测资料分析绘制过去时刻天气变化的天气图,并以此为基础发展 了天气学(定性) 预报方法以及结合数理统计学的统计天气预报方 法。但是,由于这些方法并未反映大气内部的运动变化规律,所以 其预报水平的提高受到很大的限制。因此,要进一步提高天气预报 准确率,必须从大气内部的物理规律(大气动力学、热力学、质量 守恒、水相变化规律等) 出发,建立数学物理模型,用数学物理的 方法,并借助巨型计算机技术,预测未来天气的变化,这就是我们常 说的“数值天气预报”。 23 理解理解“数值数值”二字二字 将支配大气运

9、动的偏微分方程，以观测值为初始条件， 利用计算机的数值解法(时间积分)求得的理论预报称为 数值预报。 因为控制方程是非线性的，得不到解析解，只能用数值 求解的方法，将实况观测值作为初始条件(初值)，利用 电子计算机求解(时间积分)，所以加上“数值”两字。 Meteorologists need relationships (equations) between variables you want to know (e.g., v, T, p, z, q) and the forcing mechanisms that cause changes in these variables. Exa

10、mple: What Is a Numerical Weather Prediction Model? Or Example of a Prognostic Equation: 数数字化，定字化，定量，客量，客观观 预报是建立在一组对大气运动规律了解了的数学物理预报是建立在一组对大气运动规律了解了的数学物理 方程组上。方程组上。 代表了数字化、定量客观化的预报方向。代表了数字化、定量客观化的预报方向。 可以预报天气的极值变化。可以预报天气的极值变化。 初值初值：从站点值到格点值的插值：从站点值到格点值的插值 四维资料同化是 尽可能利用不同 时刻的多种观测 资料得到一个协 调的适合模式特 点的能

11、较准确代 表大气或气候系 统初始状态的模 式初试场。 模式动力框架模式动力框架 从世界上发达国家/ 地区及中国在用业务模式动力 框架方面的主要技术特征来看,已由多尺度多模式动力框架的 阶段进入了多尺度一体化模式动力框架的阶段。即过去一个 业务数值预报中心根据不同的预报对象(如全球中期天气预报、 区域短期天气预报、中尺度天气预报、台风/ 飓风预报) ,分 别建立了基于不同模式动力框架的数值天气预报业务模式。 而今,各国业务数值预报中心已逐步建立了可用于不同尺度预 报对象的、基于多尺度一体化模式动力框架的数值天气预报 业务模式。 (1) 20 世纪90 年代中期以来,各国的全球和区域/ 中尺度模式

12、水平和垂直分 辨率都有明显提高,全球模式水平分辨率已由100120 km 普遍提高到目前 的60 km 左右,模式垂直层数一般都多于30层;传统的区域模式已被中尺度 模式所取代,中尺度业务模式水平分辨率目前普遍在10 km 左右。 (2) 对于空间离散,有限区域模式多采用欧拉差分格式,全球模式则多采用拉 格朗日差分格式;对于时间离散,半隐式和将快慢波分离(分裂- 显式)的时 间分裂是较常用的时间积分方案。将半隐式和半拉格朗日方法结合一起的 方案已在业务数值预报模式中得到了最广泛的使用。 (3) 模式动力框架的改进已不再是单一进行,而是与模式物理过程的改进同步 进行,必须考虑模式动力过程与模式物

13、理过程之间的协调性,以及模式的整 体性。 ( 4) 主要发达国家和中国都正在致力于研发各自的新业务模式非静力 多尺度一体化模式或非静力中尺度模式。 模式物理过程参数化模式物理过程参数化 模式物理过程参数化方案的优化和改进对数值模式预报准确率的提高起 着关键的作用。近年来, 人们对大气物理机制的认识,有助于模式物理过程 参数化方案的改进,使数值预报模式更进一步完善。 (1) 在全球中期数值预报模式中,发展和改进格点尺度云(凝结物) 预报方案已 同改进积云对流参数化方案一样受到重视。 过去,因全球数值预报模式分辨率比较低,模式中的大尺度(即格点尺度) 凝结过程的处理比较简单, 人们更多的注意力放在

14、对积云对流参数化方案的 发展和改进上。由于在此过程中未考虑云的生成过程,使得模式大气中缺少 了水物质(云水、雨水、冰、雪等) 的拖曳作用,当模式分辨率逐渐提高时垂 直速度会出现虚假增长,从而导致模式降水量的虚假增加。这一问题在模式 的水平格距减小到100 km 以下后逐渐变得较为突出。 (2) 区域/ 中尺度模式中云物理过程显式预报方案的细化和逼 真描述成为改进模式降水预报的重点。 随着业务区域/ 中尺度模式分辨率的提高,更多的注意 力被集中在细化和逼真地描述云物理过程的显式预报方案上, 期望改善降水预报效果。 (3) 陆面过程的描述及陆气耦合的改进在气候数值模拟研究中 的重要作用不容置疑。近

15、些年来的研究又显示,陆面过程方 案及其细化描述在中短期高分辨率数值天气预报模式中的作 用也是非常重要的。 模式程序软件模式程序软件 随着模式分辨率的提高,计算量呈几何级数式地增长,对 计算机资源的需求也随之急速增加。大规模并行计算机是能 满足这一需求。气象数值预报模式运行要达到最高的计算效 率,模式程序的并行化是不可避免的。 另一方面,数值预报模式性能的完善化,使得模式程序规 模进一步扩大,加之全球/ 有限区、天气气候一体化模式的 提出,模式程序更进一步复杂化,使得模式程序的研制、运行、 维护、发展变得更加困难。 因此，模式大型程序的设计应按现代软件的规范来进行： (1) 标准化。模式程序每一

16、单元(主程序、子程序、函数、循环语句、变量名 称、注释行等) 的编写必须按给定的一体化编程标准严格进行。现在随着 模式程序规模越来越大,参与模式编程的人越来越多,模式程序编写的标准 化越来越重要。 (2) 模块化。按数值模式的功能和算法(如一个积云对流参数化方案、一个辐 射方案、一个时间差分方案、一个插值计算方案等) ,将标准化的模式程序 单元组合成一个个模块,以便人们可以“插- 拔”式选择不同的模块装配成 一套完整数值预报模式,用于不同的预报目的。 (3) 并行化。随着模式性能的完善、分辨率的提高,模式的计算量也呈几何级 数增加,需要更高性能的巨型计算机才能实现数值模式的大规模科学计算。 高

17、性能计算机的有效使用必须采用并行化的模式程序。 初初 始始 状状 态态 未未 来来 状状 态态 数值 模式 对演变规律的对演变规律的 综合理论认识综合理论认识 外力和强迫外力和强迫 模式结构模式结构 数值预报流程图数值预报流程图 气象观测资料 资料同化 数值预报模式 模式后处理 数值预报释用 产品分发 中央计算机群系统 通信及计算 机传输网络 通信及计算 机传输网络 资料同化资料同化 逐时刻逐时刻“推算推算” 未来天气演变未来天气演变 数值天气预报原理数值天气预报原理 空空 间间 格格 点点 逐一格点求解逐一格点求解 一组数学方程一组数学方程 数数 值值 模模 式式 天天 气气 演演 变变 图

18、图 客观分析和资料同化系统主要解决从观测资料到模式可用 资料的字转换。 初始化过程去除资料中的干扰。 数值模式一组数理方程组数理方程组(干模式） 物理过程参数化描述大气中辐射、行星边界层、积云对流、 海气相互作用、微量气体等（湿模式）。 数值产品的后处理包括分析诊断再加工各类产品、图形化 显示。 数值预报分类方法数值预报分类方法 根据预报对象的时间尺度 分： 短期数值天气预报（13天） 中期数值天气预报（410天） 气候模式预测等（10天以上） 根据预报的空间范围与尺度 全球数值预报（T213L31） 区域数值预报（HLAFS） 中尺度数值预报（WRF） 新一代多尺度通用数值预报体系（GRAP

19、ES） 数值预报产品的特点数值预报产品的特点 种类繁多 1.基本气象要素 2.基于基本气象要素通过计算间接获得的反映大气热力和动力瞬时 状态的物理量。 3.模式直接输出的近地面层天气要素 4.专项预报产品（台风路径、降水等） 空间、时间分辨率高 时空分布的连续性好 数值预报的分析产品在空间分布及时间演变的连续性上比根据实 际观测资料人工分析要好，特别是在实况资料稀少的海洋和高原地区。 预报误差特征极其复杂 产生误差的原因产生误差的原因 分析误差 目前，观测系统并不完全按照天气预报的要求建立的，而且观测资 料包含各种不同类型、不同分布密度、不同观测频率和观测精度。基于 这种不完善的观测系统基础，

20、所得到的资料同化分析场与真实大气之间 必然存在差异，这种来自分析场上的误差导致了模式计算上的误差。 模式误差 模式的水平和垂直分辨率不够精细，物理过程参数化不够完善，难 免有这种或那种的假定或简化，很难完全描写真实大气特征而造成误差。 1904年,挪威学者V.Bjerknes 在世界上首次对数值天气预报理论作了 非常明确的表述,认为大气的未来状态原 则上完全由大气的初始状态、已知的边 界条件和大气运动方程、质量守恒方程、 状态方程、热力学方程所共同决定。换 句话说,在给定大气初始状态和边界条件 下,通过求解描述大气运动变化规律的数 学物理方程组,可以把未来的天气“较精 确地计算出来”。 当时困

21、难： 1）方程组非线性，无法解出解析解。 2）没有好的观测资料，无法确定大气的“真实”初值。 英国科学家Richardson首次提出直接用 “数值积分”这些方程的方法求解这一问题:取未经 简化的完全原始方程,水平格距200 km ,垂直4 层 (层顶200 hPa) ,中心位于德国,1910 年5 月20 日 07 世界时的观测作初值。他借助一把10 英寸的滑 动式计算尺,制作出了世界上第一张6 h 地面气压数 值预报图(时间积分为1910 年5 月20 日0410 世 界时) 。可是,这张地面气压预报图“预报”的6 h 气压变化为146 hPa ,实际观测气压几乎没有多大变 化,从精度上看该

22、预报毫无“参考”价值,而且其计 算时间花了将近一个月,从时效上也已毫无“预报” 意义了(他估计用这样的计算工具,要从时效上做出 有“预报”意义的天气预报来,必须64 000 人同时 进行模式计算才行) 。可以说,Richardson 的首次 数值天气预报是失败的。 L. F. Richardson 差分法。问题：差分法。问题： 1 1）观测资料缺乏，大气初始状态无法确定。）观测资料缺乏，大气初始状态无法确定。 2 2）对于原始方程，差分的稳定性理论没有。）对于原始方程，差分的稳定性理论没有。 3 3）计算速度无法解决。）计算速度无法解决。 RichardsonRichardson实验失败的主要

23、原因实验失败的主要原因 方案过于普遍化，对大气波动和数值计算中的一些基本理论问题认 识不够。大气变化实际上是多种波动的叠加，其中代表天气意义的 变化的波动是那些波长比较长、变化比较缓慢的波动，他们可能是 其他一些更短的波动的平均结果。短波意味着时空尺度小、移动变 化快。因此，如果我们对预报的初值不加处理或处理不好，都会造 成初始状态的不平衡，由此产生快速移动的重力波，随着时间积分 的进行，重力波的发展掩盖了预报中气象信号的初始变率。 而且Richardson的计算方案也没有考虑应满足计算稳定条件，因此 计算结果只能是导致“计算崩溃”。重力波的振幅虚假地增大，完 全掩盖了天气波动的发展。 观测网

24、的极端稀缺和计算量的巨大也是阻碍Richardson成 功的两大因素。当时一战前，人们对大气的了解主要还是 依靠放置于地面上的观测仪器所获得的。无线电通信、无 线电探测、航空飞行都还不发达。对高层大气的了解基本 是空白。只是依靠有限的高山站的数据推测得出。美国人 曾经使用风筝携带仪器探测大气。受资料和通信的限制， 实时预报是不可能的，即使只是根据事后收集的数据作实 验计算，恶劣的初值和边界条件就足以导致计算失败。 Richardson工作的意义 虽然，Richardson的实验结果使人沮丧，以至其后20多年里数值预报无人问 津，但现代数值预报的发展确实是按照Richardson当年的思路在发展

25、 。他不仅 确立了现代数值预报的基本观念，也提出了解决这一问题的具体方法。 1950年Charney(美）等人数值预报的成功正是在充分认识Richardson失 败的教训基础上取得的。 数值预报开始于上个世纪数值预报开始于上个世纪2020年代，以年代，以19221922年英国数学家年英国数学家RichardsonRichardson的的Weather Weather Prediction by Numerical ProcessPrediction by Numerical Process一书为标志。人们把一书为标志。人们把RichardsonRichardson的工作认的工作认 为是现代数值

26、预报的开始，也称为为是现代数值预报的开始，也称为数值预报发展的第一个里程碑。数值预报发展的第一个里程碑。 Courant、Friedrichs和和Lewy， 1928 提出差分方法的稳定性理论：即对于线性平流方程提出差分方法的稳定性理论：即对于线性平流方程 在用中央差分法时，时间步长和空间步长必须满足：在用中央差分法时，时间步长和空间步长必须满足： , 1 x tc 这就是这就是CFL准则。数值预报仍无法实现：方程未简化！准则。数值预报仍无法实现：方程未简化！ 20 世纪40 年代前后大气科学取得了重大 突破,人们揭示出了大气中存在着3 大波动:声波、重力 波、天气慢波。Rossby 波是重要

27、的天气学波动,是根据 著名的Rossby大气长波理论提出来的。这些为数值天气 预报滤波模式发展奠定了大气科学理论基础。到第二次 世界大战后,地面和高空观测密度、范围大大增加,并出 现大容量、高速电子计算机,为数值天气预报模式发展 又提供了可靠的初值条件和有力的计算手段与工具。 Rossby 1939： 长波理论：控制大气大尺度运动的方程是正压无辐散涡度方程：长波理论：控制大气大尺度运动的方程是正压无辐散涡度方程： ,0 fV t 长波理论解决了数值预报的理论问题，为数值预报 的实现奠定了理论基础。 Charney 等在 1950 年, 借助美国世界 首台电子计算机 ENIAC(Elect ro

28、nic Numerical Integrator and Computer) ,用滤掉 (或不包括) 重力波和声 波的准地转平衡(quasi- geost rophic) 滤波一层 模式,成功地制作出了 500hPa 高度场形势24 h 预报,从而开创了数值天 气预报滤波模式时代。 图1世界上第一张成功的数值天气预报图：500mb高度场和涡 度场(引自气象简编) 1950年，Charney等人计算出了历史上第一张数值 预报天气图。这一结果的公布被人认是数值预报发 展的第二个里程碑。 继Charney 等的成功之后,Rossby 返回欧洲瑞 典领导一个研究小组,也成功地利用瑞典制造的、当时世界

29、上强大的“BESK”计算机,再现了Charney 等的数值预报试 验。4 年后的1954 年瑞典在世界上率先开始了业务(实时) 数值天气预报,较之美国开始业务数值天气预报早了6个月 。 从这一年开始,数值天气预报从纯研究探索走向了业务应用, 同时也意味着地球科学首先由大气科学开始从定性研究向定 量研究迈出了坚实的第一步。 准地转滤波模式对于研究认识副热带大尺度大气动力过程是很有用的,但是 它太简化,它的精度不足于可以使数值天气预报研究应用不断发展,因而,用原 始方程模式取而代之就成了最可能的选择。 要从滤波模式走到原始方程模式必须逾越两道障碍: 一、是如何获取足够精度的初始水平散度场的问题,而

30、水平散度又不是气象观测 变量; 二、是如何选择满足计算稳定条件的时间步长,这意味着若时间步长过短、对计 算机能力要求过高而影响其可行性。 Charney 通过小时间步长、初始水平散度取为零的正压原始方程模式的成 功试验证明了原始方程模式用于数值天气预报中是可行的。 另外，Charney对非绝热和摩擦项、水汽凝结过 程、辐射过程、湍流过程等物理过程的重要性和作用进行了 一一讨论。随后的研究也越来越重视次网格物理过程的参数 化影响问题。从20 世纪60 年代中期起,次网格物理过程参 数化的重要性得到了确定,也逐步走向成熟。 与此同时,包含有简单物理过程参数化方 案的、较完善的原始方程数值天气预报全

31、球模式也 在逐渐形成。1965 年,Smagorinsky 等提出了当时 较高分辨率的9 层大气环流模式, 数值试验结果表 明该模式的设计构造是成功的,这是数值天气预报 模式业务应用10 年后,在数值天气预报模式设计上 取得的重大突破,为现代数值天气预报模式的研究 与应用奠定了重要基础。 1975年欧洲科学技术合作计划开始，其中为加 强数值天气预报很快成立了欧洲中期天气预报中心 （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，简称ECMWF。第一个实时中期预报于1979年6 月完成，1979年8月1日开始业务中期天气预报，标志着数 值天气

32、预报走向成熟。 数值模式的先驱们经过了一个世纪赋有挑战性的数值模式的先驱们经过了一个世纪赋有挑战性的 创新工作，奠定了现代数值模式发展的基础。创新工作，奠定了现代数值模式发展的基础。 1904 -1950s：数值模式的酝酿期 1950s-1960s：数值模式架构的完善期 1960s-1980s：大气环流模式的发展 1980s-1990s：完善物理过程和资料同化 1990s之后 ：耦合模式的发展 基于物理规律的数值预报理论的发展，使人类可以利用计算 机重现或预测发生在自然界的天气变化过程。这是地球科学 由“定性”走向“定量”的重大进步。 数值预报理论和技术水平越来越高，应用领域越来越广泛， 数值

33、预报技术已被认为是未来解决天气预报、气候预测等问 题的根本科学途径。 数值天气预报理论和应用是过去一个多世纪以来地球科学的 最重大进步和成就之一。 数值模式是天气预报不可缺少的和气候预测最具潜力的 工具。 数值模拟是加强对天气和气候系统演变规律认识所不可 替代的工具，是提高理论认识的重要途径。 对天气气候演变规律的准确认识都会在数值模式中得到 体现。数值模式的整体水平是一个气象强国气象综合水 平的集中体现。 数值模式的重要地位数值模式的重要地位 促进数值预报迅速发展的因素促进数值预报迅速发展的因素： 探空技术及先进的探测技术的发展为预报提供了必 要食粮。 通讯技术的发展为业务预报资料的收集提供

34、的必要 的手段。 动力气象和天气学的发展为各种模式的发展提供了 理论。 计算机和计算技术的发展是NWP实现的必备工具。 1.预报范围扩大： 时间上：短期、中期、长期、气候、古气候恢复。 空间上：局地、全球、空间 2.大气中的各种物理过程的描述更加细致。 地形、辐射、行星边界层、积云对流、海气相互作用、微 量气体。 3.计算理论不断改进、资料处理更加完善。 4.预报准确率不断提高、产品更加丰富。 因此，数值预报已成为现代天气预报的基础。 气候模式发展 未来的未来的1010年年: : 精细的短期预报。用风暴尺度模式预报灾害性天气（提供有预报技巧的 强对流天气预报） 较完善的资料同化系统。可以最大限

35、度地从观测中提取有用信息，尤其 是可以把卫星雷达等非直接观测的遥感信息加入到资料同化系统中。 改进中期预报，尤其是通过使用集合预报方法改进中期预报的水平。 全球模式的分辨率将可提高至1015 km ,可预报天数将比目前提高1 2 d ;有限区域短期天气预报模式的分辨率将可提高至210 km ,可提 前1248 h 提供逐小时的滚动天气预报。 对由集合预报指示的预报误差快速增长区，增加观测。 发展更为完善的海-地-气耦合模式。 发展各种更高效的计算方法。 为政府决策及公众服务提供更多、更细致、更广泛的预报参考。诸 如空气污染、公路状况、河流洪水预报、污染物扩散、健康保险等。 这里提到的许多方面都

36、是属于非传统的气象服务领域。而数值预报 是我们可以依靠的最主要手段。 km m s 1hr 1d 1m 1y 10y seasona l climate synoptic 临近预报 短期 中期 长期 季、年 气候 typhoon 现代数值天气预报正向两方面发展：一方面试图解决大尺度、全球、季 、气候预报；另一方面，局地的、小尺度问题。 中国是气象数值预报起步较早的国家之 一,早在20 世纪5060 年代初,中国第一代数值 预报专家就开始了数值预报模式及相关计算方法 的研究,并建立了试验预报系统。但从总体上说, 数值预报的发展缓慢。 改革开放以后,中国的气象数值预报才进入 了真正大发展的时期。1

37、980 年国家气象中心利用中国 自行研制的亚欧区域短期预报模式(简称为A 模式) , 开始发布日常48 h 形势预报,标志着中国气象数值预 报进入业务实用阶段。“六五”期间由国家气象中心、 中国科学院大气物理研究所、北京大学组成的联合数 值预报中心建立了北半球和亚洲区域模式系统(简称为 B 模式) ,将中国数值预报业务向前推进了一步。 中期数值预报模式中期数值预报模式（李泽椿、李泽椿、 纪立人纪立人等）等） 2层全球格点模式层全球格点模式（曾庆存、梁信忠曾庆存、梁信忠等）等） 4层海洋环流模式层海洋环流模式（张学洪张学洪等）等） HLAFS 模式模式（张玉玲、郭肖容张玉玲、郭肖容等）等） p-

38、 混合坐标模式混合坐标模式（钱永甫钱永甫等）等） YH模式模式（颜宏颜宏等）等） TL系列模式系列模式（薛纪善薛纪善等）等） REM -坐标坐标（宇如聪、曾庆存宇如聪、曾庆存等）等） 海气耦合模式海气耦合模式（曾庆存、张学洪曾庆存、张学洪等）等） 短期气候预测动力模式系统（短期气候预测动力模式系统（BCC，IAP等）等） 耦合气候系统模式（耦合气候系统模式（IAP等）等） 国内国内80-90年代的数值模式发展年代的数值模式发展 国内自主研制的非静力平衡中尺度模式不多,且多限于研究模式 1991 1992 1995 1996 1997 1998 120h48h168h48h240h48h 320

39、km /9L 200km /15L 200km /16L 110km /15L 120km /19L 55km /20L OIOIOI OI OI OI CYBER 992 CYBER 992 CRAY- C92 CRAY- C92 CRAY- C92 CRAY- C92 200220032004 240h48h48h 60km 60km /31L/31L 27km 27km /20L/20L 20km-20km- 1km1km OIOIOIOIOI IBM-SPIBM-SPIBM-SPIBM-SPIBM-SPIBM-SP 时间时间 模式模式 时效时效 分辨率分辨率 分析同化分析同化 计算机计

40、算机 80年代年代(AB模式模式) 90年代年代 (全球、区域全球、区域) 我国目前主要运行的业务模式 T213L31(全球中期预报谱模式) T639L60 HLAFS MM5(有限区域格点模式) WRF(MM5升级） Grapes（有中国自主知识产权的格点模式） T代表采用三角形谱系 数截断，沿纬圈213的 波，垂直分31层 研究成果：开发建立了我国新一代全球研究成果：开发建立了我国新一代全球/ /区区 域一体化多尺度通用数值预报系统域一体化多尺度通用数值预报系统GRAPESGRAPES 集合预报集合预报 GRAPES 的应用的应用 大气科学研究大气科学研究 沙尘暴预报沙尘暴预报 实时业务预

41、报实时业务预报 观测试验模拟观测试验模拟 热带气旋预报热带气旋预报 闪电模拟闪电模拟 教学培训教学培训 气候模拟气候模拟 GRAPESGRAPES“家族家族” GRAPES_Meso GRAPES_Meso 中尺度预报模式中尺度预报模式 GRAPES_GlobalGRAPES_Global全球预报模式全球预报模式 GRAPES_TCMGRAPES_TCM台风预报模式台风预报模式 GRAPES_TMMGRAPES_TMM热带气象预报模式热带气象预报模式 GRAPES_DAMGRAPES_DAM沙尘气溶胶预报模式沙尘气溶胶预报模式 GRAPES_SWIFTGRAPES_SWIFT临近预报模式临近预

42、报模式 GRAPES_MEPSGRAPES_MEPS中尺度集合预报模式中尺度集合预报模式 GRAPES_LMGRAPES_LM雷电研究模式雷电研究模式 主要数值天气预报业务体系主要数值天气预报业务体系 各系统的侧重功能各系统的侧重功能 模式预报的主要侧重点 T639L60T639L60 预报预报1-10天天内全球内全球大尺度环流大尺度环流的演变、的演变、大范围降水大范围降水的的 发生发展等，如高空槽脊、副热带高压，地面高、低发生发展等，如高空槽脊、副热带高压，地面高、低 气压和冷、暖锋面，大范围雨带等气压和冷、暖锋面，大范围雨带等 GRAPES-MesoGRAPES-Meso对对中国区域的降水

43、中国区域的降水进行短期（进行短期（60小时以内小时以内）预报，）预报， 如降水发生区域、降水强度、降水出现时段等如降水发生区域、降水强度、降水出现时段等 台风模式台风模式专门针对发生在西太平洋专门针对发生在西太平洋-我国沿海的台风我国沿海的台风，进行其，进行其 中心位置、移动路径的中短期（中心位置、移动路径的中短期（96小时内小时内）预报）预报 中期中期T213T213 集合预报集合预报 对未来对未来1-10天，特别是第天，特别是第5-10天期间、全球大尺度环天期间、全球大尺度环 流和大范围降水发展演变的可能性（即流和大范围降水发展演变的可能性（即概率概率）进行预）进行预 报报 中尺度中尺度(

44、 (基基 于于MM5,27-MM5,27- 9km)9km) 预报预报京津京津及其它地区及其它地区气象要素气象要素短时间（短时间（48小时小时）的）的 连续变化，如气温、风、相对湿度、降水量等间隔连续变化，如气温、风、相对湿度、降水量等间隔3 小时的预报小时的预报 到目前为止到目前为止 我国的业务数值预报模式系统仍然是以引进国外为主！ 我国天气预报所用的数值预报产品仍然以国外的模式结 果为主！ 我国自主发展的数值模式中针对我国特殊气象问题的物 理过程还很少！ 我国数值模式的资料同化能力很低！ 中国中国-D3 中国中国-D5 中国中国-D7 、 分别T213L312003年7月份3、5、7天预报

45、500hPa距平相关系数 欧洲中心业务模式欧洲中心业务模式500hPa的距平相关系数的距平相关系数 5天天的形势预报准确率达的形势预报准确率达85%以上！可以上！可 用预报达用预报达一周一周！ 集合预报是国际上二十世纪九十年代初投入业务运行的数值天 气预报新技术。集合预报1969 年首先由Epstein 从大气运动的随机性角度 提出的，其理论基础是蒙特卡罗统计试验法。 传统的数值预报是将观测值作为初值，通过求解大气动力学方程和热力 学方程组，就可以客观、定量地做出天气预报。 但大气探测的误差是非常大的。地球表面71% 是海洋，在广阔的洋面上 几乎没有观测站；在2 9 % 的陆地上，高原和沙漠以

46、及南极洲上也几乎没 有观测站，再加上观测仪器本身的误差以及资料分析、同化处理中引入的 误差等。数值预报用的初值非常不准确。以不准确的初始场做数值预报， 是造成预报不准确的一个重要原因。 集合预报方法是把数个由少许不同的初值计算得到的数值 预报加以平均，作为预报。其基本思想是通过平均，减少由上述的误 差源产生的各自决定论的预报误差部分，而保留有意义的情报（信 息），从而使预报的均方根误差与各自预报的均方根误差相等或更小。 集合预报突破了传统数值预报观念，认为大气的初值是不确定的， 在初始场上加少则几种、多则几百种各种小扰动，使得初始场成为某 种概率密度函数。所以集合预报被认为开创了数值预报的新纪

47、元。一 个好的数值预报系统应是具备高质量观测资料、好的同化系统、好的 预报模式、强大的计算机、好的集合预报系统。 70-80年代的研究探索和数值试验后，至90年代初， NCEP和ECMWF于1992年12月先后建立了各自的集合数值预报 业务系统,这标志着集合数值预报已进入了实际业务应用的 成熟阶段。现在，在美国、欧洲等发达国家的数值预报业 务体系中，集合预报已占据了非常重要的位置（如ECMWF的 集合预报产品已占据所有数值预报产品的60%以上），而且 集合预报产品已在气象台站得到了广泛地应用。 我国集合数值天气预报系统 建立了多套集合数值天气预报系统：建立了多套集合数值天气预报系统： u199

48、6年5月建立了基于T63L16模式的全球中期全球中期集合预报系 统（采用时间滞后平均法（LAF）生成扰动初值）； u1999年建立了32个成员的基于T106L19模式的全球中期集 合预报系统（采用奇异向量法（SVs）生成扰动初值）， 并于2000年3月投入业务应用； u2006年12月15个成员的新一代全球中期全球中期T213L31集合数值 天气预报系统（采用增长模繁殖法（BGM）生成扰动初值） 实现了准业务化运行 。 u已研发基于WRF的区域短期区域短期集合数值天气预报系统，提供 奥运气象服务。 全球全球 面条图面条图 全球区域一体化的集合预报全球区域一体化的集合预报 产品加工和图形显示系统

49、产品加工和图形显示系统 谱格变化、高斯格点转化谱格变化、高斯格点转化GRIB格式格式 侧重强对流指数产品侧重强对流指数产品 全球模式输出量：全球模式输出量： 谱系数、规约高斯格点场 区域区域 区域模式输出量：区域模式输出量： 标准经纬格点场 平均值平均值+发散度图发散度图概率图概率图烟羽图烟羽图 集合预报产品大致分三类： 1 1、集合平均或集合中值预报，是集合预报最初级的应用。、集合平均或集合中值预报，是集合预报最初级的应用。 一般可能比单个预报准确，但对大气不稳定而可能出现一般可能比单个预报准确，但对大气不稳定而可能出现 的分叉且多平衡态无能为力。的分叉且多平衡态无能为力。 2 2、大气预报

50、的可信度预报，通常用集合预报成员间的发、大气预报的可信度预报，通常用集合预报成员间的发 散程度来度量。如面条图。散程度来度量。如面条图。 3 3、概率预报，概率分布包含了该集合预报系统所能提供、概率预报，概率分布包含了该集合预报系统所能提供 的所有信息，最大程度地包含了实际大气可能发生的各的所有信息，最大程度地包含了实际大气可能发生的各 种情况。种情况。 天气预报的挑战 大气是个大气是个浑沌浑沌 ( (Chaotic)Chaotic) 系统系统 线性 线性是指量与量之间的正比关系，用直角坐标形象线性是指量与量之间的正比关系，用直角坐标形象 地画出来，是一根直线。在线性系统中，部分之和地画出来，