第九章数值天气顶报及其Word下载.docx

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早在七十年代中期，新疆气象局先后派出了十余名预报员学习数值预报方法和电子计算机语言程序设计，参加有关短期及长期数值预报方法的科研协作，对购置国产电子计算机进行调研，开始重视数值预报的发展和应用。

后来，根据国家气象局上述指示精神，新疆在发展数值预报的指导思想上有了重要改变，由主要致力于准备“作”数值预报，转变为积极“用”数值预报，并从新疆实际情况出发，选择适宜新疆需要的数值预、报产品，通过改革管理，挖潜革新，在有关部门和单位的支持与协助下，在全国各省（区、市）最早地引入欧洲中期数值天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）部分数值预报产品的格点资料，并通过话语广播和传真迅速传递到各级气象台站。

近几年来,新疆主要开展了北京气象中心和ECMWF数值预报产品的应用。

首先抓了检验，其次是认真总结和充分利用预报员所积累的宝贵经验，来建立、使用、验证和完善动力、统计与天气学相结合的综合预报方法，重点是提高本地灾害性、关键性天气预报质量。

三年来,在实际预报业务中已经取得明显效益并积累了一些经验。

第一节数值预报的发展和特点

省、地、县气象台站天气预报技术，终将由现在实际上是以天气图为主的天气、统计、群众经验相结合的预报方法转变为以数值预报为基础的动力、统计、天气学相结合的综合预报方法。

为了迅速、顺利而有效地实现这个转变，对将要形成的综合预报方法的基础一一数值预报本身，应该有最初步的了解，这对有效地解释大尺度数值预报产品，利用它进行地方天气预报将是必要而有益的。

值得指出的是，丑纪范等人曾对此作过深入浅出的介绍（参见《数值天气预报浅谈》，气象出版社）。

一、数值预报方法的由来

天气预报方法,从古代直到二十世纪四十年代，先后出现了利用群众看天经验、天气谚语的预报方法、统计预报方站、天气图方法，其中天气图方法直到现在仍是各级气象台最为常用的方法,并在实际业务中发挥了很大作用。

但这种方法在很大程度上依赖于预报员的经验，特别是在要素预报上，经验更是起着举足轻重的作用,因此人们常把天气图方法称为“半理论半经验方法”甚至称为“主观预报方法”。

由于天气图方法存在不客观不定量的缺陷，人们自然地希望把天气预报问题化为数学问题，然后用计算的方法作出定时、定量的预报，而不单纯依靠各人的经验来估计。

用古典的，牛顿力学预报天文现象早已在这方面树立了一个光辉的榜样。

法国列维利耶最早提出一个大胆设想，如果对于在自转地球上的大气写出支配其运动的方程，那么，人们就可以通过求解这些方程组，象预报天文现象那样，把天气预报准确地作出来。

l904年挪威锥·

比扬克尼斯则把天气预报作为一个数学物理问题规应为：

根据某一时刻实测到的某些大气状态和运动，通过描述大气运动规律的微分方程组，来计算未来某一时刻的相应大气状态和运动。

当时，写出这套微分方程组是已经作到了，但是要使用已知的气象资料、边界条件和初始条件，求解这套非线性偏微分方程组是极为困难的。

直到1922年英国里查逊提出用差分方法来近似求解这个方程组，并进行了首次实践，结果是伦敦地面3小时变压的预报值与实况值相差近70hPa试验是失败了，但里查逊是一个伟大的失败者，在数值预报发展史上留下了深深的足迹，他首次进行的勇敢试验，不仅在气象上用差分方法求解非线性偏微分方程组取得重大突破，更重要的是给人们留下一条宝贵启示：

数值天气预报的灵魂毕竟是要认识和掌握大气运动的客观规律，数学则是表达客观规律的必不可少的工具和方法。

由于无线电探测技术的发展，三十年代以后，气象高空观测资料增多，人们逐步认识到大气是在各种各样的物理因子的共同作用下运动的，而不同的物理因子却形成了一定的特殊类型的运动。

形成大范围天气的大气运动有如下重要特式：

第一,在中高纬度，高空风总是接近于地转的，这就是说地转偏向力和气压梯度力是近似平衡的。

第二，通过分析大气运动方程组可以看出有两类大气运动，把地转水平和满足静力平衡的运动称为第一类运动；

而将第一类运动以外的所有运动称为第二类运动，它是由许多波动叠加而成，一种移速接近于声波，另一种移速与重力有关,称之为重力波。

第三，一般地说，第一类运动不是小振幅的，不能忽略非线性项的作用，考虑地球表面曲率后，地转参数，又随纬度改变，这两者的作用造成第一类运动不再定常，导致平衡条件的破坏，产生非地转风而激发出小振幅的声波和重力波，这种快波当从特定区域向各方向散开消失后，特定区域又恢复地转水平和静力平衡条件，也就是只存在某种第一类运动。

这种地转水平和静力条件的重建过程叫做气象场的适应。

第四，第一类运动（由于随纬度的变化和非线性的作用而成为非定常的）的缓慢变化称为“演变过程”,第二类运动所导致的地转平衡的建立称为“适应过程”。

自转地球的大气运动不断产生这两种相互竞争过程，地转平衡不断被破坏，又不断迅速建立，天气变化就是在地转平衡的破坏和建立的矛盾斗争中发展的。

第五，由于第一类运动的振幅大而第二类运动的振幅总是很小，演变过程的时间变率小而适应过程的时间变率很大。

因此，中高纬度高空风总是接近地转的，另一方面又不完全是地转的，我们看到对天气变化重要的大气运动，是在一个基本上平衡着的场上发生的，为了预报天气，需要计算的正是演变过程。

但是，描述大气运动的方程组包含了演变过程和适应过程，计算出的气压变化是这两者之和。

这就难免得出气压系统要按声速来移动了，里查逊的失败从根本上说来就是“气象噪音”的干扰造成的，因此必须“滤波”。

1939年罗斯贝第一个获得成功，他用小扰动站略去非线性作用使方程线性化，再将运动方程加以变形，认定速度场和气压场总是满足地转关系（叫做准地转近似）,从而达到了滤掉声波、重力波的目的，产生了著名的长波理论。

1950年恰尼、费也托夫、冯·

洛依且三人共同用实际资料在当时刚造出不久的（ENIAC）电子计算机（每秒几十次）上作出了500hPa高度场的数值预报，36小时高度场变化与实况的相关系数为0.75,数值预报宣告成功，但由于计算速度慢,在业务预报上无实际意义。

1954-1955年在瑞典首先用恰尼等准地转一层模式作500hPa位势场24、48、72小时业务预报，结果表明，数值顶报方法比天气学方法好得多。

经过半个世纪的努力，数值预报作为一种新方始终于获得成功，并显示出愈来愈强的生命力。

二、数值预报模式

（一）描述大气运动规律的方程组

对于随地球一起旋转的相对局地直角坐标系，大气中各种运动都服从如下方程组：

1.运动方程

式中Fx、Fy、Fz为摩擦力在X、Y、Z方向的分量。

为全微

商算子，Ω为地球自转角速度，等于1292×

IO-5秒-1。

2.连续方程

即：

式中

称为速度散度。

3.状态方程

如把大气看成理想气体，则状态方程为

式中R=2.87×

106厘米2/（秒2·

度）是干洁大气的比气体常数。

4.热流量方程

式中

为气体的定压比热，

对于干洁空气

=0.24卡/（克·

度）；

=0.2388卡/焦耳，称为热功当量；

为热流入量。

对于短期天气过程，绝热、无摩擦的假定是接近真实的。

令f=2ΩsinΦ,称为地转参数，并略去方程中量级最小的非时间空间变化项，得到短期预报常用的方程组：

（对于单位时间而言）

这是一个非线性偏微分方程组，六个方程共有六个未知数：

u（东西风）、v（南北风）、w（垂直速度）、p（气压）、T（绝对温度）、ρ（密度）,方程组是闭合的。

原则上说，当使用已知气象资料，给定边界条件和初始条件，求解该方程组可以确定大气运动所有的未来状态。

对于饱和湿空气或涉及水汽相变问题，须增加水分守恒方程，同时增加了比湿q这个未知数，方程组仍是闭合的。

（二）数值预报模式的构成和分类

在数值预报中扮演主角的是所谓模式。

简单地说，模式就是进行预报的数学计算方案。

它包括三要素，一是描述大气运动规律方程组，即根据不同滤波方案，不同的预报对象和不断提高预报精度的要求，构成不同形式的预报方程；

二是求解方程的定解条件；

三是求解方程的数学方法。

具体可以表示为：

模式

1.预报方程

准地转方程

正压方程

斜压方程

平衡方程

原始方程

2.定解条件一一边界条件和初始条件

3求解具体方法

解析解

数值解——水平网格、空间层次和计算方法

差分方法

谱方法

样条方法

对于数值预报模式的分类方法很多，一是按预报对象划分，如形势场预报模式，要素和天气系统（降水、台风……）预报模式；

二是按求解方法划分，如差分模式，样条模式，谱模式等；

三是按水平网格划分，如粗网格，细网格模式；

四是按空间层次划分，如一层、三层、五层、十层、十六层模式等等；

五是按预报方程划分，有准地转模式，平衡模式，原始方程模式三大类。

最基本和最常用的是第五种分类方法。

三、数值预报的水平和问题

（一）数值预报业务的进展

从五十年代初作出了第一张数值预报图以来，现在已有30多个国家相继建立起数值预报

业务，并且取得了较大的进展。

客观分析方法多是采取逐步订正法和最优插值法，发展的趋势是采用最优插值法，预报方程的发展趋势是多采用原始方程，因为水平和垂直分辩率越来越高，考虑的物理因子显著增多，不仅考虑地形和摩擦，而且还考虑各种非绝热过程：

感热、潜热、辐射，以及蒸发、凝结、海陆下垫面的差异等。

预报的范围也越来越大。

使用的资料更为广泛，除高空观测资料外，还使用了地面观测资料，以及卫星观测资料。

目前用四维同化就可将上述不同时刻的观测资料分析到一个瞬时来使用。

自动化程度和计算速度越来越高。

利用大型快速（达每秒几亿次）电子计算机实现从资料收集、分析预报的全盘自动化。

特别值得注意的是，国外非常重视各种气象资料和数值预报资料的收集、贮存、保管和应用。

我国早在1956年就开展了数值预报工作，当时是研究和业务结合，因没有电子计算机，只能用图解法作预报。

1959年国庆十周年前夕，利用中国科学院计算技术研究所的电子计算机，用准地转一层模式制作亚欧范围50OhPa高度场的预报。

1961年起改作北半球预报，直到1966年。

在台风季节，用一个台风路径预报模式制作台风路径的预报，时效为4天，初始资料靠人工来完成。

l969年5—7月在国家气象局研究所安装并调试好国产DJS-6电子计算机，平均运算速度为6万次/秒，用这台机器制作北半球3天以内600hPa高度场预报和使用A模式（三层原始方程有限区模式