數值天氣預報

數值天氣預報

數值天氣預報(numerical weather prediction)是指根據大氣實際情況,在一定的初值和邊值條件下,通過大型計算機作數值計算,求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組,預測未來一定時段的大氣運動狀態天氣現象的方法。

  • 中文名稱
    數值天氣預報
  • 外文名稱
    numerical weather prediction
  • 起    源
    早在20世紀初期
  • 定    義
    是一種定量的和客觀的預報

內容

數值天氣預報與經典的以天氣學方法作天氣預報不同,它是一種定量的和客觀的預報,正因為如此,數值天氣預報首先要求建立一個較好的反映預報時段的(短期的、中期的)數值預報模式和誤差較小、計算穩定並相對運算較快的計算方法。其次,由于數值天氣預報要利用各種手段(常規的觀測,雷達觀測,船舶觀測,衛星觀測等)獲取氣象資料,因此,必須恰當地作氣象資料的調整、處理和客觀分析。第三,由于數值天氣預報的計算資料非常之多,很難用手工或小型電腦去完成,因此,必須要有大型的電腦。

根據大氣實際情況,在一定初值和邊值條件下,通過數值計算,求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組,預報未來天氣的方法。和一般用天氣學方法、並結合經驗製作出來的天氣預報不同,這種預報是定量和客觀的預報。預報所用或所根據的方程組和大氣動力學中所用的方程組相同,即由連續方程、熱力學方程、水汽方程、狀態方程和3個運動方程(見大氣動力方程)所構成的方程組。方程組中,含有7個預報量(速度沿x,y,z三個方向的分量u,v,w和溫度T,氣壓p,空氣密度ρ以及比濕q)和7個預報方程。方程組中的粘性力F,非絕熱加熱量Q 和水汽量S,一般都當作時間、空間和這7個預報量的函式,這樣,預報量的數目和方程的數目相同,因而方程組是閉合的。

發展歷史

國際

全世界已有30多個國家和地區把數值天氣預報作為製作日常天氣預報的主要方法,其中不少國家和地區除製作1~2天的短期數值天氣預報外,還製作一個星期左右的中期數值天氣預報。

中國

中國于1955年開始摸索作數值天氣預報,1959年開始在電腦上進行數值天氣預報,1969年國家氣象局正式發布短期數值天氣預報,以後逐步改進數值預報模式並實現了資料輸入、填圖、分析和預報輸出的自動化。目前,除完成日常的短期數值天氣預報業務外,正準備作出中期數值天氣預報。

起源

早在20世紀初期,英國科學家L.F.理查孫首先進行了數值天氣預報的嘗試。1922年,他在《天氣預報的數值方法》一書中,論述了數值預報的原理和可能性,並且套用完全的原始方程組,對歐洲地區的地面氣壓場進行了6小時的預報。但其結果很不理想:他預報該地區的氣壓在6小時中的變化為154毫巴(百帕),而實際氣壓幾乎沒有變化。當時理查孫將這次失敗歸之于所取的初值不準確,他的失敗曾使人們一度懷疑數值天氣預報的實際可能性。直到第二次世界大戰結束之後,由于電子電腦的出現,氣象觀測網、特別是高空觀測的發展,氣象資料有了很大的改善,數值天氣預報又引起了人們的註意。特別是人們認識到理查孫的失敗,主要在于他所用的方程組的解,不僅包含了長波等慢過程,還包含了高速傳播的聲波和重力波。這些高速波的實際振幅都很小,但在計算過程中常被擴大,以致掩蓋了氣象上有意義的擾動。1948年,J.G.查尼在C.-G.羅斯比等人工作的基礎上,提出了濾波理論,證明了採用靜力平衡和地轉平衡近似(見大氣運動的平衡狀態),可以消除重力波和聲波。這樣建立的簡化方程組,避免了聲波和重力波的影響。1950年,查尼、R.菲約托夫特和J.von諾伊曼用準地轉正壓模式,在電子電腦上首次成功地對北美地區500百帕高度的氣壓場,作了24小時的預報。

模式誕生

當時分析天氣圖和讀取資料等工作,都是人工進行的,這些工作所費的時間,比當時在電子電腦上的計算時間(試驗)大10倍左右。為了提高工作效率並減少人為的誤差,從1954年起,人們相繼提出一些用電子電腦進行客觀分析和自動處理資料的方法。不久,從收報到分析預報,都開始實現了自動化。20世紀50年代後期,人們發現,用準地轉模式所作的預報有很大的局限性,預報的系統強度變化不大。以後,雖然用平衡模式,效果有所提高,但由于所用方程的階數較高,若進一步考慮物理因素,可能給計算帶來困難。1956年,A.埃利亞森提出用考慮重力波的原始方程模式製作預報的方案。1959年,K.欣克爾曼用原始方程模式作預報,獲得了成功,其效果不低于準地轉模式。但他和理查孫的作法不同,是在認識了快速重力波的性質,並採取新的措施(如縮短時間步長、濾去重力外波等)之後進行的。1960年,美國發射泰勒斯氣象衛星成功,為提供沙漠和海洋等地區的氣象資料找到了新的途徑。隨著動力氣象和計算技術的發展,原始方程模式預報的效果逐漸超過準地轉模式預報,到70年代初期,已比較普遍地用它作業務預報了(見大氣模式)。

套用概況

20世紀80年代,全世界已有 30多個國家和地區把數值天氣預報作為製作日常預報的主要方法。就預報項目來說,已包含有氣壓、溫度、濕度、風、雲和降水量;就範圍來說,已從對流層有限區發展到包括平流層的半球和全球範圍;就時效來說,除1~2天短期預報外,有的國家已開展了一個星期左右的中期預報。(見彩圖)

情況

1955年用圖解法兩層模式作出了500百帕24小時的預報。1959年底,開始用電子電腦製作亞歐範圍和北半球範圍的正壓、斜壓過濾模式的高度場數值預報。1965年春,國家氣象局開始發布正壓500百帕預報。1969年,資料處理、客觀分析和預報的自動化方案初步試驗成功。1973年,開始用原始方程三層模式製作預報。到80年代初,從接收資料到填圖、分析和輸出預報圖,實現了自動化,預報模式發展到多層原始方程模式,其中考慮了地形和非絕熱加熱等物理過程的影響。

存在問題

數值天氣預報還有許多問題尚待解決:

格線尺度的物理過程的引入 由于大氣是一種具有連續運動尺度譜的連續介質,故不管模式的解析度如何高,總有一些接近于或小于格線距尺度的運動(見數值天氣預報常用計算方法),無法在模式中確切地反映出來,這種運動過程稱為次格線過程。湍流、對流、凝結和輻射過程都包含有次格線過程。在數值預報中已採用參數化的方法來考慮這些過程,即用大尺度變數來描述次格線過程對大尺度運動的統計效應。盡管用這種方法已取得了相當好的效果,但仍有許多未解決的問題。如參數化不能考慮大尺度對小尺度的影響及其反饋作用,參數的數值缺乏客觀的確定方法,模式對參數化的差異過于敏感等。

非線性方程數值解 雖然在適當條件下,可以證明某些線性微分方程組的穩定格式的數值解,能夠近似表示相應的微分方程組的真解,但對于非線性微分方程來說,兩種解卻可能不完全一致。已有證據表明,雖然有時候數值解是計算穩定的,但卻與真解(這是特殊情況,真解是已知的)毫無相似之處。

初值形成問題 它包括初值處理、衛星資料的套用和四維同化(見數值天氣預報資料的處理和分析)等問題,這些問題至今尚未很好解決。

上述問題,都是設計模式時會直接碰到的。但是最根本的還是人們對天氣演變規律的認識,特別是對中期和長期天氣過程和強風暴發生和發展的認識,還很不夠。此外,雖然用衛星和遙感技術等手段探測大氣,對提供記錄稀少地區的資料有一定貢獻,但氣象探測的精度和預報的準確率,仍有待進一步提高。

參考書目

G.J.哈廷納著,北京大學地球物理系氣象專業譯:《數值天氣預報》,科學出版社,北京,1975。(G.J.Haltiner,NumericalWeather Prediction,John Wiley & Sons,New York,1971.)

曾慶存著:《數值天氣預報的數學物理基礎》,第一卷,科學出版社,北京,1979。

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